Новый эксперимент пролил свет на ключевое событие в эволюции жизни на планете Земля: как именно произошёл эволюционный переход от одноклеточных к многоклеточным формам жизни. Несмотря на то, что, как может показаться, это был естественный этап эволюции, в реальности это было крайне необычное явление: жизнь зародилась на Земле 4-4,3 миллиарда лет назад, и миллиарды лет процветала на планете в одноклеточной форме. Но в какой-то момент что-то произошло, и часть одноклеточных начала формировать всё более и более крупные структуры, некоторые из этих структур приобрели различные функции и, в конечном итоге, развились в первые примитивные животные на планете, имеющие определенные органы и состоящие из миллиардов и даже триллионов разных клеток. Так произошёл этот уникальный переход от уже в основном успешных одноклеточных к более сложным многоклеточным —по крайней мере, в теории. Фактических доказательств или свидетельств этого перехода у нас нет — в основном, потому, что ничто из этого не пережило бы миллиарды лет пребывания в окаменелом виде. Но поскольку на нашей планете все еще живут одноклеточные, и поскольку у нас есть многоклеточная жизнь, сосуществующая с одноклеточной, это единственное разумное объяснение.
Но как именно произошёл этот переход от микро к макро? Что подтолкнуло их к формированию этой необычной структуры — ведь одноклеточные обычно очень успешны сами по себе: и сегодня они присутствуют практически в любых экологических нишах и природных условиях. Эксперимент, опубликованный в 2023 году, даёт некоторые важные ответы на то, как это могло произойти.
Этот эксперимент действительно смог физически воспроизвести формацию несложной формы многоклеточной жизни — но достаточно большой по размеру и даже видимую невооруженным глазом. Он даже может послужить ответом на гипотезу Великого фильтра.
Для науки крайне важно выяснить, как и почему жизнь на Земле претерпела это резкое изменение, когда многие одноклеточные на планете начали развиваться в многоклеточные, что в конечном итоге привело к появлению таких организмов, как мы: это позволяет определить, насколько вероятно это может произойти на другой планете.
Если коротко, это конкретное исследование было сосредоточено на изучении чего-то, что уже изучалось в течение довольно долгого времени во множестве различных похожих условий. Речь идёт про обычные дрожжи — те самые, которые мы используем в выпечке, одноклеточные микроорганизмы, которые технически являются эукариотами, что делает их более сложными, чем бактерии, но по сути также являются членами царства грибов. И, в отличие от бактерий они эволюционировали всего несколько сотен миллионов лет назад — так что это более молодая форма жизни. Одна из вещей, которая делает дрожжи несколько интересными, заключается в том, что они также имеют тенденцию кооперировать с бактериями — один из самых известных примеров это напиток, известный как чайный гриб. А в некоторых случаях он также образует относительно сложные колонии. И, очевидно, их также относительно легко выращивать — человечество выращивает дрожжи уже тысячи лет с тех пор, как появился первый хлеб и, конечно, пиво.
Поскольку выращивать дрожжи так просто, в разных лабораториях ученые захотели проверить, смогут ли они ускорить эволюцию дрожжей. В некоторых из более ранних экспериментов они выращивали дрожжи в пробирках и наблюдали, как отдельные клетки объединяются в более крупные комки и оседают на дно. Еще в 2012 году они фактически смогли выборочно выращивать отдельные дрожжевые клетки для более быстрого создания все более и более крупных структур — иными словами, провели селекцию хлебных дрожжей для формирования небольших многоклеточных структур с гораздо большей эффективностью и гораздо быстрее, чем обычные дрожжи, выборочно выращивая их в течение нескольких поколений, собирая кусочки дрожжей со дна этих пробирок. Это базовый дарвиновский отбор в действии, и не потребовалось много времени, чтобы таким путём получать всё более крупные куски — по словам ученых, стоящих за исследованием, это заняло всего около 60 дней.
После 60 дней селекции, большинство дрожжей уже предпочитало формировать более крупные структуры по сравнению с одиночными структурами. Однако всё это происходило без какой-либо естественной основы под собой, а происходило обычно случайным образом, потому что вместо того, чтобы разлетаться, некоторые клетки слипались, образуя все более и более крупные структуры. В любом случае всего через два месяца они превратились из преимущественно одноклеточных в многоклеточные дрожжи, которые внутри пробирки выглядели немного грязнее и крупнее обычных дрожжей.
