Биология для тех, кто ищет ответы в природе - Андрей Левонович Шляхов

В биологии есть две великих загадки – появление первой клетки и появление первого многоклеточного организма. Ни то, ни другое пока еще не удалось смоделировать в лабораторных условиях. Дальше известного вам эксперимента Миллера-Юри ученые пока еще не продвинулись. Увы, увы, увы…

К месту можно вспомнить два недавних эксперимента по эволюции многоклеточности, проведенные исследователями Миннесотского университета.

В первом эксперименте моделью служли пекарские дрожжи – одноклеточные грибы, которые размножаются почкованием. Когда материнская клетка достигает определенных размеров и определенной степени зрелости, от нее отделяется более мелкая дочерняя клетка, которая растет и дает новые «почки».

Дрожжи были выбраны для участия в эксперименте, потому что эти одноклеточные организмы способны слипаться друг с другом, образуя кластеры1 разных размеров. Исследователи отбирали для дальнейшего наблюдения самые крупные кластеры, размножая образующие их клетки. Таким образом, при помощи искусственного отбора в лабораторных условиях сформировалась группа клеток, отличающаяся гипертрофированной способностью к объединению, способностью к созданию особо крупных кластеров. Со временем эти кластеры начинали вести себя как единые организмы – происходила синхронизация жизненных циклов объединившихся клеток. Клетки синхронно росли и синхронно начинали размножаться, образуя дочерний кластер. Вот он – первый шаг на пути к многоклеточному организму.

Правда, у этого интересного эксперимента было два условных «недостатка».

Во-первых, дрожжи когда-то имели многоклеточных предков, от которых могли унаследовать способность к объединению. Дрожжи утратили многоклеточность, когда перешли к обитанию в жидких и полужидких средах, богатых питательными веществами. В таких шикарных условиях энергоемкая многоклеточность стала нецелесообразной, и дрожжи вернулись к одноклеточному существованию. Но память-то в генах осталась…

Во-вторых, в ходе эксперимента не произошло дифференциации (специализации) клеток, составляющих кластер. Все клетки оставались абсолютно идентичными, не было даже морфологического разделения на покровные и внутренние, не говоря уже о чем-то большем.

Впоследствии этот эксперимент был повторен с другой моделью – одноклеточными водорослями хламидомонада Рейнгардта, у которых никогда не было многоклеточных предков и «коллективной» генетической памяти. Искусственный отбор производился точно так же, как и в предыдущем эксперименте – для дальнейшего наблюдения отбирались клетки, образующие наиболее крупные кластеры. Через 50 поколений (в случае с водорослями это недолго) были получены кластеры с синхронными жизненными циклами клеток. Но, в отличие от дрожжей, которые делились единым кластером, водоросли для деления расходились порознь, но при этом оставались внутри общей слизистой оболочки.

Эти эксперименты подтверждают мнение о том, что одноклеточные организмы могли приходить к многоклеточности различными путями. Пожалуй, только в этом и состоит их научная ценность, ведь превращения группы одноклеточных организмов в полноценный многоклеточный организм с дифференцированными клетками достигнуто не было.

Но зато нам никто не мешает призвать на помощь воображение… Разумеется, в строго научных рамках, без какой-либо фантастики.

Прежде всего нужно дать ответ на такой вот вопрос – почему естественный отбор, который является движущей силой эволюции, вдруг переключился с отдельных одноклеточных организмов на их скопления?

Проще говоря – что должно было случиться для того, чтобы в поколениях начали закрепляться признаки (мутации), благоприятные для коллективного, а не для одиночного существования? Как и почему это произошло?

Второй вопрос касается размножения. Как и почему клетки перешли от размножения общим, «поголовным» делением (или почкованием, если угодно) к размножению посредством особо уполномоченных на то половых клеток?

Естественный отбор отбирает только выгодное. Для того, чтобы в поколениях начал закрепляться «коллективизм» – групповое существование, этот коллективизм должен стать выгодным, благоприятным для выживания.

Например – собравшись в подобие шара, одноклеточные организмы окружали себя защитной пленкой, состоящей из склеившихся друг с дружкой клеток. Такая пленка могла быть покрыта защитной слизью. Наверное, не нужно объяснять, какие преимущества дает подобное объединение.

Другой пример – собравшись в плоский «блин», одноклеточные организмы могут удерживаться на поверхности воды, где больше солнечного света и кислорода, в то время как отдельные клетки обречены «барахтаться» где-то внизу, в толще воды. Чем не выгода?

При таком положении дел преимущественно станут выживать клетки-коллективисты. Вот вам и «переключение» естественного отбора на коллективное существование.

С первым вопросом мы разобрались, можно сказать, играючи, а вот найти ответ на второй вопрос гораздо труднее.

Существует весьма интересная гипотеза, выдвинутая новозеландским биологом Полом Рейни.

Допустим, что группа одноклеточных водорослей склеилась друг с другом так, что распасться этот кластер уже не может. Кластер плавает на поверхности воды, клетки получают много света и кислорода, и все счастливы. Только вот с размножением проблема – когда одноклеточные организмы со всех боков зажаты своими собратьями, да еще и надежно склеены с ними, нет никакой возможности для массового размножения делением. Ключевые слова – «для массового», отдельные клетки могут размножаться в случае гибели кого-то из соседей для того, чтобы заполнить образовавшуюся пустоту.

Рейни предположил, что среди множества клеток, честно склеившихся в единый кластер, могут попадаться клетки-обманщики, которые поверхностного клея не вырабатывают, с соседями не склеиваются и могут в любой момент покинуть кластер для размножения. Эти клетки пользуются всеми преимуществами группового бытия, но не поддерживают целостности кластера, потому они и называются «обманщиками».

Надо уточнить, что естественный отбор не может действовать на отдельно живущую клетку на групповом уровне, то есть не может закреплять у отдельных клеток, не объединенных в кластер, признаков, которые благоприятны для групповой жизни. На отдельную клетку отбор действует на индивидуальном уровне.

Кто сможет дать потомство – «честные» клетки или «обманщики»?

Разумеется – «обманщики». Их интенсивное размножение приведет к росту числа клеток, не образующих поверхностного клея и, в результате, очень скоро кластеров не станет. Надо как-то бороться с «обманщиками», а лучше всего – возложить на них почетную функцию продолжения рода. Пусть они покидают свои родные кластеры для того, чтобы создавать новые.

Но для размножения клеточных колоний посредством клеток-обманщиков нужны два условия. Первое – «обманщиков» в кластерах должно быть немного, иначе кластеры разрушатся. Второе – создание новых кластеров возможно лишь в том случае, если «обманщики» будут часто мутировать обратно – в «честные» клетки, производящие клей (такое, представьте, возможно).

Вполне себе логичная гипотеза Рейни начинает «буксовать» на стадии дифференцировки клеток, разделения их по тканям и органам. Невозможно представить (даже с помощью компьютера), сколько должно произойти случайных мутаций для того, чтобы создать структурно упорядоченный и слаженно функционирующий многоклеточный организм.

Если вы раз за разом станете выплескивать на чистый лист бумаги чернила из пузырька, то какова будет вероятность получения подобным образом стихотворения Михаила Юрьевича Лермонтова «Белеет парус одинокий»?

Ой!

Вот примерно то же можно сказать и про мутации, приводящие