"Обичам те, не те обичам": Хидродинамиката е стимулирала еволюцията на многоклетъчния живот, твърдят учени

Хората са склонни да мислят, че да си многоклетъчен (и по-голям) е определено предимство, въпреки че 80 % от живота на Земята се състои от едноклетъчни организми - някои от тях процъфтяват в условия, смъртоносни за всяко друго животно.

Всъщност биолозите отдавна се питат защо и как е еволюирал многоклетъчният живот. Първият известен случай на многоклетъчност е преди около 2,5 милиарда години, когато цианобактериите се свързват, за да образуват нишковидни колонии. Как се е случил този преход и какви са били ползите за клетките обаче не е съвсем ясно.

Поразителен пример за кооперативната организация между клетките като потенциална сила в еволюцията на многоклетъчния живот представя изследване, проведено в Морската биологична лаборатория (MBL) във Фалмут, Масачузетс.

Докладът се основава на хидродинамиката на кооперативното хранене на стенторите, сравнително гигантски едноклетъчен организъм, и е публикуван в Nature Physics.

"Направихме крачка назад в еволюцията, когато организмите са били независими. Защо изобщо са се събрали в колония, преди да са станали фиксирани в позицията си един спрямо друг", посочва Джон Костело (John Costello) от Провидънс колидж, старши автор на изследването и ученият от MBL, заедно със съавтора Шон Колин (Sean Colin) от Университета "Роджър Уилямс".

"Толкова много проучванияза произхода на многоклетъчния живот се фокусират върху химията. Ние искахме да изследваме ролята на физическите сили в този процес", заявява водещият автор Шашанк Шекхар (Shashank Shekhar), асистент по физика в Университета Емори.

Филм за проследяване на потока, показващ следите от частици, представляващи полето на потока на отделен стентор. Филмът се състои от изображения с максимален интензитет на Z-проектиране през подвижен прозорец от 1,5 s. Кредит: Shekhar et al., Nature Physics, 2025.

Повече усти е по-добре от една

Стенторът е едноклетъчен организъм от тип Ресничести (Ciliophora) с форма на тръба, който може да достигне дължина до 2 мм. В родното си местообитание в езера или водоеми стенторът прикрепя тънкия си край (наречен холфаст) към листа или клонки, докато тръбният край се люлее свободно, създавайки воден вихър, за да засмуче храна, например бактерии, с облицованата си с реснички уста.

В лабораторията учените отбелязват, че когато стенторите се пуснат в съд с езерна вода, те бързо образуват динамична колония, в която клетките всъщност не се прикрепят една към друга, но техните холфасти се допират заедно до стъклото.

Чрез количествено определяне на потоците от течности екипът показва, че два съседни стентора в колония могат да удвоят скоростта на потока вода в устата си в сравнение с индивидуалния им капацитет. Това им позволява да засмукват повече плячка и по-бързо плуващи жертви, като създават по-мощни вихри, които засмукват вода от по-голямо разстояние.

Филм за проследяване на потока, показващ следите от частици, представящи полученото поле на потока от двойка индивиди стентори. Филмът се състои от изображения с максимален интензитет на Z-прожекцията през подвижен прозорец от 0,5 сек. Кредит: Shashank Shekhar, Emory University

Обичам те, не те обичам

Въпреки това ползите от храненето, натрупани от два съседни стентора, не са еднакви, установява екипът. По-слабият стентор печели повече от обединяването си в екип, отколкото по-силният. И, което е любопитно, те проявяват поведение, което Шекхар нарича "обичам те, не те обичам". Когато сдвоените стентори разклащат краищата на тръбите си заедно, флуидните им потоци се увеличават, но след това те неизменно се колебаят, като отново раздалечават устите си. Защо?

За да отговорят на този въпрос, те се обръщат към математическото моделиране на динамиката на флуидите в колонията, ръководено от съавторите Ханлян Гуо (Hanliang Guo) от Университета Уеслиън в Охайо и Ева Кансо (Eva Kanso) от Университета на Южна Калифорния.

Гуо и Кансо потвърждават "промискуитета" в колонията, където индивидите продължават да сменят съседните си партньори. А резултатът е, че всички клетки в колонията от стентори средно придобиват по-силни хранителни потоци.

"В колонията, въпреки че може да изглежда, че даден индивид се отдалечава от един съсед, той всъщност се приближава към друг съсед", пише екипът. Това е логично от еволюционна гледна точка, "тъй като се очаква индивидите да търсят най-благоприятната енергийна печалба, като се свързват със съседен индивид, който им носи най-голяма полза".

"Може да се гледа на тях като на хора, които винаги се опитват да оптимизират доходите си", отбелязва Костело. А колонията като цяло получава повече храна.

Филм за проследяване на потока, показващ следите от частици, представляващи полето на потока на отделен стентор. Филмът се състои от изображения с максимален интензитет на Z-прожекцията през подвижен прозорец от 1,5 сек. Кредит: Shashank Shekhar, Emory University

Но все пак стенторите не са многоклетъчни. Колониите, които образуват, са краткотрайни; те се разпръскват дори само при удар на лабораторната маса. Ако индивидите имат колективна полза от съвместната си работа, защо се разделят отново?

Учените не знаят със сигурност. Но са забелязали, че когато дават на стенторите много храна, те с удоволствие остават прикрепени към стъклото и се хранят в колонии. Но когато храната им бъде отнета и стане оскъдна, стенторите се отделят и преминават към индивидуален режим на хранене.

"Хората също правят това", отбелязва Шекхар. "Когато има много ресурси и плячка, ние си сътрудничим и се кооперираме. Но когато ресурсите намалеят, всеки се оправя сам."

Ние не сме клонинги

В други модели на ранен многоклетъчен живот, като зелените водорасли Volvox cateri, клетките, които не са успели да се разделят правилно, в крайна сметка са развили матрица между тях, образувайки колония от генетично идентични клетки, които по-късно се диференцират. Но ефимерните колонии на стентори не са образувани от клонинги, а от генетично различни индивиди.

Ето защо учените смятат, че техният стенторски модел предхожда други модели на ранно многоклетъчно развитие (за което се смята, че е еволюирало поне 25 пъти в различни линии).

"Това е по-рано, много по-рано в еволюцията, когато щастливите единични клетки са си казали: Добре, нека да се държим заедно и да се възползваме, но след това отново да се върнем към това да бъдем самостоятелни. Многоклетъчността все още не е била трайно осъществена", обяснява Шекхар.

Справка: Cooperative Hydrodynamics Accompany Multicellular-like Colonial Organization in the Unicellular Ciliate Stentor, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02787-y

Източник:'She loves me, she loves me not': Physical forces encouraged evolution of multicellular life, scientists propose, Marine Biological Laboratory

Още по темата

27/05/2024

Космос

Многоклетъчният живот на Земята зависи от тектониката на плочите? (видео)

21/10/2019

Животът

Акробатичните хоанофлагелати обясняват как са еволюирали многоклетъчните

25/02/2019

Животът

Еволюция на живо: Как едноклетъчни се развиват в многоклетъчен организъм (видео)

29/03/2023

Животът

Многоклетъчният живот се е появявал многократно (видео)