Сколько времени потребовалось, чтобы многоклеточная жизнь превратилась из одноклеточной?

Большинство экспертов сходятся во мнении, что одноклеточная жизнь возникла 4,1–3,5 миллиарда лет назад, а первая сложная форма многоклеточной жизни впервые сформировалась около 600 миллионов лет назад. В целом считается, что одноклеточная жизнь безраздельно властвовала более 2 миллиардов лет до появления и распространения многоклеточности.

Нашей планете около 4,54 миллиарда лет, и эксперты считают, что жизнь зародилась примерно через 500 миллионов лет. В то время как рудиментарная многоклеточная жизнь сформировалась 3,5 миллиарда лет назад в форме цианобактерий, по-настоящему сложная многоклеточная жизнь, по-видимому, возникла менее 1 миллиарда лет назад.

Очевидно, что одноклеточная жизнь довольно успешна, учитывая ее долгосрочное господство на планете, что вызывает некоторые вопросы, а именно, почему и как одноклеточная жизнь превратилась в многоклеточную?

Ранняя одноклеточная жизнь

Сейчас ведутся споры о первых зарождениях жизни на планете, причем оценки варьируются от 3,77 миллиарда лет до 4,5 миллиарда лет назад — менее чем через 500 миллионов лет после образования нашей планеты! Хотя временная шкала может быть неточной, существует мало споров о том, что первые формы жизни существовали на гидротермальных жерлах глубоко в океанах, поскольку самые ранние свидетельства жизни происходят из осадков гидротермальных жерл. Эти первые формы жизни были простыми микроорганизмами и, возможно, появились почти сразу после образования океанов.

Однако первое неоспоримое и прямое свидетельство существования жизни на Земле относится к окаменелым микроорганизмам около 3,465 миллиарда лет назад, тогда как более ранние утверждения обычно зависят от присутствия вещества, участвующего в биохимических процессах, но не от самих организмов. Однако первые прямые примеры жизни, которые были обнаружены, уже демонстрируют некоторую клеточную сложность, включая клеточные стенки, в которых заключена генерирующая белок ДНК, поэтому более рудиментарные формы жизни, вероятно, существовали намного раньше.

В основном, начиная с 3,5 миллиарда лет назад, одноклеточные организмы правили — несмотря на раннюю многоклеточность цианобактериальных матов-большинство из которых были прокариотами, вплоть до появления эукариот (клеток с ядром, органеллами и более сложной функциональностью). Бактерии и археи - первые две области жизни, которые возникли, за ними последовала эукария. Эти простые организмы были способны поддерживать свой индивидуальный метаболизм и выживать самостоятельно, требуя только одной клетки, а не дополнительной специализации. На планете все еще есть много одноклеточных видов, включая бактерии, планктон и амебы, а также все простейшие (которые являются эукариотами) и некоторые грибы.

Как развивалась одноклеточная жизнь?

Как уже упоминалось, цианобактерии, возможно, развили многоклеточность довольно рано — 3,5 миллиарда лет назад, но самые ранние примеры многоклеточных грибов относятся к 2,5 миллиардам лет назад, самые старые растительные окаменелости датируются примерно 1,6 миллиарда лет назад, самые ранние окаменелости животных появляются около 558 миллионов лет назад, а многоклеточные растения развились из водорослей около 470 миллионов лет назад.

Эксперты считают, что многоклеточность эволюционировала у эукариот 25 раз, но сложная многоклеточность развивалась только в шести группах эукариот - животных, грибах, наземных растениях, красных водорослях, зеленых водорослях и бурых водорослях. Однако различные способы развития многоклеточной жизни являются постоянным предметом споров, намекая на различные пути на протяжении всей истории жизни, которые допускали большую сложность.

Одноклеточные организмы, по сути, являются отшельниками, зависящими только от самих себя и своих функциональных способностей к выживанию и размножению посредством деления, почкования или митоза. Многоклеточные организмы, однако, отказываются от своей независимости, чтобы стать специализированными, работая совместно с клетками, выполняющими различные функции. Независимо от того, есть ли всего несколько десятков клеток, как в случае некоторых видов водорослей, или более 35 триллионов клеток у человека, уровень коммуникации и симбиотического взаимодействия между специализированными клетками, по-видимому, далеко продвинулся от автономных одноклеточных организмов.

Однако первоначальный скачок к многоклеточности можно объяснить тенденцией к колонизации одноклеточных организмов. Мы постоянно видим это в колониях бактерий, плесени и грибов, одноклеточных организмов, образующих групповые кластеры. Эти клеточные кластеры в некоторых случаях развили свои собственные черты и уникальное направление, часто извлекая выгоду из общего распространения ресурсов, защиты от хищников или угроз окружающей среды. Со временем эти кластеры привыкли к "групповой жизни" и перестали быть полностью автономными, полагаясь на другие части группы для выживания и функционирования.

