Почему почти все многоклеточные организмы начинают жизнь с одной клетки
Многоклеточное существование требует крайней степени кооперации клеток, большинство из которых не передают свои гены следующему поколению. Эволюционные биологи Джоан Страссманн и Дэвид Квеллер из Вашингтонского университета в Сент-Луисе в статье в журнале Science объясняют, как такая кооперация могла развиться.
Ключевой фактор — родство. Эксперименты с социальными амёбами Dictyostelium discoideum (Dicty) показали:
- В генетически разнородных группах «обманщики» (клетки-мутанты, эксплуатирующие кооператоров) процветают.
- Если группа происходит от одной клетки, обманщики обычно оказываются в группах только с такими же обманщиками и не могут никого эксплуатировать.
Эксперимент с социальными амёбами
В голодных условиях около 10 000 амёб Dicty объединяются в многоклеточный «слизень». Затем 20% клеток жертвуют собой, формируя стебелёк, чтобы остальные 80% могли образовать споры и продолжить род.
Учёные обнаружили, что в смешанных группах генетически разных клонов некоторые клоны «обманывают» — они непропорционально часто попадают в споры, избегая участи стать стебельком. В лабораторном эксперименте, где родство между амёбами было искусственно низким, кооперация быстро деградировала: появились «облигатные обманщики» — мутанты, полностью утратившие способность формировать плодовые тела и выживающие только за счёт кооператоров.
Почему в природе кооперация сохраняется?
В дикой природе облигатные обманщики практически не встречаются (их нет среди 2000 изученных диких клонов), а в каждом плодовом теле находятся близкородственные клетки.
Чтобы выяснить, почему, учёные провели эксперимент по накоплению мутаций. Они позволили 90 линиям амёб накапливать мутации без конкуренции. Результат: ни одна линия не утратила способность к плодоношению. Это позволило статистически установить верхний предел скорости мутаций, превращающих кооператора в облигатного обманщика.
Расчёт показал: если плодовое тело формируется из амёб — потомков одной споры, проблема обманщиков не возникает. Более того, даже если позволить такой колонии делиться до размеров, сопоставимых с количеством клеток у синего кита, кооперация не разрушится.
Вывод: значение «бутылочного горлышка»
Популяционные «бутылочные горлышки», которые уничтожают разнообразие и перезапускают популяцию из единственной клетки, являются мощным стабилизатором клеточной кооперации.
«Именно «бутылочное горлышко» в виде одной клетки создаёт высокую степень родства среди клеток, что, в свою очередь, позволяет им сотрудничать», — говорит Дэвид Квеллер.
Таким образом, клетки печени, крови и костей помогают яйцеклеткам и сперматозоидам передать гены, потому что весь организм произошёл из одной оплодотворённой яйцеклетки, прошедшей через одноклеточную стадию.