Как возникли многоклеточные организмы?

Возникновение многоклеточных организмов

После появления первых эукариот — клеток с ядром — жизнь на Земле оставалась одноклеточной почти 1 миллиард лет. Каждая клетка существовала сама по себе: сама добывала пищу, сама защищалась и сама размножалась. Но примерно 1–1,2 миллиарда лет назад некоторые эукариоты начали объединяться в группы — колонии. Оказалось, что жить вместе выгоднее. Это произошло благодаря случайным мутациям. После деления дочерние клетки переставали полностью отделяться друг от друга и оставались соединёнными специальными белками или общей наружной оболочкой.

Между клетками в колонии возникали специальные молекулярные контакты. Клетки выделяли на своей поверхности особые белки, которые действовали как «клей», соединяя их с соседями. Кроме того, у многих колоний появлялась общая наружная оболочка из полисахаридов, которая скрепляла колонию в единое целое и создавала чёткую границу между внутренней средой и внешним миром.

Важно понять разницу между колонией и настоящим многоклеточным организмом. В колонии клетки сохраняют самостоятельность. Если колонию разрушить, каждая клетка выживет и продолжит размножаться сама по себе. Пример — зелёная водоросль вольвокс, которая представляет собой шар из тысяч клеток с жгутиками. Каждая клетка вольвокс сама питается, дышит и может размножаться.

Жизнь в колонии давала серьёзные преимущества. Большую группу клеток было труднее съесть хищнику. Соединённые клетки лучше двигались, дольше удерживались в освещённых слоях воды и могли обмениваться полезными веществами. Поэтому колонии выживали чаще, чем одиночные клетки.

Первые различия между клетками

Представим колонию примерно из 1000 клеток. Все клетки имеют одинаковую ДНК и умеют делать три вещи:

• — питаться;
• — двигаться;
• — размножаться.

Пока никакой специализации ещё нет. Однако положение клетки уже влияет на её жизнь. Клетки на поверхности чаще используют жгутики, потому что именно они двигают всю колонию и защищают её. Клетки внутри колонии получают больше питательных веществ и находятся в более защищённых условиях. Пока это не разные клетки. Просто одни чаще используют одни гены, а другие — другие. Все гены остаются активными.

Общая оболочка

Со временем появились мутации, благодаря которым наружные клетки начали прочнее соединяться между собой. Так возникла плотная внешняя оболочка колонии. Она защищала внутренние клетки и удерживала между клетками общую межклеточную жидкость. Теперь клетки начали обмениваться питательными веществами значительно эффективнее. Внутренние клетки добывали и переваривали больше пищи и часть питательных веществ выделяли в межклеточную жидкость. Наружные клетки могли получать питание уже не только самостоятельно, но и от внутренних клеток. Пока они ещё сохраняли способность делиться, наружные клетки продолжали делиться сами, однако необходимость самостоятельно искать пищу постепенно уменьшалась.

Но, всё это ещё не решало главный вопрос: как из колонии одноклеточных организмов возник настоящий многоклеточный организм. Хотя в клетках колонии уже начинали активно работать определённые гены, каждая клетка по-прежнему оставалась самостоятельной и размножалась самостоятельно.

Главная эволюционная находка

Следующий шаг оказался самым важным. В одной из размножающихся клеток возникла случайная мутация. Эта мутация не делала клетку быстрее или сильнее. Она создавала правило. Теперь одна и та же клетка могла по-разному работать в зависимости от того, где она оказывалась внутри колонии. После каждого деления дочерние клетки получали одинаковую ДНК и вытеснялись внутрь колонии, занимая различные места. Затем положение клетки определяло её дальнейшую судьбу.

Мутация, позволившая им по-разному включать гены в зависимости от своего положения, оказалась полезной и была закреплена естественным отбором.

Если клетка оставалась посередине колонии, условия вокруг не были следующими: меньше кислорода, больше питательных веществ, сильнее химические сигналы от соседних клеток. В этих условиях продолжали работать гены деления, а гены движения и пищеварения отключались . Такая клетка оставалась источником новых клеток.

Если же клетка попадала к поверхности , вокруг не становилось больше кислорода, менялось механическое давление, она получала другие сигналы от соседних клеток. Под действием этих сигналов включались гены движения и выключались гены деления. Клетка превращалась в специализированную рабочую клетку. Она уже не производила потомство. Она двигала колонию, защищала её и получала питание через межклеточную жидкость.

Отключение "лишних" генов давало преимущества перед клетками, которые выполняли ту же функцию, но с включёнными генами деления и пищеварения. Специализированные клетки лучше выполняли свою работу, не тратя энергию на то, что не приносит пользы колонии. Постепенно универсальные клетки были вытеснены специализированными клетками, происходящими от репродуктивных клеток, которые превращались в рабочие, в зависимости от положения в колонии, не способные самостоятельно делиться или питаться.

Итог

Так возник принцип, который лежит в основе всех современных многоклеточных организмов. Одна размножающаяся клетка постоянно создаёт новые клетки. Все новые клетки имеют одинаковую ДНК. Но их дальнейшую судьбу определяет положение внутри организма. Одни клетки продолжают делиться, а другие становятся специализированными, рабочими, и постепенно утрачивают способность к делению. Так одна клетка создаёт целый организм, состоящий из миллионов различных клеток.

В самых ранних многоклеточных организмах существовало два основных типа клеток. Размножающиеся клетки — аналог современных стволовых клеток. Они делились всю жизнь и производили новые клетки. Специализированные, рабочие клетки выполняли свои функции (движение, защиту, питание) и после специализации либо совсем переставали делиться, либо делились очень редко. Именно этот принцип позже привёл к появлению стволовых, зародышевых и соматических клеток современных многоклеточных организмов.

Поэтому у современного человека клетки кожи и клетки печени содержат одну и ту же ДНК, но в них включены разные гены, из-за чего они выполняют разные функции. Многие ткани обновляются всю жизнь, однако новые клетки образуются не за счёт деления зрелых специализированных клеток, а благодаря стволовым клеткам или клеткам-предшественникам, которые присутствуют в этой ткани.