Эволюция в реальном времени: как одноклеточные водоросли делают первый шаг к многоклеточности

Исследовательская группа профессора Лутца Бекса из Лимнологического института Констанцского университета экспериментально подтвердила ключевую теорию о происхождении многоклеточной жизни. В сотрудничестве с коллегой из Института Альфреда Вегенера (AWI) учёные показали, что одноклеточная зелёная водоросль Chlamydomonas reinhardtii всего за 500 поколений развивает мутации, которые являются первым шагом к многоклеточности. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Условия для эволюционного перехода

Согласно теории, на первом этапе должны формироваться колонии идентичных дочерних клеток, которые не разделяются после деления. Ключевое экспериментально непроверенное условие: такие колонии изначально должны обладать более высокой вероятностью выживания, и лишь затем развиваться в сторону увеличения репродукции. Только после этого возможны дальнейшие шаги к специализации клеток.

Давление хищника как движущая сила

Чтобы создать условия для развития колоний с высокой выживаемостью и скоростью размножения, команда добавила в культуру водорослей хищника — многоклеточного коловратного червя. Изначально отдельная клетка водоросли беззащитна. Мутации, заставляющие клетки после деления оставаться вместе в колонии, повышают шансы на выживание, так как хищнику сложнее их поглотить.

Chlamydomonas reinhardtii была выбрана потому, что в её группе водорослей можно найти разные стадии эволюционной многоклеточности, и все они происходят от одноклеточного предка. В эксперименте десять разных клеточных линий водоросли выращивали в культурах, в часть из которых добавляли хищника, а в часть — нет.

Результаты через 500 поколений

Анализ свойств клеток после 500 поколений показал:

• Колонии значительно чаще формировались в средах с хищником.
• Эти колонии имели значительно более высокую скорость размножения, чем колонии, росшие без хищника.

«Распределение типов колоний, которые выживают, и тех, которые быстро размножаются, точно соответствует проверяемой нами теории. Мы не только показали, что они существуют, но и что они неоднократно эволюционируют в определённых условиях», — поясняет Бекс.

Сюрприз на геномном уровне

Эволюционный шаг произошёл очень быстро — для 500 поколений потребовалось около полугода. Удивительным для учёных стала высокая воспроизводимость адаптаций на геномном уровне.

«Мы ожидали, что формирование колоний может достигаться разными механизмами в клетках водорослей, и поэтому мы найдём разные мутации. На самом деле мы наблюдали очень высокий уровень повторяемости. Это говорит о том, что давление отбора оказало очень целенаправленный эффект», — отмечает Бекс.