Многоклеточные организмы создал... голод

Американские ученые открыли молекулярный механизм, который, возможно, когда-то давным-давно (около двух миллиардов лет назад) помог одноклеточным животным стать многоклеточными. Были также выяснены причины, побудившие их совершить столь сложное превращение. Согласно проведенным исследованиям, одноклеточных заставила собраться вместе угроза голода.

До сих пор проблема возникновения многоклеточных организмов из их одноклеточных предшественников является одной из самых интригующих загадок ранней истории жизни на нашей планете. Как мы помним, первые одноклеточные живые организмы известны из отложений, возраст которых 3,9 миллиарда лет (в Гренландии). После чего они спокойно существуют на Земле около двух миллиардов лет, не делая никаких попыток к объединению в многоклеточное существо, и лишь 2,1-1,8 миллиарда лет назад таковые все-таки появляются. Что же заставило наших одноклеточных предков изменить своим привычкам и создать принципиально другой тип организма?

Собственно говоря, древние экосистемы Земли не нуждались в многоклеточных существах. Одноклеточные вполне эффективно поддерживали стабильность круговоротов всех жизненно необходимых веществ, вроде азота, углерода и фосфора. А, как мы помним, именно стабильность этих круговоротов и обеспечивает устойчивость экосистем. Если же экосистемы устойчивы, то и никакая эволюция составляющим ее организмам в принципе не нужна — зачем изобретать что-то новое, когда и так хорошо живется?

Однако на самом деле все, видимо, было не столь безоблачно. Малоразмерные одноклеточные организмы сталкиваются с одной проблемой (на которую впервые обратил внимание отечественный гидробиолог Б. В. Виленкин) — снабжение их биогенными веществами и пищей происходит исключительно за счет диффузии сквозь клеточную оболочку. Это, казалось бы, должно благоприятствовать миниатюризации клеток для того, чтобы максимально увеличить отношение ее поверхности к объему, а не укрупнению организма. Но…

Как показали эксперименты и наблюдения, очень мелкий организм, пассивно паря в толще воды, быстро создает вокруг себя "пустыню" — выедает из непосредственно окружающего его водного слоя все необходимые ему вещества. Кроме того, он еще ударно загрязняет эту "пустыню" своими отходами. На их разложение расходуется весь находящийся рядом кислород, и в итоге данный организм сам себя душит. А далеко уплыть от созданной им самим же "пустыни" он не в состоянии: у него просто не хватает энергии на такое путешествие (он ведь маленький — следовательно, много запасов пищи в него просто не влезет).

Именно "проблема Виленкина" и побудила древних одноклеточных объединяться. Однако какой из факторов был решающим: голод, загрязнение окружающей среды или удушье? И каким именно способом шло формирование многоклеточных организмов? Эти вопросы долго не имели ответов, однако недавно американские биологи смогли вплотную приблизиться к разгадке данной тайны эволюции.

Группа ученых под руководством Дэниэла Дикинсона из Стэнфордского университета (США) исследовали процесс формирования плодового тела у слизевиков Dictyostelium discoideum. Как известно, эти грибоподобные организмы предпочитают существовать в виде отдельных амебовидных клеток. Однако когда этому странному существу не хватает еды, множество отдельных клеток объединяются, чтобы образовать споры и отправить их на поиски более пригодного места обитания.

При этом теперь уже многоклеточный организм формирует вытянутую "ножку", или "стебелек", которая и образует споры. Ну, а сам "стебелек" строится из особой группы клеток, которые, как считали, несут ответственность за образование плодового тела. То есть перед нами в данном случае не классический многоклеточный организм, состоящий из разных тканей, а все-таки очень сложная колония, которую составляют клетки, чьи функции различаются. Однако, как предполагают ученые, именно такая колония и была первым шагом на пути создания настоящей многоклеточности.

Молекулярная структура клеток "стебелька" долгое время оставалась невыясненной. Однако Дикинсону и его коллегам удалось найти в этих клетках плодового тела слизевика два белка, очень похожих на катенины. Напомню, что данные белки играют значительную роль в поляризации клеток у животных. Следует заметить, что поляризация (то есть процесс, при котором у клеток появляются молекулярно-морфологические "перед" и "зад" или "верх" и "низ") является главным процессом в развитии организма и именно с нее начинается образование всякой ткани или органа.

Биологи обнаружили, что у клеток верхушки плодового тела определенные органеллы собраны на одном краю. Это весьма напоминает строение эпителиальной ткани у животных. Далее исследователи выключали два белка — Ddα-катенин и белок Aardvark (второй из белков слизевика, сходных с катенинами) — с помощью различных биохимических методик. В результате слизевик оказался не в состоянии формировать спороносное плодовое тело, а клетки "стебелька" перестали быть поляризованными. Также выяснилось, что клетки с выключенными белками оказались неспособными выделять целлюлозу и прочие экспортные вещества, на которых и можно было "строить" спороносную ножку.

Получается, что именно катенины помогают слизевику Dictyostelium discoideum сформировать многоклеточный организм из ряда амебовидных клеток. Однако давно известно, что эти белки очень древние — их аналоги имеются у многих одноклеточных организмов. Правда, нигде, кроме как у исследованного слизевика, их деятельность не стимулирует образование колоний.

Исследование образования колоний у слизевика позволяет построить эволюционную модель возникновения многоклеточности. По всей видимости, именно голод заставил одноклеточных объединяться в колонии, которым легче было накопить запасы энергии (в виде пищи, разумеется), необходимые для "дальних странствий". При этом деятельность катениноподобных белков, вызывающая поляризацию клеток, создала специализированные структуры (вроде ножки тех же самых слизевиков), которые помогали всему этому сообществу держаться вместе и не распадаться.

Такие колонии уже могли успешно конкурировать с одноклеточными организмами, поскольку контролировали большую территорию, чем одиночные организмы. Однако сначала эти образования, судя по всему, были временными (как и у вышеупомянутого Dictyostelium discoideum). И все потому, что свободного кислорода на Земле тогда было маловато — меньше одного процента от современной концентрации. При такой концентрации этого полезного газа существование многоклеточных организмов невозможно по чисто физиологическим причинам — диффузионный способ поглощения кислорода не позволяет равномерно распределять его между всеми клетками колонии.

Однако, примерно 1,5 миллиарда лет назад, благодаря деятельности фотосинтетических организмов этот рубеж, называемый точкой Пастера, оказался пройден — концентрация кислорода составила тот самый один процент от нынешнего. В результате колонии стали более-менее постоянными, а дифференцировка клеток, которая стала возможной благодаря наличию катенинов, превратила их в настоящие организмы, состоящие из тканей. С тех пор именно многоклеточные стали доминировать в экосистемах Земли (чем они, собственно говоря, и по сей день занимаются). А одноклеточным пришлось довольствоваться теми нишами, которые не привлекали многоклеточных.

Недавнее исследование американцев подтвердило один из важнейших эволюционных законов — все основные преобразования живых существ осуществляются на базе уже существующих систем, которые при изменении условий просто начинают функционировать несколько по-новому. Так и для образования многоклеточного тела организмам вовсе не нужно было изобретать что-то новое, а следовало лишь применить имеющийся арсенал средств (в виде катенинов). И, судя по тому, что мы с вами состоим из множества разнообразных клеток, тогда, два миллиарда лет назад, они сделали это весьма успешно…

Антон Евсеев