Експеримент, повторен 600 пъти, открива намеци за тайните на еволюцията

В лаборатория в Атланта хиляди клетки от дрожди се борят да оцелеят всеки ден. Организмите, които живеят още един ден, растат по-бързо, размножават се по-бързо и образуват най-големите агломерации. За около десетилетие клетките са еволюирали, за да се прикрепят една към друга, образувайки разклонени форми на снежинки.

Тези странни снежинки са в центъра на експерименти, които изследват какво може да се е случило преди милиони години, когато едноклетъчните организми са се събрали, за да станат многоклетъчни. Този процес обаче в крайна сметка доведе до такива фантастично непрактични и странни същества като октоподи, щрауси, хамстери и хора.

Въпреки че се смята, че многоклетъчността е еволюирала поне 20 пъти в историята на живота на Земята, не е ясно как организмите са преминали от една клетка към много организми, споделящи съдба. Но в Изследователска статия, публикувана в сряда в списание NatureИзследователите разкриват една следа за това как клетките започват да се изграждат в тялото. Екипът, който произведе маята Snowflake, установи, че в продължение на повече от 3000 поколения бучките мая са станали толкова големи, че могат да се видят с невъоръжено око. По пътя той еволюира от мек, мек материал до нещо с твърдостта на дърво.

Уил Ратклиф, професор в Georgia Tech, започва да експериментира с дрожди, когато е в аспирантура. Той е вдъхновен от Ричард Ленски, биолог от университета в Мичиган, и колеги, които са отгледали 12 щама на E. coli в повече от 75 000 поколения и са документирали от 1988 г. как се променят популациите. Д-р Ратклиф се чудеше дали изучаването на еволюцията, която насърчава клетките да се слепват, може да хвърли светлина върху произхода на многоклетъчността.

„Всички линии, за които знаем, че са развили многоклетъчност“, каза той, „направиха тази стъпка преди стотици милиони години.“ „И ние нямаме много информация за това как единичните клетки образуват клъстери.“

Затова той направи прост експеримент. Всеки ден той въртеше клетките на дрождите в епруветка, изсмуквайки тези, които потънаха на дъното най-бързо, и след това ги използваше, за да увеличи популацията на дрождите на следващия ден. Той разсъждаваше, че ако се избират най-тежките индивиди или групи от клетки, ще има стимул за дрождите да развият начин да се слепват.

И проработи: В рамките на 60 дни се е появила мая снежинка. Когато тези дрожди се разделят, благодарение на мутацията, те не се отделят напълно една от друга. Вместо това те образуват разклонени структури от генетично идентични клетки. Дрождите са станали многоклетъчни.

Но Ратклиф установява, че снежинките, докато той продължава да изследва, не изглеждат много големи и остават упорито микроскопични. Той приписва на Озан Боздаг, постдокторант в неговата група, пробивът в кислорода или хипоксията.

За много живи същества кислородът служи като вид ракетно гориво. Енергията, съхранявана в захарите, е лесно достъпна.

Д-р Боздаг даде кислород на някои от дрождите в експеримента и трансплантира други, които имаха мутация, която им попречи да ги използват. Той установи, че в хода на 600 прехвърляния дрождите с недостиг на кислород експлодират в обем. Техните снежинки растяха и растяха, като накрая станаха видими с просто око. Внимателното изследване на съставите разкрива, че клетките на дрождите са много по-дълги от нормалното. Клоните се бяха преплели в плътна туфа.

Учените смятат, че тази плътност може да обясни защо кислородът е такава бариера за растежа на дрождите. За дрождите, които могат да използват кислород, увеличаването на обема им има големи недостатъци.

Докато снежинките остават малки, клетките обикновено имат равен достъп до кислород. Но големите, плътни пълнежи означават, че клетките във всяка бучка са отрязани от кислород.

Дрождите, които не могат да използват кислород, напротив, нямат какво да губят и затова станаха големи. Резултатите показват, че храненето на всички клетки в клъстер е важна част от компромисите, пред които е изправен организмът, когато стане многоклетъчен.

Сформираните групи също са трудни.

„Количеството енергия, необходимо за разрушаването на тези неща, се е увеличило с над един милион“, каза Питър Юнкер, професор в Georgia Tech и съавтор на доклада.

Тази сила може да е ключът към друга стъпка в развитието на многоклетъчността, казва д-р Ратклиф – развитието на нещо като кръвоносна система. Ако клетките в рамките на голяма маса се нуждаят от помощ за достъп до хранителни вещества, предметът, който е достатъчно силен, за да насочва потока от течности, е ключов.

„Все едно да изстреляш пожарен маркуч в дрождева маса“, каза д-р Юнкер. Ако клетъчната маса е бедна, този приток на хранителни вещества ще я унищожи, преди всяка клетка да може да се храни.

Екипът сега проучва дали гъстите бучки дрожди от снежинки могат да развият начини за доставяне на хранителни вещества до най-вътрешните им органи. Ако го направят, тогава тези дрожди в техните епруветки в Атланта може да ни кажат нещо за това какво е било преди векове, когато вашите предци и много организми около вас са започнали да изграждат тела от клетки.