Многоклеточность за пятьсот поколений

Зелёные водоросли ради собственного спасения всего за полгода научились жить вместе.

Одна из самых больших загадок в истории жизни на Земле – это появление многоклеточных организмов. С одной стороны, можно представить, как всё происходило: какой-то одноклеточный организм делился с образованием двух дочерних клеток, а потом оказалось, что дочерние клетки не разбегаются в стороны, а остаются вместе – так через несколько поколений образуется колония из генетически идентичных клеток. Но чтобы так произошло, клеткам должно быть выгоднее оставаться вместе, чем быть поодиночке. Должен быть какой-то фактор, из-за которого одиночные клетки плохо размножаются и быстро гибнут, а колонии с заявкой на многоклеточность, наоборот, процветают.

Всё это, может быть, легко придумать, но трудно проверить. Тем не менее, сотрудникам Констанцского университета вместе с коллегами из Института эволюционной биологии Общества Макса Планка удалось экспериментально показать, что такой вариант развития событий вполне возможен. Более того, по эволюционным меркам, как мы привыкли их себе представлять, тут нужно совсем немного времени.

Исследователи ставили опыты с одноклеточной Chlamydomonas reinhardtii, зелёной водорослью из порядка Хламидомонадовых. Среди них есть как одноклеточные формы, так и многоклеточные. Впрочем, по-настоящему многоклеточными их назвать нельзя – те хламидомонадовые, что кажутся многоклеточными, живут колониями или скоплениями, которые называются ценобиями: они не образуют единую систему, у них нет межклеточных связей и тем более дифференцировки клеток по функциям. Тем не менее, всё же их что-то заставило перейти к коллективной жизни, и Chlamydomonas reinhardtii для экспериментов выбрали потому, что у неё есть такие «многоклеточные» родственники и  её наверняка можно как-то склонить к такому же образу жизни.

Хламидомонады выращивали в лаборатории вместе с коловратками – крохотными животными, которые питались водорослями. Одноклеточные водоросли ничего противопоставить коловраткам не могли. Зато те хламидомонады, которые после размножения не разбегались и оставались в виде слипшейся многоклеточной колонии, могли уже не беспокоиться – в глотку коловраткам они просто не пролезали.

Соответственно, коловратки оказались тем фактором, который склонял водоросли к многоклеточности: с каждым поколением у них появлялись мутации, из-за которых хламидомонады после деления оставались слипшимися вместе. Если коловраток вокруг водорослей не было, то колонии среди них появлялись не слишком часто, и никакого преимущества перед одноклеточными водорослями у них не было. С коловратками же водоросли всё чаще и чаще начинили образовывать колонии – просто потому, что у тех, кто это умеет, было больше шансов выжить.

На то, чтобы научиться многоклеточности, водорослям понадобилось всего 500 поколений и полгода времени. Причём эволюция в данном случае шла по одному пути: у разных линий хламидомонад, которые жили отдельно друг от друга, возникали примерно одни и те же «колониальные» мутации. Повторим, что это пока ещё не настоящая многоклеточность: у хламидомонад в колонии нет разделения труда и связи между ними довольно слабы. Но если совместная жизнь по-прежнему будет для них выгодна, они начнут её улучшать – и теперь уже в разных колониях начнут появляться мутации, которые помогают клеткам специализироваться и тем самым лучше выживать. Результаты исследований опубликованы в Nature Communications.

Можно представить и другой способ формирования многоклеточного организма: например, когда колонию образуют посторонние клетки, собравшиеся вместе при определённых условиях среды. Так поступают, например, знаменитые амебоподобные слизевики Dictyostelium discoideum, живущие в почве и питающиеся почвенными бактериями. Когда пищи много, слизевики живут порознь, но когда ее становится мало, сползаются вместе, становясь похожими на небольшого слизня (откуда и название).

В таком виде колония начинает двигаться к теплу и свету, и, найдя подходящее место, формирует плодовое тело. При этом часть клеток превращаются в стебелек, подпорку, на вершине которого оставшиеся клетки формируют споры – ветер перенесет их туда, где условия жизни могут быть получше. То есть те, кому посчастливилось попасть в споры, выживают за счет тех, которые образовали ножку плодового тела.

Но здесь возникают трудности, связанные с тем, что сложную дифференцированную колонию образуют клетки, которые генетически более или менее разнородны, это не потомки одного общего предка. А разные гены с биологической точки зрения означают разные интересы, и поэтому в колонии могут появиться настоящие жулики, пытающиеся обеспечить себе потомство за счёт других.