Согласно распространенной теории, одноклеточные сначала собираются в колонии, чтобы повысить свои шансы на выживание – как бактерии в биопленке. Затем вследствие генетического развития повышается и уровень репродукции. Специализация в клетках организма и половых клетках может наступать только потом.
«Но эту теорию никогда не проверяли, а переход на экологическом и генетическом уровнях, как и раньше, оставался мало понятным», – рассказала команда ученых во главе с Джоаной Бернардес (Joana Bernardes) из Института биологии имени Макса Планка в Плене. Ученые проверили теорию экспериментально на зеленых водорослях Chlamydomonas reinhardtii, в результате чего и подтвердили ее.
Chlamydomonas reinhardtii не образуют колонии, а встречаются в форме единичных жгутиковых клеток. Но они принадлежат к большой группе, в которой присутствуют разные уровни, вплоть до многоклеточных структур, которым свойственно разделение на функции. От обычных колоний до сложных, с дифференциацией между «нормальными» и половыми клетками. Поскольку хламидомонады похожи на одноклеточных предков многоклеточных колоний, ученые выбрали этот вид для исследования.
Для эксперимента Бернардес и ее коллеги использовали 10 различных одноклеточных линий, которые оставили расти в определенной среде в течение шести месяцев. «Одно обстоятельство, по которому снова и снова наблюдали эволюцию на уровне клеточной группы, – это реакция на хищников», – пояснила ученая. С целью создать такое селективное давление, некоторые культуры поместили в среду с многоклеточной коловраткой.
Без хищников преимущество имеют одноклеточные водоросли: при разделении и фотосинтезе их не ограничивают соседние клетки. Но перед хищниками они оказались совершенно беззащитными. Согласно теории, присутствие хищника должно было бы привести к развитию мутаций, которые предоставляют возможность образовывать колонии.
И действительно: «Мы выяснили, что под влиянием хищника водоросли становились селективными, быстрее создавали группы, – сообщили ученые. – В то же время проявилось уменьшение роста и усиленный уровень обороны против хищника». В результате в среде с хищником образовалось больше колоний, в которых значительная часть клеток хламидомонад была окружена студенистой оболочкой. Хотя в клеточных коммунах водоросли размножались меньше, чем одноклеточные, это компенсировалось общим уровнем выживания.
Сравнение генома показало: эволюция распространилась не только на образ жизни отдельных поколений, но и на признаки. Между одноклеточными и способными к образованию колоний культурами хламидомонад существуют генетические различия: 64 гена продемонстрировали меньшую активность в группах, а 110 других гена были более активными. По данным ученых, эти изменения, которые повторяются в разных культурах, доказывают: внешне заметное изменение переходит по наследству другим поколениям.
Результаты доказывают не только основную теорию, но и тот факт, что эволюционный прогресс от одно – до многоклеточности может происходить очень быстро – в случае Chladomonas reinhardtii изменения склонности к образованию колоний произошли всего на протяжении около 500 поколений. В итоге у водорослей развились мутации, которые открыли путь к многоклеточности. Ведь такие колонии имеют лучшие шансы на выживание и размножение.
Рекомендуем к прочтению – эффект матильды (учеными могут быть только мужчины).