В лабораторных исследованиях было показано, что изменение только нескольких генов в одноклеточном организме может способствовать простой недифференцированной многоклеточности. Это изменение может принять очень простую форму, такую ​​как мутация, которая предотвращает полное разделение клеток, что приводит к многоклеточному организму, который может общаться, делиться ресурсами и развивать большую специализацию.

Почему это заняло так много времени?

Этот "сдвиг" между одноклеточными и многоклеточными кажется довольно простым и очевидным, что вызывает вопрос о том, легко ли обратим этот процесс и почему для развития более сложной многоклеточной жизни потребовалось так много времени.

С точки зрения первого вопроса - обратим ли этот процесс - трудно игнорировать исследования, указывающие на колебания между одноклеточностью и многоклеточностью в зависимости от условий окружающей среды и потребностей вида. Однако было также высказано предположение, что в определенный момент клеточный кластер будет постоянно адаптироваться к многоклеточной жизни — процесс, называемый "трещоткой", что сделает невозможным (говоря генетически) регрессию к одноклеточному существованию.

С этого момента эволюция могла двигаться только в одном направлении - в сторону большей сложности. Хорошим примером этого может служить симбиоз двух типов клеток, каждый из которых производит соединение, необходимое для выживания другого. Как только эти отношения будут установлены и "закодированы" в генетическом составе клеток, они будут лучше работать вместе, чем по отдельности, поэтому возврат к одноклеточности не будет выбран.

Недавние исследования показали, что многие из тех же генетических маркеров, которые обнаруживаются у многоклеточных организмов - те, которые отвечают за критический синтез белка и функции сложных существ - также обнаружены в некоторых одноклеточных организмах. Поначалу в этом нет особого смысла, поскольку эти гены у сложных эукариот часто отвечают за функции, которые не нужны одноклеточным организмам.

Однако считается, что со временем и в пространстве простые организмы использовали существующие гены для новых целей и нашли инновационные способы использования ранее существовавших функций внутри клетки. Некоторые уникальные функции или структуры, присутствующие у одноклеточных видов, могут быть обнаружены в двух различных специализированных типах клеток многоклеточного организма, но эти ранние генетические маркеры остаются.

С генетической точки зрения это предполагает, что у одноклеточных организмов просто есть менее сложный механизм для регулирования генов кодирования. Одноклеточные организмы часто обладают сложным генетическим механизмом, который позволяет им включать и выключать гены, и мы находим аналогичные факторы транскрипции в нашей собственной ДНК !

Чтобы ответить на вопрос, почему потребовалось так много времени для развития сложной многоклеточной жизни, мы должны рассмотреть условия окружающей среды на протяжении большей части истории нашей планеты. Возникновение эукариотической жизни произошло около 2,5 млрд лет назад, предшествовал значительному повышению уровня кислорода на планете (2,4-2 млрд лет назад). Хотя по поводу этого массивного притока кислорода (широко известного как Великое окисление) ведутся споры, большинство согласны с тем, что в первую очередь это связано с ростом фотосинтезирующие эукариоты, которые вырабатывали кислород в качестве побочного продукта.

Это повышение концентрации кислорода позволило процветать аэробным организмам, которые также поддерживали многоклеточную жизнь и большую сложность. Ранее в истории Земли, несмотря на широкое распространение одноклеточных форм жизни, они были в значительной степени анаэробными, включая всю область архей, самую раннюю форму жизни. Когда атмосфера стала более насыщенной кислородом, анаэробные организмы были вынуждены отступить в анаэробную среду, в то время как аэробные организмы (использующие кислород для выработки энергии посредством клеточного метаболизма) и, следовательно, многоклеточные организмы могли свободно распространяться по планете. За исключением трех микроскопических морских животных, вся многоклеточная жизнь носит аэробный характер.

Учитывая все, что мы теперь знаем о ранней истории одноклеточной жизни и механизмах, которые сделали возможным переход к многоклеточной жизни, невероятное разнообразие форм и функций, которое мы видим на Земле, не должно вызывать удивления. Каждая форма жизни на этой планете произошла от универсального общего предка миллиарды лет назад, одноклеточного организма со своим собственным уникальным генетическим кодом, который мог преобразовывать ДНК в РНК в белки. Из таких скромных одноклеточных зародышей возникла вся многоклеточная жизнь на этой планете.

Однако эти невероятные скачки от одноклеточных к многоклеточным произошли не один раз, а десятки раз, которые можно проследить в генетической истории. В то время как первое достижение простой недифференцированной многоклеточной жизни произошло по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад, сложная многоклеточная жизнь развивалась в различных эукариотических царствах с очень разной скоростью. Это должно служить хорошим напоминанием о том, что эволюция - это не какая-то статичная картина прошлого, а динамическая сила, которая продолжается и по сей день!