Одно из самых знаменательных событий в истории жизни на Земле — переход от одноклеточных организмов к многоклеточным. По мнению биологов, происходило это не один и не два, а целых двадцать раз, но в последние 200 млн лет такого, увы, не случалось. А учёным очень хотелось бы понять, как это было: всё-таки все наши специализированные органы и ткани есть прямое следствие того, что когда-то жизнь пошла по многоклеточному пути.

Зелёная одноклеточная водоросль Chlamydomonas reinhardtii (фото Scientifica). Но исследователи не сдаются, пытаясь воссоздать этот переход с современными организмами, которые хотя бы отчасти можно уподобить древнейшим одноклеточным. Несколько лет назад это удалось провернуть с дрожжами: оказалось, что эти грибы могут сформировать многоклеточные конгломераты всего за два месяца. Ну а сейчас то же самое сделано с зелёными водорослями.

Опыты с водорослями ставили Уильям Рэтклифф (William C. Ratcliff) (тот самый, что превращал одноклеточные дрожжи в многоклеточные) и его коллеги из Технологического института Джорджии и Миннесотского университета (оба — США). Десять культур одноклеточных водорослей Chlamydomonas reinhardtii растили в течение пятидесяти поколений. Время от времени водоросли мягко осаждали в центрифуге и отбирали кластеры клеток, которые быстрее всех падали на дно; эти кластеры давали начало следующему поколению.

 Как пишут исследователи в Nature Communications, в одной из десяти колоний к пятидесятому поколению появились уже вполне определённые многоклеточные скопления — причём, что самое удивительное, у клеток в них был синхронизирован жизненный цикл. Клетки водорослей оставались вместе на протяжении нескольких часов, после чего разбегались, чтобы начать делиться и сформировать новую многоклеточную колонию. 

Точно такой же опыт ставился с дрожжами, а повторить его с водорослями учёных заставила критика: им говорили, что современные дрожжи, хотя и являются одноклеточными, в прошлом были многоклеточными, а потому объединиться в нечто многоклеточное для них не составляет труда. Chlamydomonas же всегда были одноклеточными — однако тот же самый трюк удался и с ними.

Впрочем, в многоклеточности водорослей было одно важное отличие от дрожжевого случая: если дрожжи после деления оставались связанными (клетка с клеткой), то водоросли полностью отделялись друг от друга, но находились в одной общей слизистой оболочке. То есть многоклеточность не только могла возникать независимо у самых разных групп организмов, механизм её появления мог варьироваться от случая к случаю.

И это, возможно, говорит о том, что переход к многоклеточному состоянию для древнейших жизненных форм был не таким уж трудным и долгим, как об этом принято думать.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Самой известной и, пожалуй, самой популярной теорией происхождения митохондрий и хлоропластов является теория эндосимбиоза (или симбиогенеза). По ней, хлоропласты и митохондрии прежде были самостоятельными прокариотическими организмами (какими-нибудь древними бактериями или цианобактериям), которыми питались далёкие предки эукариот. В какой-то момент поедание бактерий сменилось симбиотическими отношениями: жертвы стали жить внутри охотника, обеспечивая его энергией, и в итоге превратились в знакомые всем хлоропласты и митохондрии. 

В общих чертах тут всё более-менее понятно, но что при этом происходило на клеточном уровне? Какими, например, характерными особенностями обладали клетки древнейших эукариот, которые первыми начали налаживать симбиотические отношения с поглощёнными бактериями? Почему вообще получилось так, что бактерии перестали расщепляться пищеварительными ферментами и оставались плавать в теле хозяина целыми и невредимыми? На эти и на многие другие вопросы ответов пока нет, хотя учёные интенсивно их ищут. Главная проблема, разумеется, в том, что все гипотезы и теории приходится строить на современном материале, на изучении нынешних простейших, так как ископаемых останков с тех далёких времён почти нет.

Но как можно узнать, что происходило миллионы и миллиарды лет назад, наблюдая за современным одноклеточными? Считается, что какие-то особенности структуры, какие-то особенности поведения нынешних простейших отчасти повторяют то, как вели себя их древнейшие предки. И здесь нужно добавить, что эндосимбиоз — по крайней мере тот, который привёл к появлению хлоропластов, — возникал в истории жизни несколько раз. Сначала были так называемые первичные эндосимбионты: древнейшие эукариоты, которые первыми поняли, что фотосинтезирующие цианобактерии можно использовать, так сказать, живьём. Из таких первичных эндосимбионтов впоследствии появились растения, зелёные и красные водоросли, а также своеобразная группа водорослей, называемых глаукофитами, чьи фотосинтезирующие органеллы чрезвычайно напоминают цианобактерии. 

