Высокая цена сложности: новое исследование изучает энергетические потребности многоклеточной жизни
В период между 1,8 млрд и 800 млн лет назад, известный как «скучный миллиард», сложность жизни на Земле оставалась минимальной. Доминировали одноклеточные организмы, и лишь изредка появлялись многоклеточные формы. Эта эра подготовила почву для последующего возникновения сложной многоклеточной жизни.
Новое исследование учёного из Университета штата Аризона Майкла Линча показывает, что многоклеточные организмы требуют значительно больше энергии, чем одноклеточные. Используя в качестве модели водяную блоху Daphnia, исследование выявило, что им требуется более чем десятикратное увеличение энергии по сравнению с протистами — более простыми, в основном одноклеточными организмами.
Результаты подчёркивают, насколько дыхание и другие метаболические процессы важны для развития сложных организмов, и проливают свет на условия, необходимые для поддержания сложной жизни. Исследование также затрагивает фундаментальные биологические процессы, вероятно, актуальные для любой углеродной, дышащей кислородом формы жизни, независимо от её планетарного происхождения.
«Никто не сомневается, что многоклеточность может дать существенные преимущества, но привилегия получения таких выгод обходится дорого», — говорит Линч. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Энергия для сложности
Одноклеточным организмам нужно относительно мало энергии для роста и размножения. Многоклеточным же (растениям, животным, грибам) требуется значительно больше энергии для поддержания дополнительных структур, таких как ткани.
Этот скачок в потребностях связан с эволюцией структур, которые напрямую не способствуют росту или размножению, но необходимы для многоклеточной жизни. Они позволили организмам стать крупнее и универсальнее, но также повысили энергетическую стоимость самого существования.
Один из способов понять эти потребности — изучить ATP-синтазу, молекулярную машину в клетках, производящую АТФ — универсальную энергетическую «валюту» в биологии. Многоклеточные организмы сильно зависят от ATP-синтазы, так как каждая клетка в их теле должна «оплачивать» энергию, и стоимость растёт с числом клеток.
Исследование показывает, что многоклеточным существам (метазоям) требуется гораздо больше комплексов ATP-синтазы по сравнению с простыми одноклеточными организмами. С каждой новой клеткой потребность в энергии возрастает. У таких организмов, как Daphnia, энергетические потребности значительно увеличиваются с размером, и этот принцип, по-видимому, распространяется на всех животных, включая позвоночных.
На каждую единицу массы тела этим организмам требуется в 30–50 раз больше кислорода, чем протистам. Этот дополнительный кислород поддерживает их сложные потребности в клеточной коммуникации и поддержании тканей.
Рост в размерах — дорогое удовольствие
В то время как более крупные одноклеточные организмы (например, некоторые амёбы) становятся эффективнее по мере роста, многоклеточным требуется больше энергии на единицу биомассы с увеличением размера. Эта разница подчёркивает уникальные проблемы, возникшие с появлением многоклеточности в ходе эволюции. Рост тканей и развитие систем для поддержки многоклеточных функций требуют больше АТФ, что создаёт метаболический «скоростной лимит» на то, как быстро эти организмы могут расти и созревать.
Почему же многоклеточность эволюционировала, несмотря на высокие энергозатраты? Ответ может заключаться в эволюционных преимуществах, которые она даёт: способность потреблять одноклеточные организмы в больших количествах, избегать хищников и заселять разнообразные среды. Но этот образ жизни имел свою цену: высокую базовую энергетическую стоимость, которую организмы должны постоянно покрывать, чтобы выжить.
Хотя энергетические потребности многоклеточной жизни существенны, эти затраты уравновешиваются преимуществами для выживания. Метазои, которые могли удовлетворить эти потребности, добились большего эволюционного успеха, сформировав сложные экосистемы. Однако такой высокоэнергетический образ жизни также накладывает ограничения на скорость роста и размножения, влияя на форму и продолжительность жизни многоклеточных видов.
К новым открытиям
Данное исследование сосредоточено на аэробно дышащих, животных организмах. Чтобы полностью понять энергетические затраты на сложность, учёные планируют распространить эти выводы на другие формы жизни, включая растения и грибы, у которых могут быть уникальные энергетические стратегии.
Полученные данные дают дополнительные ключи к пониманию того, почему многоклеточные формы жизни появились и разнообразились на Земле лишь спустя значительное время. Ограничения биоэнергетики могут быть универсальным явлением. Принципы преобразования и потребления энергии, такие как роль ATP-синтазы и её энергетическая стоимость, — это основные биологические процессы. Они, вероятно, применимы к любой углеродной, дышащей кислородом жизни, где бы она ни существовала во Вселенной.