Зелені водорості заради власного порятунку всього за півроку навчилися жити разом.
Одна з найбільших загадок в історії життя на Землі - це поява багатоклітинних організмів. З одного боку, можна уявити, як все відбувалося: якийсь одноклітинний організм ділився з утворенням двох дочірніх клітин, а потім виявилося, що дочірні клітини не розбігаються в сторони, а залишаються разом - так через кілька поколінь утворюється колонія з генетично ідентичних клітин. Але щоб так сталося, клітинам повинно бути вигідніше залишатися разом, ніж бути поодинці. Повинен бути якийсь фактор, через який одиночні клітини погано розмножуються і швидко гинуть, а колонії із заявкою на багатоклітинність, навпаки, процвітають.
Все це, можливо, легко придумати, але важко перевірити. Тим не менш, співробітникам Констанцкого університету разом з колегами з Інституту еволюційної біології Товариства Макса Планка вдалося експериментально показати, що такий варіант розвитку подій цілком можливий. Більш того, за еволюційними мірками, як ми звикли їх собі уявляти, тут потрібно зовсім небагато часу.
Дослідники ставили досліди з одноклітинною Chlamydomonas reinhardtii, зеленою водоростю з порядку Хламідомонадових. Серед них є як одноклітинні форми, так і багатоклітинні. Втім, по-справжньому багатоклітинними їх назвати не можна - ті хламідомонадові, що здаються багатоклітинними, живуть колоніями або скупченнями, які називаються цінобіями: вони не утворюють єдину систему, у них немає міжклітинних зв'язків і тим більше диференціювання клітин за функціями. Тим не менш, все ж їх щось змусило перейти до колективного життя, і Chlamydomonas reinhardtii для експериментів вибрали тому, що у неї є такі «багатоклітинні» родичі і її напевно можна якось схилити до такого ж способу життя.
Хламідомонади вирощували в лабораторії разом з коловратками - крихітними тваринами, які харчувалися водоростями. Одноклітинні водорості нічого протиставити коловраткам не могли. Зате ті хламідомонади, які після розмноження не розбігалися і залишалися у вигляді багатоклітинної колонії, могли вже не турбуватися - в горлянку коловраткам вони просто не пролазили.
Відповідно, коловратки виявилися тим фактором, який схиляв водорості до багатоклітинності: з кожним поколінням у них з'являлися мутації, через які хламідомонади після поділу залишалися злипшимися разом. Якщо коловраток навколо водоростей не було, то колонії серед них з'являлися не дуже часто, і ніякої переваги перед одноклітинними водоростями у них не було. З коловратками ж водорості все частіше і частіше начинили утворювати колонії - просто тому, що у тих, хто це вміє, було більше шансів вижити.
На те, щоб навчитися багатоклітинності, водоростям знадобилося всього 500 поколінь і півроку часу. Причому еволюція в даному випадку йшла по одному шляху: у різних ліній хламідомонад, які жили окремо один від одного, виникали приблизно одні й ті ж «колоніальні» мутації. Повторимо, що це поки ще не справжня багатоклітинність: у хламідомонад в колонії немає поділу праці і зв'язки між ними досить слабкі. Але якщо спільне життя як і раніше буде для них вигідне, вони почнуть його покращувати - і тепер вже в різних колоніях почнуть з'являтися мутації, які допомагають клітинам спеціалізуватися і тим самим краще виживати. Результати досліджень опубліковані в Nature Communications.
Можна уявити й інший спосіб формування багатоклітинного організму: наприклад, коли колонію утворюють сторонні клітини, які зібралися разом за певних умов середовища. Так роблять, наприклад, знамениті амебоподібні слизовики Dictyostelium discoideum, що живуть у ґрунті і живляться ґрунтовними бактеріями. Коли їжі багато, слизовики живуть порізно, але коли її стає мало, сповзаються разом, стаючи схожими на невеликого слимака (звідки і назва).
У такому вигляді колонія починає рухатися до тепла і світла, і, знайшовши відповідне місце, формує плодове тіло. При цьому частина клітин перетворюються на стебелек, підпірку, на вершині якого решта клітин формують суперечки - вітер перенесе їх туди, де умови життя можуть бути кращими. Тобто ті, кому пощастило потрапити в суперечки, виживають за рахунок тих, які утворили ніжку плодового тіла.
Але тут виникають труднощі, пов'язані з тим, що складну диференційовану колонію утворюють клітини, які генетично більш-менш різнорідні, це не нащадки одного спільного предка. А різні гени з біологічної точки зору означають різні інтереси, і тому в колонії можуть з'явитися справжні шахраї, які намагаються забезпечити собі потомство за рахунок інших.