Как эволюционировала многоклеточная жизнь?

Учёные обнаруживают механизмы, благодаря которым отдельные клетки могли развить черты, закрепившие их в групповом поведении, проложив путь для многоклеточной жизни. Эти открытия могут пролить свет на то, как сложная внеземная жизнь может эволюционировать на других планетах.

Исследователи подробно изложили эти выводы в выпуске журнала Science от 24 октября.

Первые известные одноклеточные организмы появились на Земле около 3.5 миллиардов лет назад. Более сложные формы жизни эволюционировали дольше: первые многоклеточные животные появились лишь около 600 миллионов лет назад.

Эволюция многоклеточной жизни из более простых одноклеточных микробов стала переломным моментом в истории биологии на Земле. Однако загадка заключается в том, почему клетки не вернулись обратно к одноклеточной жизни.

"Одноклеточность явно успешна — одноклеточные организмы гораздо многочисленнее многоклеточных и существуют как минимум на 2 миллиарда лет дольше. Так в чём же преимущество многоклеточности и почему она сохраняется?" — говорит ведущий автор исследования Эрик Либби.

Обычный ответ на этот вопрос — кооперация, поскольку клетки получали больше пользы от совместной работы, чем от жизни в одиночку. Однако в сценариях кооперации постоянно возникают возможности для клеток "уклониться от обязанностей", то есть сжульничать.

Эксперименты показывают, что группа микробов, выделяющих полезные молекулы, от которых выигрывают все члены группы, может расти быстрее, чем группы, которые этого не делают. Но внутри этой группы "безбилетники", которые не тратят ресурсы на выделение этих молекул, растут быстрее всех. Другой пример клеток, растущих в ущерб другим членам их групп, — раковые клетки.

Многие примитивные многоклеточные организмы, вероятно, переживали как одноклеточные, так и многоклеточные состояния, что давало возможность отказаться от группового образа жизни.

Чтобы решить загадку устойчивости многоклеточной жизни, учёные предлагают так называемые "храповые механизмы". По аналогии с устройством, храповые механизмы — это черты, которые дают преимущества в групповом контексте, но вредны для одиночек, что в конечном итоге предотвращает возврат к одноклеточному состоянию.

Чем больше черта делает клетки в группе взаимозависимыми, тем больше она служит храповым механизмом. Например, группы клеток могут разделять труд: одни клетки производят одно жизненно важное соединение, а другие — другое, поэтому вместе эти клетки функционируют лучше, чем по отдельности.

Храповые механизмы также могут объяснить симбиоз между древними микробами, который привёл к появлению симбионтов внутри клеток, таких как митохондрии и хлоропласты.

Эти механизмы могут приводить к, казалось бы, бессмысленным результатам. Например, апоптоз, или запрограммированная гибель клетки. Однако эксперименты показывают, что более высокие показатели апоптоза могут приносить пользу. В больших скоплениях дрожжевых клеток апоптотические клетки действуют как слабые звенья, чья гибель позволяет небольшим группам клеток отрываться и распространяться туда, где больше места и питательных веществ.

"Это преимущество не работает для одиночных клеток, что означало бы, что любая клетка, покинувшая группу, оказалась бы в невыгодном положении", — поясняет Либби.

Что касается поиска внеземной жизни, это исследование предполагает, что поведение инопланетных организмов может казаться странным, пока не поймёшь, что организм является частью группы.

"Организмы в сообществах могут демонстрировать поведение, которое кажется абсурдным или нелогичным без должного учёта их группового контекста", — говорит Либби.

Учёные планируют выявить другие храповые механизмы и провести эксперименты для оценки стабильности, обеспечиваемой некоторыми возможными чертами-храповиками.