Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Эволюционные биологи, занимавшиеся изучением этого вопроса в начале 1990-х годов, считали, что переход эукариот (ядерных клеток) от одноклеточной к многоклеточной жизни произошел в результате преодоления высокого эволюционного порога. В конце концов, не могла ведь дрожжевая клетка проснуться в один прекрасный день и решить, что ей будет лучше жить в виде многоклеточного организма. Как сказал венгерский эволюционный биолог Ласло Наги, переход к многоклеточным организмам “рассматривался как важнейший переход с большими генетическими [и, следовательно, эволюционными] трудностями”18.
Однако результаты некоторых недавних экспериментов и генетических исследований указывают на совсем другой ход событий. Во-первых, многоклеточные организмы очень древние. Возраст спиральных окаменелостей, похожих на свернутые побеги папоротника, которые начали формироваться в среде зеленых и сине-зеленых водорослей, составляет около двух миллиардов лет; по какой-то причине индивидуальные клетки начали срастаться друг с другом. Около пятисот семидесяти миллионов лет назад появились и разрослись на дне океана листовидные “организмы” с лучевой структурой, напоминающие тоненькие вены (венулы) и состоящие из многочисленных клеток. Из отдельных клеток сформировались губки. Колонии микроорганизмов самопроизвольно объединялись с образованием новых “существ”, предвещая появление нового типа существования.
Но, вероятно, самым удивительным свойством многоклеточной жизни является ее независимая эволюция у разных видов, произошедшая не один раз, а множество раз19. Как будто стремление к многоклеточному существованию было столь сильным и всеобъемлющим, что эволюция вновь и вновь перешагивала через все преграды на этом пути. Генетические данные однозначно это подтверждают. Коллективное существование (по сравнению с изоляцией) давало столько преимуществ, что силы естественного отбора многократно приводили к победе коллективизма. Как выразились эволюционные биологи Ричард Гросберг и Ричард Стрэтмэн, переход от одиночных клеток к многоклеточным организмам был “маленьким большим переходом”20.
Этот “маленький большой переход” от одноклеточной к многоклеточной жизни можно изучить и в какой-то степени воспроизвести в лабораторных условиях. В рамках одного из самых интересных экспериментов такого рода, выполненного в 2014 году в Университете Миннесоты, группа исследователей под руководством Майкла Травизано и Уильяма Рэтклифа добилась эволюции многоклеточного существа из одноклеточного организма21.
Худой и безмерно воодушевленный Рэтклиф в очках в металлической оправе похож на вечного студента-старшекурсника, однако на деле он профессор, автор многих цитируемых статей и руководитель большой лаборатории в Атланте22. Однажды утром в 2010 году Рэтклиф, завершавший работу над диссертацией по экологии, эволюции и поведению, беседовал с Травизано о происхождении многоклеточной жизни. Оба знали, что многие одноклеточные формы эволюционировали в многоклеточные по разным причинам и разными путями.
Когда Рэтклиф описывал их эксперимент, он посмеивался, перефразируя известное начало классического романа Толстого: “Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему”. Как он сказал мне, в эволюции многоклеточной жизни логика обратная: каждый одноклеточный организм избрал собственный путь превращения в многоклеточную форму. Каждый стал “счастливым”, точнее, приспособленным в эволюционном плане, развиваясь по собственному пути. А одноклеточные организмы остались, так скажем, похожими друг на друга одноклеточными. Говоря словами Рэтклифа, эта ситуация “противоположна ситуации Анны Карениной”.
Травизано и Рэтклиф работали с дрожжами. В декабре 2010 года, во время рождественских каникул, Рэтклиф провел один из самых великолепных по простоте эволюционных экспериментов. Он вырастил клетки дрожжей в десяти колбах, а потом дал им отстояться сорок пять минут, так что одиночные клетки дрожжей продолжали плавать на поверхности, а более тяжелые многоклеточные агрегаты (“кластеры”) осели на дно. (После нескольких экспериментов выяснилось, что разделение происходит эффективнее, если вращать культуру в центрифуге на низкой скорости.) Рэтклиф отобрал многоклеточные кластеры, осевшие под действием силы тяжести, и вырастил их, а затем повторил процесс более шестидесяти раз со всеми десятью культурами, каждый раз отбирая осевшие на дно агрегаты. Он имитировал отбор и рост на протяжении многих поколений23 – Галапагосские острова Дарвина в колбе.
Когда Рэтклиф шел в лабораторию на десятый день, валил густой снег. “Большие тяжелые хлопья снежинок”, – вспоминал он. Он стряхнул снег с куртки и ботинок, взглянул на колбы и немедленно понял: что-то произошло. Жидкость в колбах с десятой культурой была прозрачной, а на дне лежал осадок. Под микроскопом он увидел такую же картину, как за окном: во всех десяти колбах осадок превратился в многоклеточные агрегаты нового типа – кристалловидные, с многочисленными отростками скопления сотен дрожжевых клеток. Живые снежинки. Однажды объединившись, эти “снежинки” продолжали жить в виде кластеров. При последующем культивировании они не разделялись на одиночные клетки, а сохраняли конфигурацию. Войдя в фазу многоклеточной жизни, эволюция отказывалась поворачивать обратно.
Рэтклиф понял, что агрегаты (он называл их “снежиночками”) возникли по той причине, что материнские и дочерние клетки оставались в кластере даже после деления. Эта картина воспроизводилась из поколения в поколение, как в сплоченной семье, где дети, вырастая, не покидают дом предков.
По мере продолжения эксперимента кластеры становились все крупнее, и у ученых возник новый вопрос. Как размножаются эти агрегаты? Простая модель предполагает, что от кластера отделяется одиночная клетка, которая затем растет, превращаясь в новую звездчатую форму. Однако выяснилось, что кластеры размножаются, расщепляясь посредине по достижении определенного размера. Семья из нескольких поколений распадается на две семьи из нескольких поколений. “Это было невероятно, – рассказывал мне Рэтклиф. – Эволюция – эволюция многоклеточных существ – в колбе”.
Жизненный цикл дрожжевых “снежинок”. “Снежинки” эволюционировали из одноклеточных дрожжей в результате отбора наиболее крупных кластеров. Со временем они сохранили крупную форму и не вернулись в одноклеточное состояние – произошел эволюционный отбор многоклеточной жизни.
К разрастающимся отросткам добавлялись новые клетки, увеличивая размер кластеров. Сначала “снежинки” распадались под действием физического напряжения из-за своего размера, как слишком длинные ветви отваливаются от дерева, когда больше не могут держаться. Однако со сменой поколений возникли специализированные клетки, которые шли на преднамеренное, запрограммированное самоубийство, чтобы создать специфический участок расщепления, облегчающий отделение одного кластера от другого.
Сначала размножение многоклеточных кластеров определялось физическими ограничениями: “снежиночки” становились такими большими, что распадались под действием физического напряжения из-за собственного размера. Но потом обнаружился новый сюрприз: по мере эволюции в середине кластеров появилась группа клеток, совершавших намеренное и запрограммированное самоубийство, в результате чего внутри агрегата возникала борозда – разлом, по которому происходило отделение нового кластера от материнского.
Я спросил Рэтклифа, что будет, если он продолжит выращивать все новые и новые
