25 мая 2023
То, что началось в 2018 году как отдельная клетка, невидимая для человеческого глаза, теперь превратилось в многоклеточного зверя размером с блоху. Продолжающееся исследование пивных дрожжей (Saccharomyce s cerevisiae), мутировавших так, что они остаются прикрепленными к кластерам, как дрожжи-снежинки, показывает, что может произойти с микроскопическими одноклеточными организмами после тысяч поколений тщательного отбора. Исследование было опубликовано в Nature.
Когда исследователи из Технологического института Джорджии отбирали самые большие и быстрорастущие кластеры дрожжей из пяти популяций, поколение за поколением, они культивировали организм, содержащий более полумиллиона клональных клеток, что в 20 000 раз больше, чем у его предка.
Полученные данные являются непревзойденным примером устойчивой многоклеточной эволюции.
«Положив палец на шкалу эволюции одноклеточных организмов, мы можем понять, как они эволюционировали во все более сложные и интегрированные многоклеточные организмы, и можем изучать этот процесс на этом пути», — объясняет биолог-эволюционист Уильям Рэтклифф из Технологического института Джорджии.
Сегодняшние данные свидетельствуют о том, что жизнь на Земле началась с одноклеточных организмов примерно 3,5 миллиарда лет назад.
Тем не менее, мало что известно о том, как изолированные клетки, которые выглядели и вели себя одинаково, эволюционировали в многоклеточные формы жизни со специализированными тканями, способными координировать деятельность, примерно два-три миллиарда лет назад.
Эксперименты на снежных дрожжах теперь помогают экспертам пересказать эту историю.
Исследование называется «Эксперимент долгосрочной эволюции многоклеточности» (MuLTEE), и исследователи надеются провести его в течение десятилетий. Первые важные открытия были сделаны после 3000 поколений эволюции.
Исследователи говорят, что отдельные популяции дрожжей уже превратились из веществ, «более слабых, чем желатин», в вещества, «с силой и твердостью древесины».
«Мы обнаружили, что существует совершенно новый физический механизм, который позволяет группам расти до очень и очень больших размеров», — объясняет биолог-эволюционист Озан Боздаг.
Во-первых, дрожжевые клетки в экспериментах развили более крупные ветви, что уменьшило общую плотность организма.
Затем ветки переплелись друг с другом, образовав гроздь, по консистенции напоминающую современные гели.
В конечном итоге эта новая структура сделала организм в 10 000 раз прочнее, чем его одноклеточный предок. Уже не такая снежинка.
«Ветви дрожжей переплелись, — объясняет Боздаг, — кластерные клетки приобрели поведение, подобное виноградной лозе, обвивая друг друга и укрепляя всю структуру».
Другой важный вывод экспериментов касался роли кислорода в установлении пределов эволюционного прогресса.
В молодости Земли кислород был в дефиците. Только когда особый тип бактерий «вдохнул жизнь» в атмосферу несколько миллиардов лет назад, многоклеточные формы жизни, как считается, действительно начали развиваться.
Эволюция снежных дрожжей в лаборатории подтверждает идею о том, что кислород был серьезным ограничением для первых многоклеточных форм жизни на Земле. В экспериментах только популяции дрожжей, которые не полагались на кислород для производства энергии, были способны эволюционировать до таких больших размеров.
С другой стороны, кластеры дрожжей, которым требовался кислород, были вынуждены распределять его между всеми своими клетками, что создавало дополнительные затраты для роста.
Эти результаты, по словам ученых, подчеркивают «критическую роль уровня кислорода в эволюции многоклеточных размеров».
«Я очень рад, что у меня есть модельная система, в которой мы можем развивать раннюю многоклеточную жизнь на протяжении тысяч поколений, используя потрясающую мощь современной науки», — говорит Рэтклифф. «В принципе, мы можем понять все, что происходит, от эволюционной клеточной биологии до биофизических признаков, которые непосредственно подвергаются отбору».
Будет интересно посмотреть, что произойдет с этими дрожжами в ближайшие годы.
