Еволюція наживо

 

Уперше науковці змогли наживо спостерігати, як розвивається багатоклітинне життя. На одноклітинні зелені водорості Chlamydomonas reinhardtii науковці здійснили тиск відбору – піддавши їх загрозі з боку хижаків. У результаті через 500 поколінь у водоростей розвинулися мутації, які відкрили шлях до багатоклітинності. Адже багатоклітинні колонії мають кращі шанси на виживання та розмноження, ніж одноклітинні варіанти.

 

 

Як розвиваються багатоклітинні організми? Згідно з поширеною теорією, одноклітинні спочатку збираються в колонії, щоб підвищити свої шанси на виживання – як бактерії в біоплівці. Потім внаслідок генетичного розвитку підвищується і рівень репродукції. Спеціалізація в клітинах організму та статевих клітинах може наставати тільки потім.

 

«Але цю теорію ніколи не перевіряли, а перехід на екологічному та генетичному рівнях, як і раніше, залишався мало зрозумілим», – розповіла команда вчених на чолі з Йоаною Бернардес (Joana Bernardes) з Інституту еволюційної біології імені Макса Планка в Плені. Науковці перевірили цю теорію експериментально на одноклітинних зелених водоростях Chlamydomonas reinhardtii, в результаті чого й підтвердили її.

 

Chlamydomonas reinhardtii зазвичай не утворюють колоній, а зустрічаються у формі поодиноких джгутикових клітин. Але ці водорості належать до більшої групи зелених водоростей, в якій присутні різні рівні – аж до багатоклітинних структур, яким властивий поділ на функції: від звичайних колоній до складних утворень з диференціацією між «нормальними» та статевими клітинами. Оскільки хламідомонади подібні на одноклітинного предка цих вже багатоклітинних колоній, науковці вибрали цей вид для дослідження.

 

Для експерименту Бернардес та її колеги використали 10 різних одноклітинних ліній клітин, яких залишили рости в певному середовищі впродовж шести місяців. «Одна обставина, за якої знову й знову спостерігали еволюцію на рівні клітинної групи, – це реакція на хижаків», – пояснила вчена. З метою створити такий селективний тиск, деякі культури вчені помістили в середовище з хижаком – багатоклітинною коловерткою.

 

Без хижаків перевагу мають одноклітинні водорості: при поділі та фотосинтезі їх не обмежують сусідні клітини. Але перед хижаками вони виявилися зовсім беззахисні. Згідно з теорією, присутність хижака мала б призвести до розвитку мутацій, що надають змогу утворювати колонії.

 

І справді: «Ми з’ясували, що під впливом хижака водорості ставали cелективними, швидше створювали клітинні групи, – повідомили вчені. – Водночас проявилися зменшення рівня росту та посилений рівень оборони проти хижака». В результаті в середовищі з хижаком утворилося значно більше колоній, в яких значна частина клітин хламідомонад була оточена драглистою оболонкою.

 

«Поділ на колонії, що виживають, і ті, що швидко розмножуються, цілком відповідає теорії, яку ми перевіряли», – сказав колега Бернардес Луц Букс (Lutz Becks). Хоч у клітинних комунах водорості розмножувалися менше, ніж одноклітинні варіанти, але це компенсовувалося загальним рівнем виживання.

 

Порівняння геному засвідчило: еволюція поширилася не тільки на спосіб життя окремих поколінь, а й на ознаки, що спадкувалися: «Ми очікували, що утворення колоній можна досягнути різними механізмами і що ми знайдемо різні мутації», – сказав Бекс. Так і виявилося: між одноклітинними та здатними до утворення колоній культурами хламідомонад існують генетичні відмінності: 64 гени продемонстрували меншу активність в групах, а 110 інших генів були активніші. За даними вчених, ці зміни генетичної активності, що повторюються в різних культурах, доводять: ззовні помітна зміна переходить у спадок іншим поколінням.

 

Результати доводять не лише основну теорію, а й той факт, що еволюційний поступ від одно- до багатоклітинності може відбуватися дуже швидко – у випадку Chladomonas reinhardtii генетичні зміни схильності до утворення колоній відбулися всього впродовж близько 500 поколінь.

 

 

 

Elena Bernard
Evolution in Echtzeit
Universität Konstanz 19/07/2021, Nature Communications, 2021,
doi: 10.1038/s41467-021-24503-z
Зреферувала С.К.
Зображення: Universität Konstanz

 

 

22.07.2021