Хотя это и было довольно интересно, на этом этапе они в основном застряли. Что бы ни делали ученые, они эти структуры никак не вырастали более нескольких микрометров, и, что более важно, они не имели никакой прочной связи — их было очень легко разорвать. Мало того, что они были довольно хрупкими, они как бы отказывались расти дальше нескольких сотен клеток. Вместо того, чтобы показать, как могла развиться многоклеточная жизнь, это просто показало, что некоторые клетки могут слипаться — недостаточно, чтобы продвинуть понимание эволюции многоклеточной жизни, — и на этом этапе наука застряла до выхода исследования 2023 года, которое изменило ситуацию радикально, и одного этого изображения достаточно, чтобы показать нам насколько: вместо микрокомочков дрожжей из нескольких сотен клеток появились действительно большие образования, видимые невооруженным глазом. Некоторые из многоклеточных дрожжей в 20 000 раз больше тех, которые удалось получить 10 лет назад: они содержат до полумиллиона клеток, многие из которых обладают определенной функцией и, что более важно, обладают трехмерной структурой, которая стала более или менее стабильной, постоянной и уже не распадающейся легко.
Что же именно они сделали, чтобы осуществить такой прорыв?
Любопытно, что учёные ничего не добавляли, а кое-что убрали: они взяли эти более мелкие кусочки и ограничили им кислород — то есть, создали условия, в которых дрожжам стало выгоднее не оставаться в одиночестве, а находиться в более крупных структурах.
Поместив дрожжи в условия нехватки кислорода в течение нескольких месяцев, они увидели, что все эти структуры продолжают расти все больше и больше, потому что это было полезно для их выживания. Через 600 дней они стали видны невооруженным глазом: на фото они несколько миллиметров в поперечнике. Что еще более важно, многие клетки при этом значительно удлинились, укрепили связь между собой и начали формировать отдельные структуры, которые придавали бы дополнительную упругость, делая эти структуры намного прочнее, в чем-то даже напоминая живые тела. Но что более важно, клетки внутри структуры теперь начали выполнять разные функции: некоторые клетки росли очень быстро, некоторые клетки обеспечивали жесткую, прочную структуру, а другие клетки по какой-то причине самоуничтожались — другими словами, это был окончательный признак многоклеточного образования: одни и те же клетки выполняют разные роли в гораздо более крупном организме. Хотя этот тип эмерджентного поведения на самом деле довольно распространен в природе: есть знаменитый пример слизевика, когда этот необычный одноклеточный организм начинает приобретать множество сложных эмерджентных свойств, становясь все больше в размерах, и в какой-то степени даже имитируя простой интеллект.
То, что эти новые свойства исходят от обычных дрожжей, также не является чем-то необычным. На самом деле, учёные считают, что это общая черта многих сложных структур: по мере того, как что-то становится больше и сложнее, также обычно начинает проявляться множество неожиданных свойств. Возможно даже, что более интересный вопрос здесь заключается в том, почему именно некоторые клетки начали самоуничтожаться.
Здесь ученые полагают, что, возможно, это один из способов, которым они могут создавать репродуктивные кластеры, выпуская небольшие фрагменты в окружающую среду вокруг себя, они в основном обеспечивают больше питательных веществ, возможно, позволяя другим структурам расти все больше и больше — хотя на данный момент это нельзя утверждать с уверенностью. И, что интересно, всего через два года эти структуры также развили новое свойство, которое позволило им доставлять питательные вещества в клетку внутри структуры, в то же время избавляясь от различных видов отходов. По сути, дрожжам удалось развить рудиментарную систему кровообращения, и все это в основном произошло в результате этого внешнего давления - недостатка кислорода - в ходе селективного размножения, искусственно созданного в научной лаборатории.
Хотя обычно считается, что кислород должен быть полезен для многоклеточной жизни, в этом случае именно отсутствие кислорода заставило жизнь формировать более крупные структуры и обретать более крупные тела — тогда как в богатой кислородом среде, вероятно, выгоднее оставаться одной клеткой.
Конечно, этот эксперимент ещё не показывает нам, как возникают по-настоящему сложные организмы, но он демонстрирует формирование гораздо более простой многоклеточной жизни, которая со временем также может усложниться. Поскольку мы знаем, что многоклеточная жизнь на планете независимо эволюционировала по меньшей мере 25 раз в прошлом, эти новые эксперименты и эти новые наблюдения показывают нам, что, возможно, это не такой уж и сложный переход для жизни там, где уже возникли одноклеточные. Боле того, чем тяжелее для них становятся условия — тем вероятнее, что они попытаются выжить таким образом. Поэтому, когда дело доходит до парадокса Ферми и Великого фильтра, это может указывать на то, что, возможно, это и не фильтр вовсе, и может произойти где угодно. По крайней мере, то, с какой лёгкостью это произошло в лаборатории всего за за два года, крайне впечатляет и настраивает на скорые новые прорывы в области эволюции жизни.
