Почему нет многоклеточных доядерных?
Человек, как и любое другое ядерное существо, содержит свою ДНК в ядре. И хотя каждая наша клетка содержит один и тот же геном (набор генов), они выражают свою ДНК по-разному, давая начало разным клеткам и тканям, выполняющим различную работу, как, например, клетки кожи, печени и иммунной системы. По сравнению с доядерными одноклеточными бактериями и археями, у которых ядра нет, мы более развиты. Так почему доядерные, имея преимущество перед ядерными в 1.5 миллиарда лет, так и не развили другой многоклеточный способ существования? Тогда как ядерные встречаются как одноклеточные, так и многоклеточные. Многоклеточностью зеленые водоросли, например, обязаны вирусам.
Некоторые бактерии смогли развить примитивные формы многоклеточности, такие как колонии фотосинтезирующих цианобактерий или гигантская бактерия Thiomargarita magnifica. Но на этом они остановились, так и не став единым организмом. Естественно, ученых волнует, почему так. Единой гипотезы нет, ученые выдвигают разные точки зрения. Возможно, это из-за того, что ядерные умеют строить внутренние мембраны, что облегчает достижение многоклеточности. А может, из-за того, что мы имеем целый завод по производству энергии (АТФ) внутри наших клеток — митоходрии. Или же может быть, способность ядерных размножаться половым путем и регулярно смешивать свое генетическое разнообразие помогла нам преодолеть это препятствие — одноклеточность. Последняя из недавно выдвинутых теорий была получена путем вычислений на компуктере. Исследователи предположили, что геномы ядерных и доядерных по-разному реагируют на размер популяции, и это может повысить или понизить шансы для развития многоклеточности.
Эти ученые уже 15 лет пытаются заставить одноклеточных ядерных развивать многоклеточность в лаборатории. Два года назад они начали выращивать дрожжи (грибы), раскручивать их в центрифуге, а затем собирать самые тяжелые особи, из которых начали новую культуру. Вскоре этот отбор способствовал появлению мутации, которая не позволяла клеткам разделяться, что привело к тому, что вся популяция состояла из особей с такой мутацией. Но неизбежным побочным эффектом развития многоклеточности является сокращение численности популяции, поэтому и популяция этих дрожжей упала в численности. Теперь эти дрожжи создают ветвящиеся строения тел, настолько огромные, что их видно невооруженным глазом. Ученые изучают условия, в которых возникла эта зачаточная многоклеточность, чтобы понять, что они накрутили в центрифуге.
Ученые предположили, что в основе развития многоклеточности лежит генетический дрейф. Это когда гены дрейфуют в популяции, как «говно в проруби», а, по-научному, это механизм эволюции, при котором частота определенных генов в популяции меняется в течение нескольких поколений под влиянием случайных событий. Эволюция — это не только естественный отбор; генетический дрейф также играет большую роль, особенно в небольших популяциях. В больших же популяциях влияние генетического дрейфа минимально, поскольку гены в каждом поколении перемешиваются случайным образом. Но в небольших группах случайность может привести к тому, что определенные черты станут широко распространенными, даже если они не дают преимуществ в выживании. Геномы доядерных и ядерных по-разному реагируют на сильный генетический дрейф. В небольшой популяции геномы ядерных имеют тенденцию разрастаться, дублируя гены и добавляя все больше ДНК в геном. Геномы же доядерных имеют тенденцию к уменьшению размера в условиях генетического дрейфа.
Ученые до сих пор не знают, почему так происходит. Возможно потому, что регуляция генов у доядерных гораздо менее сложная: все их гены воспроизводятся. Удаление кусков генома — это, возможно, защита от случайных последствий дрейфа.
А как это влияет на многоклеточность? Возможно, доядерные избавляются от ДНК, а не накапливают ее, поэтому не могут накопить достаточно генов для развития многоклеточности. По сути, эволюция многоклеточности может сжать то, что раньше было множеством организмов, в меньшую популяцию; клеток может быть много, но все они — один и тот же организм. В условиях такого популяционного давления доядерные и ядерные могут реагировать по-разному: первые создают препятствия для эволюции многоклеточности, а вторые — ускоряют ее.
Фото 2 — Arthrospira, род цианобактерий, который развил примитивную форму многоклеточности. Многие клетки растут рядом друг с другом в свернутых колониях, но им так и не удалось специализироваться в различные типы клеток или тканей.
Фото 3 — За 2 года одноклеточные дрожжи эволюционировали в многоклеточные «дрожжи-снежинки» с замысловатыми формами и новыми физическими свойствами
Видео 4 — На интервальном видео видно, как дрожжи-снежинки вырастают из одноклеточных дрожжей.
Источник:
Greenwood Veronique, The Mystery of the Missing Multicellular Prokaryotes, 02.05.24, Quantamagazine
#Микробиология@inbioreactor
#Заметка@inbioreactor
Текст: #Дикарева@inbioreactor
Редактура: #Самсонова@inbioreactor 0:08