Ученые впервые создали многоклеточное существо из одноклеточного организма двумя разными методами.

Новости МирТесен

Исследователи установили, что хоанофлагелляты, ближайшие одноклеточные предки животных, обладают двумя способами перехода к многоклеточности: посредством деления клеток и путём объединения большого количества особей в единую структуру. До этого момента предполагалось, что эти организмы способны исключительно к клонированию, однако выяснилось, что при воздействии стрессовых факторов они начинают активно слипаться. Данное открытие пересматривает существующие представления о возникновении сложной жизни на нашей планете.

Происхождение многоклеточных организмов представляет собой одну из ключевых неразрешенных задач в биологии. Долгое время исследователи выделяли два основных сценария формирования многоклеточности: либо клетка разделяется, и ее потомки сохраняют связь друг с другом (клональный путь), либо отдельные клетки объединяются, оставаясь независимыми (агрегативный путь). Развитие животных, в том числе и человека, происходит по первому сценарию – из единой оплодотворенной яйцеклетки. При этом полагалось, что их ближайшие одноклеточные родственники, хоанофлагелляты, также придерживаются исключительно этого подхода.

Хоанофлагелляты — крошечные водные организмы, которые питаются бактериями. Они обладают жгутиком для передвижения и воротничком, состоящим из ворсинок, предназначенным для захвата пищи. Эти создания генетически наиболее близки к животным. Исследуя их, ученые стремятся выяснить, каким образом природа совершила переход к многоклеточным организмам.

Ранее науке были известны только клональные формы поведения этих организмов. К примеру, данный Salpingoeca rosetta всегда формирует колонии путем деления. Ранее биологи были уверены, что два способа объединения клеток взаимоисключают друг друга. Однако открытие нового вида хоанофлагеллят заставило ученых лично проверить, как именно эти микроорганизмы ведут себя в дикой природе.

Для изучения процессов, лежащих в основе многоклеточности, группа ученых прибыла на остров Кюрасао, расположенный в Карибском море. В национальном парке Шете-Бока они исследовали около полусотни прибрежных луж, подвергающихся регулярному пересыханию под воздействием солнечных лучей и заполнению соленой водой. В этих водоемах обитает вид хоанофлагеллят Choanoeca flexa.

В ходе исследования ученые выявили неожиданную адаптивность в поведении этих микроорганизмов. Результаты опубликовали в журнале Nature.

В лаборатории колонию разделили на отдельные клетки и начали наблюдение за ними с помощью микроскопа. Стало известно, что одиночные клетки не только делились, но и оперативно обнаруживали друг друга, соединяясь в новые структуры. Этот процесс объединения происходил за считанные минуты, а к концу суток бесформенные скопления клеток трансформировались в упорядоченные слои, которые не отличались от тех, что сформировались естественным образом.

Исследования продемонстрировали, что выбор стратегии поведения определяется условиями среды обитания. В прибрежных лужах соленость воды непрерывно меняется из-за испарения. Ученые установили, что при обычной солености C. flexa может использовать оба метода. Но когда вода высыхала и уровень соли превышал 73 промилле, многоклеточные листы распадались на отдельные клетки-цисты. Они покрывались защитной оболочкой и впадали в спячку, чтобы пережить засуху.

После добавления воды цисты активировались и возобновляли рост колонии. В процессе они использовали комплексную стратегию, сочетающую деление клеток и их слияние с соседними.

Влияла на ситуацию и плотность населения в луже. При небольшой концентрации живых организмов (около 100 клеток на миллилитр) наблюдалось активное деление. Однако, когда плотность возрастала до 100 000 клеток на миллилитр, хоанофлагелляты начинали формировать агрегаты. Исследователи также выяснили, что различные штаммы организмов способны различать сородичей: в ходе экспериментов клетки демонстрировали склонность к объединению с родственниками, избегая взаимодействия с другими организмами.

Такая двойная стратегия дает C. flexa эволюционное преимущество. Клональный рост надежен, но медленен, тогда как агрегация позволяет мгновенно собрать крупный организм, который эффективнее охотится на бактерии. В условиях, где лужа может высохнуть за несколько дней, скорость восстановления критически важна для выживания вида.

Согласно результатам исследования, разграничение между двумя траекториями жизненного цикла оказалось менее чётким, чем предполагалось. Самые близкие виды к животным обладают возможностью выбора между клонированием и половым размножением, исходя из окружающей среды.

Следующий этап заключается в определении, обладают ли этой способностью и другие виды, и в выяснении, практиковали ли древние предки животных групповое поведение до того, как произошел процесс разделения одной клетки.