Модель объясняет быстрый переход к разделению труда в биологической эволюции
Переход от колоний отдельных клеток к многоклеточным организмам может произойти относительно быстро, в течение одного миллиона поколений. К такому выводу пришла новая математическая модель, упрощающая понимание этого процесса. Исследование опубликовано 10 июня в открытом журнале PLoS Computational Biology.
Биологические организмы высокосложны и состоят из множества частей, которые функционируют вместе для выживания и размножения целого. Вопрос о том, как и почему сложность возрастает в ходе эволюции, имеет большое научное и философское значение. Биологи выделили ряд основных переходов в эволюции сложности, включая происхождение хромосом, эукариот, полового размножения, многоклеточных организмов и социальных групп у насекомых. Ключевым шагом во многих из этих переходов является разделение труда между компонентами возникающей эволюционной единицы более высокого уровня.
Понимание того, как разделение труда эволюционировало у многоклеточных организмов, затруднено, поскольку ожидается, что отдельные клетки будут действовать эгоистично для защиты собственного существования, а не работать сообща для достижения более продуктивной организации более высокого уровня, — объясняет автор работы Сергей Гаврилец.
Его новый подход применим не только к клеткам внутри организма, но и более широко — к возникновению множества типов клеток, сложных органов или даже некоторых сообществ насекомых. Эти выводы помогают ответить на многие вопросы эволюционных биологов, изучающих основные переходы в эволюции сложности.
На примере половых и соматических клеток у вольвоксовых зелёных водорослей математическая модель Гаврильца описывает эволюционное возникновение разделения труда, начиная с колонии недифференцированных отдельных клеток и заканчивая полностью дифференцированными многоклеточными организмами. Это первая модель, показывающая эволюцию полного разделения на зародышевые (гермальные) и соматические клетки, где одна часть клеток колонии (герм) специализируется на размножении, а другая (сома) — на выживании.
В модели разделение труда происходит через эволюцию способности развиваться различными путями (развивающаяся пластичность), что требует определённой регуляции генов. Результаты показывают, что разделение труда может произойти при выполнении двух условий:
- Должно быть сильное генетическое родство.
- Должны существовать компромиссы приспособленности, мешающие отдельным клеткам эффективно выполнять несколько функций одновременно.
«Эта конкретная модель предоставляет очень простой путь для разделения труда», — сказал Гаврилец. — «Модель помогает развить нашу интуицию относительно других, более сложных эволюционных процессов».