Роль фагоцитоза древних эукариот в происхождении хлоропластов. (Рисунок авторов работы.) Но были и такие организмы, которые использовали для эндосимбиоза не сами бактерии, а первичных эндосимбионтов. То есть другие древнейшие эукариоты поглощали других эукариот, у которых уже были приручённые фотосинтезирующие цианобактерии. Из таких вторичных и третичных эндосимбионтов получились криптофитовые, гаптофитовые и гетероконтофитовые водоросли, а также эвгленоидеи. У потомков вторичных эндосимбионтов мембрана хлоропластов состоит не из двух, а из трёх слоёв. Считается, что самая внутренняя мембрана досталась хлоропластам от бактерии, а вторая, внешняя — от древнего эукариота, который, поглощая бактерию, заворачивал её в свою мембрану. В случае с трёхмембранными хлоропластами третья (самая внешняя) мембрана, как считается, досталась хлоропластам от нового хозяина, который заворачивал в свою мембрану другого эукариота с фотосинтезирующими элементами внутри. 

Однако в любом случае один из ключевых этапов — поглощение одного одноклеточного другим. Исследователи из Университета Далхаузи (Канада) и Американского музея естественной истории (США) утверждают, что древние эукариоты, которые впервые использовали хлоропластный симбиоз, поглощали бактерии не любой частью клетки, как амёбы, а с помощью специализированных структур. Учёные наблюдали за Cymbomonas, относящейся к одним из наиболее простых и древних зелёных водорослей. Хотя, как и все зелёные водоросли, Cymbomonas произошла от первичных эндосимбионтов, при этом, как оказалось, у неё сохранилась способность питаться бактериями. 

В статье, опубликованной в Current Biology, исследователи описывают пищеварительный аппарат водоросли Cymbomonas. Пища попадает в клетку через специальное отверстие, после чего по пищеводообразному каналу движется к постоянной пищеварительной вакуоли, аналогу желудка, причём пищевод может сокращаться, помогая пище продвинуться к «желудку». 

Такой способ поглощения не похож на то, что мы наблюдаем у других простейших, вроде амёб или инфузорий. Авторы работы полагают, что он достался Cymbomonas от предков, которые с его помощью приобрели первые хлоропласты. Сейчас бактерии, пойманные Cymbomonas, перевариваются в пищеварительной вакуоли, однако весь процесс поглощения пищи может быть моделью для изучения того, как бактерии в один прекрасный день избежали расщепления в вакуоли и превратились в домашних фотосинтетиков. 

В данном случае трудно сказать, что именно благодаря такому пищеварительному аппарату стало возможным «приручение» бактерий — тут могли сыграть свою роль и другие особенности физиологии древних эукариот. Но если именно такая схема поглощения пищи осуществлялась в каждом случае появления эндосимбиоза, это наводит на мысль, что это неспроста, что, очевидно, именно такой путь бактерии в клетку давал ей шанс уцелеть и развить симбиотические отношения.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Растения, поедающие растения, — такое возможно на какой-нибудь фантастической планете, в приключенческом романе, в историях про мутантов и экологические катастрофы. Однако статья об этом вышла отнюдь не в развлекательном журнале, а в Nature Communications. Пожирателем растений оказалась некая зелёная водоросль, то есть, строго говоря, тут не растение поедает растение, а водоросль. Однако эта таксономическая оговорка нисколько не умаляет необычность открытия.

«Растительноядная» зелёная водоросль Chlamydomonas reinhardtii (фото авторов работы)До сих пор считалось, что способностью разлагать целлюлозу обладают бактерии, грибы и некоторые черви: все они используют растительный материал как ресурс углерода, необходимого для роста. Растения же, наоборот, получают углерод из неорганического источника — углекислого газа. Точно так же поступают и фотосинтезирующие водоросли: им, как и растениям, для роста нужны только свет, вода и углекислый газ. Но что произойдёт, если углекислого газа станет мало?

Исследователи из Билефельдского университета (Германия) выращивали одноклеточную микроскопическую водоросль Chlamydomonas reinhardtii в условиях недостатка CO₂. Чтобы получить необходимый углерод, водоросль использовала другой ресурс — целлюлозу. Chlamydomonas reinhardtii выделяла специальный фермент, расщепляющий целлюлозу до более простых сахаров, которые затем поглощались. До сих пор никто и не подозревал, что у водорослей есть такая способность. Действительно, зачем одним фотосинтетикам поедать других? Но сейчас, разумеется, этот феномен будет исследоваться самым пристальным образом: вдруг Chlamydomonas reinhardtii не одна такая — и другие водоросли тоже время от времени не прочь перекусить целлюлозой?

