Как организмы стали большими

Команда ученых из Технологического института Джорджии проводит долговременный эксперимент, в котором исследовала способность одноклеточных организмов — дрожжей Saccharomyces cerevisia — эволюционировать в направлении прогрессирующего укрупнения многоклеточных кластеров.

Возникновение многоклеточности не кажется столь загадочным, как другая великая эволюционная тайна — появление эукариотической клетки. Известно, что многоклеточные организмы возникали независимо в разных таксономических группах, а следовательно, легче проследить и понять те условия, в которых это происходило. Переход от колониеобразования одноклеточных эукариот к многоклеточности также кажется закономерным эволюционным процессом, хотя объяснение и реконструкция условий, при которых естественный отбор начал поддерживать такой переход, остается нетривиальной задачей. И все же на пути становления многоклеточной жизни в ее современном виде лежало несколько специфических барьеров. Один из них — разрыв между условиями функционирования живого в микро- и макромасштабе.

Увеличение размера организма может повысить его защищенность от действия многих факторов среды, позволяет обзавестись контролируемой внутренней средой. Большее количество клеток формирует предпосылку для их дифференциации и функциональной специализации. Однако размер создает и проблемы: нужно искать решения по доставке и распределению питательных веществ в клеточной массе, а также по удалению отходов, поскольку простая диффузия с этим не справляется. Все это создает эволюционный стимул для становления многоклеточных организмов в том виде, в каком мы их знаем.

Ученые из Джорджии не стремились воспроизвести гипотетические условия, существовавшие на заре многоклеточности, а просто отбирали из культуры более крупные клеточные конгломераты дрожжевых клеток, то есть занимались селекцией и смотрели, что из этого выйдет. Здесь важно упомянуть, что пивные дрожжи обладают примечательными свойствами: морфологической пластичностью (в разных условиях и на разных стадиях жизненного цикла клетки могут заметно изменять свою форму) и почкующимся способом размножения, при котором дочерняя клетка обычно остается физически связана с материнской. Это позволяет S. cerevisia, в отличие от делящихся видов, формировать конгломераты двумя способами — агрегацией несвязанных происхождением клеток и сохранением физической связи между потомками единственной клетки, то есть клеточным клоном.

В эксперименте использовали необычную линию дрожжей: так называемые дрожжи-снежинки (snowflake yeast), полученные в лаборатории, где ранее работал руководитель исследования Уильям Рэтклифф. Вместе с коллегами он еще в 2012 году опубликовал статью, также посвященную эволюции многоклеточности, но эксперимент был более краткосрочным. Дрожжам понадобилось всего 60 раундов селекции, чтобы появились генетические варианты, склонные к образованию кластеров, отдаленно напоминающих снежинки. Кластеры состояли из потомков одной клетки, то есть генетический состав клеток внутри каждого был идентичен. Генетическая предрасположенность к кластеризации была устойчивой и сохранялась у потомков таких клеток после 35 пересевов без селективного отбора. Кроме того, когда исследователи сокращали время осаждения (чем меньше времени, тем больше и плотнее нужно быть кластерам, чтобы успеть осесть на дно культурального сосуда и быть отобранными для дальнейшего разведения), кластеры становились больше, позднее начинали отделять дочерние цепочки клеток, и эти дочерние отростки были крупнее. И, может быть, самое поразительное: внутри «снежинок» стали наблюдаться признаки разделения ролей между клетками. Небольшой процент клеток уходил в апоптоз, причем это коррелировало с обилием отделяемых от кластера дочерних цепочек!

В новом эксперименте, начатом в 2018 году, изучалась эволюция роста кластеров. В первом эксперименте они оставались микроскопическими, примерно из сотни клеток, и перешагнуть этот рубеж не удавалось. Озан Боздаг, докторант из группы Рэтклиффа, предложил гипотезу, согласно которой ключевым фактором для преодоления предела должны быть метаболические условия. Конкуренция за кислород между клетками внутри больших скоплений делала их формирование невыгодным, но в анаэробных условиях, или у полученных Боздагом мутантных дрожжей, не использующих кислород, или, напротив, в условиях повышенного содержания кислорода, эволюция размеров смогла бы продолжиться.

Эксперимент подтвердил верность этих предпосылок. В анаэробных популяциях размеры кластеров увеличились с 16 мкм до 434 мкм, что соответствует предполагаемому увеличению до 450 000 клеток. Отдельные кластеры достигали миллиметровых размеров спустя 600 дней направленной эволюции.

 Укрупнение дрожжевых кластеров. Credit: Georgia Institute of Technology | Пресс-релиз

Исследователи смогли наблюдать биофизические адаптации, которые происходили в макроразмерных кластерах-снежинках. Хотя характер роста и общий план строения ветвящейся структуры из дочерних клеток оставался прежним, морфология отдельных клеток стала изменяться. Они становились все более вытянутыми независимо от своего положения в скоплении. Предполагалось, что такое изменение формы должно уменьшать плотность упаковки клеток в центрах скоплений. В микроскопических кластерах так и было, но при переходе к макроскопическим размерам компьютерная модель, оценивающая связь линейного размера кластера, размера клетки и плотности упаковки, перестала соответствовать реальности — плотность упаковки начала возрастать, а размеры продолжали увеличиваться.

Применив сканирующую электронную микроскопию, исследователи увидели то, что стало наиболее интересной находкой. «Мы обнаружили, что существует совершенно новый физический механизм, который позволил группам вырасти до такого очень, очень большого размера, — говорит Боздаг. — Ветви дрожжей перепутались — скопления клеток демонстрировали поведение "виноградной лозы", обвиваясь друг вокруг друга и укрепляя всю структуру». Прочность конгломератов возросла примерно в 10 000 раз, став почти такой же, как у дерева.

Таким образом, всего за несколько тысяч поколений дрожжи освоили механизм, кардинально изменивший структуру и свойства их кластеров. Конечно, это стало возможным, потому что кластеры стали единицами дарвиновского отбора (симулированного селекцией) еще на микроскопической стадии. Кроме того, на уровне отдельных клеток тоже произошли изменения, например, увеличилась площадь контакта дочерней и материнской клеток после отпочковывания.

Как отметил профессор Рэтклифф, эта модель позволяет продолжить детальные исследования процессов, происходящих в кластерах. Известно, что грибы — группа, в которой многоклеточность возникала независимо порядка десяти раз или более, и, похоже, структура тканей многоклеточных грибов и лишайников основана именно на переплетении. Возможно, закономерности роста кластеров-снежинок релевантны реальным историческим процессам развития многоклеточных организмов в данной группе.