Вы только представьте: жила-была одна грибная клеточка – а спустя сотни миллионов лет у нас есть лисички, мухоморы и гигантские психопатические опята! Если грибы не так впечатляют, то представьте одноклеточную хоанозою, однажды превратившуюся в многоклеточную – считай, животное. А эволюция доделала и ткани, и органы, и части тел – и вот по Земле уже бегают-плавают-ползают-летают столь разнообразные существа, как лисички, кальмары, аскариды и гигантские мерцающие пчелы! Все разного размера, от миксозои до кита, с разными внутренностями и причиндалами – как всего одна клетулечка могла породить это многодивное многоклеточное многообразие? «Относительно легко», уверяет Уильям Рэтклифф, эволюционный биолог из Технологического института Джорджии (США). В его лаборатории одиночные дрожжульки развились в слипшиеся дрожжопки всего за пару лет.
В 2010 году Рэтклифф начал выращивать пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) в пробирках с жидкостью, ежедневно трясти их и отбирать клетки, оседающие быстрее всех из-за слипания, и высаживать слипантов-оседантов в новые пробирки. Уже через два месяца такого отбора деление дрожжей перестало приводить к нормальному разделению дочерних клеток – они продолжали крепиться друг к дружке из-за мутации в гене ACE2. В результате стали формироваться ветвящиеся дрожжевые «снежинки», состоящие из десятков клеток. Дрожжинка – чем не многоклеточный грибок?
Одна снежинка – еще не снег, еще не снег. Одна дрожжинка – еще не дрожжь.
Но вскоре их эволюция застопорилась. Дрожжинки больше не становились крупнее и сложнее – талломы ограничивались несколькими сотнями клеток. Их главной бедой была хрупкость в силу ветвистости: все веточки представляли собой цепочки из клеток, подверженные случайному разрыву в любом месте, что лишало структуру значительных кусков со всеми наработками после мест разрыва. «Сила группы, какой бы крупной она ни была, есть сила единственного межклеточного соединения, – смиренно констатирует Рэтклифф. – Взглянешь на них не так, и они ломаются…»
Проблему решил Гёненсин Озан Боздаг – и это не персонаж фэнтези, а член научной группы Рэдклиффа. Он просто перекрыл дрожжинкам кислород, а точнее, навязал им мутацию, которая лишила их возможности его использовать. Вообще-то считается, что кислород полезен для многоклеточности, однако Боздаг подумал, что раз организмы помельче используют газ более эффективно, то дефицит оного мог бы дать преимущество тем, кто покрупнее. В 2018 году Озан начал проверять свою гипотезу в новом эксперименте с тряской пробирок и отбором слипантов-оседантов. Месяцами дрожжинки оставались микроскопическими, но спустя примерно год Гёненсин увидел их невооруженным глазом! За шестьсот дней эволюции они увеличились в 20 тысяч раз – до полумиллиона клеток каждая. Самая крупная из них была миллиметровой дрожжью – размером с дрозофилу.
Как же эти «дрожжофилы» преодолели хрупкость и пробили размерный потолок? «Мы открыли совершенно новый физический механизм, позволивший группам клеток вырасти до этих больших-пребольших размеров», – утверждает Боздаг. Помимо того что дрожжи удлинили свои клетки и укрепили межклеточные связи, их цепочки-веточки стали плотно путаться друг с другом, словно лианы! «Спутывание прежде изучалось в совершенно иных системах, по большей части в полимерах, – говорит физик Петер Юнкер, один из соавторов работы. – Но здесь мы наблюдаем совсем другой механизм спутывания – посредством роста клеток, а не движения». Если обычные дрожжинки были примерно в сто раз хрупче желатина, то эти новые путаные структуры обладали прочностью дерева! Из того, что Рэтклифф называет «тупыми комками клеток», дрожжи эволюционировали в то, что резонно провозгласить «телом».
Исследование показывает, что истинным вызовом для многоклеточности является не просто сохранение связей между клетками, а сохранение связей очень прочных. Одного обладания телом недостаточно, лишь тело неразлагающееся может эволюционировать дальше, развивать специализированные ткани и органы. Именно это и увидели ученые. Если в микроскопической дрожжинке все клетки вели себя более-менее одинаково, то макроскопическом талломе клетки дифференцировались по трем ролям: одни обеспечивали быстрый рост, другие – дюжую прочность, третьи – репродуктивный отрыв. Самопожертвенная гибель последних позволяла грибу отделять от себя маленькие фрагменты, которые становились основой для новых талломов. Дрожжи даже научились продвигать жидкость по телу, чтобы доставлять питательные вещества к клеткам, оказавшимся глубоко внутри, а также избавляться от отходов жизнедеятельности. Зачаточная циркуляция, вегетативное размножение, разделение труда – все это эмерджентные качества, возникшие у дрожжей лишь после становления крепким многоклеточным фунгусом.
Размножение многоклеточных дрожжей. Видео: Ratcliff Lab, Georgia Tech.
В истории жизни многоклеточность независимо возникала не меньше 25 раз в разных ветвях эукариотического древа. У грибов все могло происходить так, как в опытах научной группы Рэтклиффа. У животных и растений, вероятно, как-то иначе, поскольку у них были другие одноклеточные предки. Но, несмотря на эти различия, «каждая история многоклеточности будет вариантом одного и того же базового процесса», уверен Рэтклифф. Одиночные клетки объединяются в группы, которые укрепляются, затем укрупняются и усложняются. До какой степени укрупнятся и усложнятся дрожжевые талломы (и сколько на это понадобится времени), покажут дальнейшие наблюдения, запланированные учеными на десятилетия, «пока не станем слишком старыми, чтобы продолжать». Если грибу удалось всего за год-другой достичь крепкотелой многоклеточности, то вполне возможно, что они еще застанут, как «дрожжофилы» эволюционируют в «дрожжьминогов» или «дрожжирафов», а то и в «дрожжо сапиенсов», которые перехватят инициативу и сами начнут ставить опыты по развитию человечества.
Текст: Виктор Ковылин. Научная статья: Nature (Bozdag et al., 2023)
Вас также могут заинтересовать статьи:
Морская бактерия продемонстрировала многоклеточность со сложным жизненным циклом
Для лишайника четвертый не лишний?
Запутанная жизнь: секреты микоризной сети
Комментарии: