Ученые исследовали инфузорий-трубачей, чтобы понять, как могла возникнуть многоклеточность. Оказалось, что при объединении в колонии эти организмы усиливают завихрения воды вокруг себя, что позволяет им эффективнее захватывать пищу. При этом более слабые особи получают больше выгоды от сотрудничества, а при нехватке ресурсов колонии легко распадаются. Работа показывает, что временные объединения клеток могли быть первым шагом к постоянной многоклеточности. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Существуют несколько версий того, как одноклеточные организмы превратились в многоклеточные. Одна из них — теория гастреи, предложенная Эрнстом Геккелем. Согласно ей, многоклеточные организмы произошли от сферических колоний одноклеточных, которые благодаря впячиванию внутрь образовали несколько слоев. Благодаря тому, что такие клетки разделили роли между собой, они дифференцироваться в разные ткани и сформировать более сложные структуры. Другая теория — теория фагоцителлы, предложенная Ильей Мечниковым. Она предполагает, что многоклеточность возникла из колоний клеток, способных к поглощению твердых частиц пищи. При этом у гипотетической колонии-фагоцителлы внутренний слой простейших отвечал за захват пищи, а внешний — за передвижение. Однако эти теории имеют недостатки, поскольку не могут полностью объяснить, как клетки объединились в единый организм.
Исследователи изучили механизм взаимодействия клеток на примере одноклеточных инфузорий-трубачей (Stentor). Трубачи обычно прикрепляются к поверхности и с помощью ресничек создают водовороты, чтобы поймать пищу. Когда несколько организмов помещали в чашку с водой, они образовывали колонии, в которых клетки соприкасались только «ножками». Исследователи измерили потоки жидкости вокруг клеток и обнаружили, что в колонии трубачи могут в два раза ускорять потоки воды вокруг себя по сравнению с клетками-одиночками. Это дает возможность захватывать больше пищи, включая быстро плавающих бактерий.
Чтобы проанализировать поведение клеток в колонии, ученые применили математическое моделирование гидродинамики. Модели показали, что клетки постоянно меняют соседей, увеличивая энергетическую выгоду. Такое поведение позволяет всей колонии добывать больше еды. При достаточном количестве пищи трубачи оставались в колонии, а при ее недостатке отделялись. При этом слабым особям объединение выгоднее, чем сильным.
«В колонии, даже если кажется, что особь отдаляется от одного соседа, на самом деле она приближается к другому. Это имеет смысл с точки зрения эволюции, поскольку ожидается, что особи будут стремиться к наиболее высокой энергетической выгоде, общаясь с соседом, который приносит им наибольшую пользу», — рассказали Джон Костелло из Колледжа Провиденс и Шон Колин из Университета Роджера Уильямса.
Таким образом, ранние этапы кооперации клеток могут быть предшественником многоклеточности. В отличие от других моделей эволюции многоклеточной жизни, колонии трубачей состоят из генетически разных клеток, а не клонов или родственников. При этом они формируются на время и способны разъединиться снова. Это делает их уникальной моделью для изучения ранних этапов эволюции жизни.
Автор: Оксана Гриценко
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
