Как одноклеточная жизнь эволюционирует в многоклеточную? Команда исследователей под руководством профессора Лутца Бекса из Лимнологического института Констанцского университета (Германия) сделала важный шаг к объяснению этого сложного процесса. Учёные смогли продемонстрировать, как одноклеточная водоросль Chlamydomonas reinhardtii всего за 500 поколений развивает мутации, обеспечивающие первый шаг к многоклеточной жизни. Это экспериментально подтвердило теорию о происхождении многоклеточной жизни. Она гласит, что эволюция групп клеток и последующие шаги к многоклеточности могут происходить только когда группы клеток лучше размножаются и имеют больше шансов выжить, чем отдельные клетки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications 9 июля.
Эксперимент основан на теории, согласно которой многоклеточные организмы появились из одноклеточных. На первом этапе образуются колонии одинаковых дочерних клеток, не разбегающихся после деления. Важным, но пока не подтверждённым условием этой теории является то, что сначала появляются колонии с более высокой вероятностью выживания, чем у одиночных клеток. На втором этапе колонии продолжают развитие, чтобы нарастить темпы размножения. Только после этого могут последовать дальнейшие шаги в направлении специализации соматических и зародышевых клеток. Профессор гидроэкологии и эволюции Бекс совместно со своей командой экспериментально проверили условия, вызывающие переход от одноклеточности к образованию колоний.
Слишком большие для хищников
Для формирования подходящих условий развития колоний с высокой вероятностью выживания и одновременно высокой скоростью размножения команда создала давление отбора, добавив в среду с клетками водорослей хищника — многоклеточную коловратку. Отдельная клетка водоросли не защищена от хищника. Поэтому мутации, заставляющие клетки расти колониями и оставаться вместе после деления, увеличивают вероятность выживания. Хищники больше не могут или, по крайней мере, не так легко поедают колонии.
Водоросли Chlamydomonas reinhardtii принадлежат к группе водорослей, у которых можно обнаружить различные стадии эволюционной многоклеточности, происходящие от одноклеточного предка. В ходе исследования авторы подготовили условия для наблюдения за эволюцией колоний в режиме реального времени. Всего учёные вырастили десять различных клеточных линий водоросли. К некоторым добавлялся хищник, к некоторым нет, при этом все остальные условия эксперимента были одинаковыми.
Клеточная специализация видна на геномном уровне
Более пристальный взгляд на эволюционировавшие свойства клеток спустя 500 поколений показал, что колонии чаще появлялись в среде с хищниками и размножались быстрее, чем колонии, растущие без хищников. Бекс сказал, что распределение «типов колоний, которые выживают, и тех, которые быстро размножаются, точно соответствует проверенной нами теории. Мы не только показали, что они существуют, но и что они неоднократно эволюционируют при определенных условиях».
Это не только подтвердило основную теорию, но и доказало, что этот эволюционный шаг произошёл очень быстро. Для развития необходимых 500 поколений требуется всего около полугода. Учёных также удивило, что эволюционировавшие адаптации клеток были воспроизводимы на уровне генома. «На самом деле мы ожидали, что образование колоний можно достичь при помощи различных механизмов в клетках водорослей, и поэтому мы обнаружили бы различные мутации. На самом деле, мы наблюдаем очень высокий уровень повторяемости. Это говорит о том, что давление отбора оказало очень целенаправленное воздействие», - говорит Бекс.
***
Источник — Evolution in real time
Перевод подготовили Екатерина Хананова и Антон Меньшенин.