Подобные исследования имеют ещё и важное практическое значение. Как известно, производство биотоплива, которое могло бы стать альтернативой нефтяным углеводородам, завязано на переработку растительной целлюлозы. До сих пор целлюлозоразлагающие ферменты получали из грибов, которые, между прочим, сами требовали органики, чтобы расти и размножаться. Водоросли могли бы стать дешёвым конкурентом грибам: расти они могут за счёт фотосинтеза, а способность синтезировать нужные ферменты можно подстегнуть с помощью генноинженерных методов.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Биоэкологи из Технологического института Джорджии (США) обнаружили, что бычки, живущие в коралловых зарослях, служат чем-то вроде службы спасения или полиции, избавляя кораллы от нежелательных соседей. Исследователи изучали кораллы Acropora nasuta, обитающие в водах архипелага Фиджи. Она из самых больших неприятностей, которая может случиться с Acropora nasuta, — это крупная зелёная водоросль Chlorodesmis fastigiata: физический контакт с ней губителен из-за её токсинов.

Коралловый бычок G. histrio, приплывший на призыв коралла, чтобы избавить его от токсичной зелёной водоросли C. fastigiata (фото Danielle Dixson / Georgia Institute of Technology)Однако исследователи заметили, что ядовитая водоросль растёт заметно хуже, если в кораллах живут бычки Gobiodon histrio и Paragobiodon echinocephalus. Появление этих рыб за три дня почти на треть сокращало популяцию водоросли, тогда как без бычков она продолжала расти и убивать кораллы. Наблюдение за рыбами и анализ содержимого их желудка показали, что Gobiodon histrio и впрямь питается злонамеренной водорослью, а Paragobiodon echinocephalus всего лишь обкусывает её в тех местах, где она соприкасается с кораллом, но откушенные кусочки не глотает. Исследователи допускают, что Gobiodon histrio, который натурально ест водоросль, имеет от этого свою выгоду: водорослевые токсины могут защищать его от домогательств хищников. Так или иначе, объединёнными усилиями бычки на 70–80% снижают вред, наносимый кораллам водорослями.

Но самым любопытным оказалось то, что рыбы ликвидируют токсичного чужака именно в ответ на призывы коралла о помощи. Исследователи «показывали» бычкам образцы воды, взятые из окружения нормальных, здоровых кораллов, которых ничто не беспокоило, — и рыбы на такую воду не реагировали. Но стоило предъявить бычкам образцы из мест контакта коралла и водоросли, как они сразу же устремлялись к источнику запаха. То есть кораллы действительно звали на помощь бычков, используя для этого какое-то химическое вещество. Исследователи также пытались раздражать кораллы нейлоновыми нитями, смоченными или не смоченными в токсичном экстракте водоросли. Так удалось выяснить, что главную роль тут играл именно водорослевый токсин, а не контакт водоросли и коралла: никаких призывов о помощи в ответ на простой механический контакт кораллы не выделяли.

При этом никаких других кораллов рыбы не защищали, только вид Acropora nasuta, служивший для бычков домом. Gobiodon histrio и Paragobiodon echinocephalus питаются слизистыми выделениями коралла, а также одноклеточными водорослями и зоопланктоном, которые обитают тут же. Поэтому можно сказать, что рыбы защищают кораллы в обмен на стол и кров. Это напоминает взаимоотношения между некоторыми деревьями и муравьями, которые в обмен на жильё защищают растения от паразитов. Однако не все обитатели кораллов отличаются столь высокой сознательностью. Например, помацентровые рыбы, услышав тревожный сигнал, спешат убраться подальше: очевидно, они попросту боятся, как бы и им следом не досталось.

Что же до самого сигнального вещества, то учёные не исключают, что это может быть просто общий сигнал, который кораллы выделяют в ответ на любой вид стресса. Однако более вероятным кажется то, что это адресный призыв о помощи, специфичный по отношению к стрессу (ядовитой водоросли) и имеющий конкретного получателя — рыбью службу спасения. Ну а что за молекулы тут действуют, исследователи пока не знают, но планируют выяснить это в ближайшее время. 

Результаты исследований опубликованы в журнале Science.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА