Существо из пробирки: попытка повторить эволюцию дала неожиданный результат
- Из «киселя» — в «дерево»
- Внешняя угроза
- Причина — «Земля-снежок»
Миллиарды лет Землю населяли исключительно одноклеточные организмы. До сих пор неизвестно, как и почему возникли более сложные формы жизни. Чтобы ответить на этот вопрос, ученые воспроизвели эволюцию в лаборатории.
Из «киселя» — в «дерево»
Команда под руководством Уильяма Рэтклиффа из Технологического института Джорджии (США) с 2018-го проводит эксперимент по эволюции многоклеточных организмов (MuLTEE), рассчитанный на десятилетия. В мае 2023-го ученые выпустили первый промежуточный отчет.
За основу взяли одноклеточные дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Этот вид грибов широко используют для изготовления хлебопекарной продукции, алкогольных напитков, а также — для научных исследований. Именно он стал первым ядерным организмом (эукариотом), чей геном расшифровали полностью — в 1996-м.
В новом эксперименте ученые выращивали пекарские дрожжи в пробирке, ежедневно отбирая самые крупные и быстрорастущие. Примерно за три тысячи поколений организм, который нельзя было увидеть без микроскопа, достиг размеров плодовых мушек. Рост — в 20 тысяч раз.
Отдельные структуры развили неожиданные свойства, став прочными и жесткими, как дерево. Чтобы понять, как это произошло, ученые «просветили» многоклеточные кластеры сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) и увидели срез растущих клеток.
«Мы обнаружили, что существует совершенно новый физический механизм, который позволяет группам вырастать до очень и очень больших размеров, — говорит один из авторов работы Озан Боздаг. — «Ветви» дрожжей запутались — кластерные клетки начали вести себя как виноградная лоза, обвивая друг друга и укрепляя всю структуру».
Эволюция Saccharomyces cerevisiae
Это стало поворотным моментом в понимании того, как эволюционируют простые многоклеточные группы. Дрожжи не имеют сложных механизмов развития, характерных для современных многоклеточных организмов. Но всего через 3000 поколений лабораторной эволюции они «поняли», как управлять клеточной запутанностью и использовать ее для роста, отмечают авторы работы.
Рэтклифф считает, что продолжительный эксперимент позволит проследить эволюцию ранних форм жизни — вплоть до появления так называемых дарвиновских сущностей, способных к устойчивой многоклеточной эволюции.
Внешняя угроза
Это не первый эксперимент по превращению одноклеточных организмов в многоклеточные. В 2021-м группа профессора Лутца Бекса из Констанцского университета (Германия) показала, что одноклеточные зеленые водоросли Chlamydomonas reinhardtii всего за 500 поколений развивают мутации, которые обеспечивают первый шаг к более сложным формам жизни.
По одной из версий, многоклеточные организмы образовались из колонии одиночных клеток, которые после деления продолжали держаться группой. Бекс и его коллеги подвергли примитивные водоросли давлению естественного отбора, подселив в пробирку хищника — коловратку. Оказалось, что она не могла — или, по крайней мере, ей было труднее съесть клетки, объединившиеся в кластеры, нежели те, что держались особняком.
Эволюция Brachinous calyciflorus
В других «чашках» водорослям позволяли жить без внешней угрозы. Наблюдение за пятью сотнями поколений показало, что колонии значительно чаще образовывались, увеличивались в размерах и имели более высокую репродуктивную способность в средах, где действовал хищник, нежели там, где его не было.
Таким образом, экспериментально была подтверждена теория происхождения многоклеточной жизни — она возникает только тогда, когда группы клеток лучше размножаются и имеют больше шансов на выживание, чем отдельные, отмечают авторы работы.
Причина — «Земля-снежок»
В 2017-м Йохен Брокс из Национального университета Австралии в Канберре выдвинул предположение, согласно которому возникновение многоклеточной жизни связано с глобальным оледенением Земли. «В то время произошла настоящая экологическая революция, своеобразное восстание водорослей», — говорил исследователь.
Первые организмы появились на Земле три миллиарда лет назад, но оставались одноклеточными. Более сложные формы жизни возникли, как считается, всего 600-650 миллионов лет назад, во время эдиакарского периода.
Согласно теории Брокса, в то время появились первые фотосинтезирующие многоклеточные водоросли. Известно, что «питающиеся светом» одноклеточные существа — бактерии и археи — населяли Землю и ранее.
Изучая отложения осадочных пород на дне первичного океана Земли — ныне это центральная часть Австралии — Брокс и его коллеги обнаружили жировые молекулы, которых много в клетках животных и растений, а в цианобактериях и археях — нет.
Эти породы сложились в эпоху, когда Земля начала оттаивать после превращения в гигантский «снежок» около 850 миллионов лет назад. В первичный океан поступило большое количество фосфора и других нутриентов из горных пород, перемешанных движением ледников. Именно фосфор дал планктону преимущество над фотосинтезирующими бактериями. В результате возникли пищевые сети, которые стали причиной появления все более крупных и сложных организмов — и в конечном итоге жизни в том виде, в каком мы ее знаем сегодня.