Як одноклітинні організми стали багатоклітинними
Американські вчені відкрили молекулярний механізм, який, можливо, колись давним-давно (близько двох мільярдів років тому) допоміг одноклітинним тваринам стати багатоклітинними. Були також з'ясовані причини, які спонукали їх зробити таке складне перетворення. Згідно з проведеними дослідженнями, одноклітинних змусила зібратися разом загроза голоду.
Досі проблема виникнення багатоклітинних організмів з їхніх одноклітинних попередників є однією з найінтригуючіших загадок ранньої історії життя на нашій планеті. Як пам'ятаємо, перші одноклітинні живі організми відомі з відкладень, вік яких 3,9 мільярда років (у Гренландії). Після чого вони спокійно існують на Землі близько двох мільярдів років, не роблячи жодних спроб до об'єднання в багатоклітинну істоту, і лише 2,1-1,8 мільярда років тому вони таки з'являються. Що ж змусило наших одноклітинних предків змінити свої звички і створити принципово інший тип організму?
Власне, древні екосистеми Землі не потребували багатоклітинних істот. Одноклітинні цілком ефективно підтримували стабільність кругообігів всіх життєво необхідних речовин, на кшталт азоту, вуглецю та фосфору. А, як ми пам'ятаємо, саме стабільність цих кругообігів і забезпечує стійкість екосистем. Якщо ж екосистеми стійкі, то й ніяка еволюція складових її організмів у принципі не потрібна — навіщо винаходити щось нове, коли й так добре живеться?
Однак насправді все, мабуть, було не так безхмарно. Малорозмірні одноклітинні організми стикаються з однією проблемою (на яку вперше звернув увагу вітчизняний гідробіолог Б. В. Віленкін) - постачання їх біогенними речовинами та їжеювідбувається виключно за рахунок дифузії крізь клітинну оболонку. Це, здавалося б, має сприяти мініатюризації клітин для того, щоб максимально збільшити ставлення її поверхні до об'єму, а не укрупнення організму. Але...
Як показали експерименти і спостереження, дуже дрібний організм, пасивно ширяючи в товщі води, швидко створює навколо себе "пустелю" - виїдає з безпосередньо оточуючого його водного шару всі необхідні йому речовини. Крім того, він ще ударно забруднює цю "пустелю" своїми відходами. На їх розкладання витрачається весь кисень, що знаходиться поруч, і в результаті даний організм сам себе душить. А далеко спливти від створеної ним самим "пустелі" він не в змозі: у нього просто не вистачає енергії на таку подорож (адже він маленький - отже, багато запасів їжі в нього просто не влізе).
Саме "проблема Віленкіна" і спонукала давніх одноклітинних об'єднуватися. Проте який із чинників був вирішальним: голод, забруднення довкілля чи ядуха? І яким саме способом відбувалося формування багатоклітинних організмів? Ці питання довго не мали відповідей, проте нещодавно американські біологи змогли впритул наблизитися до розгадки цієї таємниці еволюції.
Група вчених під керівництвом Деніела Дікінсона зі Стенфордського університету (США) досліджували процес формування плодового тіла у слизовиків Dictyostelium discoideum. Як відомо, ці грибоподібні організми вважають за краще існувати у вигляді окремих амебоподібних клітин. Однак коли цій дивній істоті не вистачає їжі, безліч окремих клітин об'єднуються, щоб утворити суперечки і відправити їх на пошуки більш придатного місця проживання.
При цьому тепер уже багатоклітинний організм формує витягнуту "ніжку", або "стеблинку", яка іутворює суперечки. Ну, а сама "стеблинка" будується з особливої групи клітин, які, як вважали, несуть відповідальність за утворення плодового тіла. Тобто перед нами в даному випадку не класичний багатоклітинний організм, що складається з різних тканин, проте дуже складна колонія, яку складають клітини, чиї функції різняться. Однак, як припускають вчені, саме така колонія і була першим кроком на шляху до створення справжньої багатоклітинності.
Молекулярна структура клітин "стеблинка" тривалий час залишалася нез'ясованою. Однак Дікінсону та його колегам вдалося знайти в цих клітинах плодового тіла слизовика два білки, дуже схожі на катенини. Нагадаю, що ці білки відіграють значну роль у поляризації клітин у тварин. Слід зауважити, що поляризація (тобто процес, при якому у клітин з'являються молекулярно-морфологічні "перед" і "зад" або "верх" і "низ") є головним процесом у розвитку організму і саме з неї починається утворення будь-якої тканини чи органу .
Біологи виявили, що з клітин верхівки плодового тіла певні органели зібрані одному краю. Це дуже нагадує будову епітеліальної тканини у тварин. Далі дослідники вимикали два білки - Ddα-катенін і білок Aardvark (другий з білків слизовика, подібних до катенін) - за допомогою різних біохімічних методик. В результаті слизовик виявився не в змозі формувати спороносне плодове тіло, а клітини "стеблинки" перестали бути поляризованими. Також з'ясувалося, що клітини з вимкненими білками виявилися нездатними виділяти целюлозу та інші експортні речовини, на яких можна було "будувати" спороносну ніжку.
Виходить, що саме катенини допомагають слизовику Dictyostelium discoideum сформувати багатоклітинний організм із рядуамебоподібних клітин. Однак давно відомо, що ці білки дуже давні — їх аналоги мають багато одноклітинних організмів. Щоправда, ніде, крім як у дослідженого слизовика, їхня діяльність не стимулює утворення колоній.
Дослідження утворення колоній у слизовика дозволяє побудувати еволюційну модель виникнення багатоклітинності. Очевидно, саме голод змусив одноклітинних об'єднуватися у колонії, яким легше було накопичити запаси енергії (як їжі, зрозуміло), необхідних " далеких мандрівок " . При цьому діяльність катеніноподібних білків, що викликає поляризацію клітин, створила спеціалізовані структури (на зразок ніжки тих самих слизовиків), які допомагали всій цій спільноті триматися разом і не розпадатися.
Такі колонії вже могли успішно конкурувати з одноклітинними організмами, оскільки контролювали більшу територію, ніж поодинокі організми. Однак спочатку ці освіти, зважаючи на все, були тимчасовими (як і у вищезгаданого Dictyostelium discoideum). І все тому, що вільного кисню на Землі тоді було обмаль — менше одного відсотка від сучасної концентрації. За такої концентрації цього корисного газу існування багатоклітинних організмів неможливе з суто фізіологічних причин — дифузійний спосіб поглинання кисню не дозволяє рівномірно розподіляти його між усіма клітинами колонії.
Однак, приблизно 1,5 мільярда років тому, завдяки діяльності фотосинтетичних організмів цей рубіж, званий точкою Пастера, виявився пройденим — концентрація кисню склала цей один відсоток від нинішнього. В результаті колонії стали більш-менш постійними, а диференціювання клітин, яке стало можливим завдяки наявності катенінів, перетворило їх насправжні організми, які з тканин. З того часу саме багатоклітинні стали домінувати в екосистемах Землі (чим вони, власне кажучи, й досі займаються). А одноклітинним довелося задовольнятися тими нішами, які не приваблювали багатоклітинних.
Недавнє дослідження американців підтвердило один із найважливіших еволюційних законів — усі основні перетворення живих істот здійснюються на базі вже існуючих систем, які за зміни умов просто починають функціонувати дещо по-новому. Так і для утворення багатоклітинного тіла організмам зовсім не потрібно було винаходити щось нове, а слід лише застосувати арсенал засобів (у вигляді катенінів). І, судячи з того, що ми з вами складаємося з безлічі різноманітних клітин, тоді, два мільярди років тому, вони зробили це дуже успішно.
Додайте у свої джерелав Яндекс.Новини
Також будемо раді вам у наших спільнотах уВКонтакті, Фейсбуці, Однокласниках.