Почему одноклеточный организм эволюционировал в многоклеточный?

Как возникла многоклеточность?

Это постоянная область исследований - некоторые идеи о происхождении многоклеточности.

Это большое постоянное поле исследований. Начнем с примера. Сравнительно недавно (2012 г.) была опубликована важная статья Ratcliff et al.это показывает, что дрожжи могут быстро развить многоклеточность под действием отбора в зависимости от скорости, с которой они погружаются в нижние слои воды. Эта статья — одна из многих других, и она далеко не в состоянии объяснить все, что мы хотели бы понять об эволюции многоклеточности. Как правило, я думаю, что у этого вида дрожжей был многоклеточный предок, и мы могли бы подумать, что этот вид уже имел фиксированные аллели (= фиксированные варианты генов, что означает, что вся популяция сегодня несет этот вариант) в популяции, предрасполагающей этот вид к легко (повторно) развивают многоклеточность. Кроме того, они, возможно, сохранили некоторую постоянную аддитивную генетическую изменчивость в своем геноме из своего прошлого, и поэтому они очень быстро реагируют на отбор, поскольку им не нужны мутации de novo. (Извините, если это последнее предложение было немного техническим).

Одним из первых признаков, на который мы обычно ссылаемся, когда говорим об эволюции многоклеточности, является наличие липких белков, позволяющих отдельным клеткам приклеиваться друг к другу.

Некоторые идеи об эволюции от простых многоклеточных к более сложным многоклеточным

Затем мы могли бы говорить о более сложных многоклеточных и рассуждать о том, как эти простые многоклеточные эволюционируют в более сложные организмы. Распространенным аргументом является то, что многоклеточные могут иметь специализированные клетки, которые очень хорошо умеют делать то, что они делают, поскольку они специализированы. Кроме того, считается, что некоторый уровень сложности повысился из-за того, что многоклеточные организмы, как правило, имеют меньший размер популяции, чем одноклеточные (см. Lynch and Conery, 2003 ). Важно не путать эволюцию сложности с эволюцией многоклеточности, хотя эти два понятия так или иначе связаны.

Что вы подразумеваете под многоклеточностью?

Эволюцию многоклеточности можно обсуждать в контексте, когда сестринские клетки вместе образуют организм или когда неродственные клетки (одного и того же вида или даже клетки разных видов) объединяются, чтобы сформировать организм. Кроме того, многоклеточность может обсуждаться на другом уровне в зависимости от того, как мы хотим определить многоклеточность. Является ли стопка клеток, воспроизводящихся по отдельности и работающих ради собственной выгоды, многоклеточной? Нужно ли нам разделение труда? Нужно ли нам разделение между зародышевой линией (репродуктивная каста) и соматической линией (нерепродуктивный случай)?

Сколько раз многоклеточность развивалась независимо?

Некоторые считают, что существуют многоклеточные бактерии (биопленки), но мы будем избегать дискуссий, основанных на определениях предельных случаев. Поговорим об эукариотах. Большинство эукариот являются одноклеточными, а многоклеточность эволюционировала много раз независимо у эукариот. Насколько мне известно, сложная многоклеточность эволюционировала только (всего?) 6 раз независимо у эукариот.

• Метазоа (животные)
• Аскомицеты (грибы)
• Базидиомицеты (грибы)
• Viridiplantae (зеленые растения)
• Florideophyceae (красные водоросли)
• Ламинария (бурые водоросли)

Модельные организмы и интересные случаи изучения многоклеточности

Существует множество конкретных клад, которые особенно заинтересованы в изучении многоклеточности, потому что они представляют собой переходные состояния. Например , Volvox является родом хлорофитов, и виды этой клады представляют разные стадии многоклеточности; Некоторые виды являются исключительно многоклеточными, некоторые образуют небольшие группы, некоторые создают большие колонии, у некоторых есть некоторое разделение труда, а у некоторых даже есть разделение между зародышевой линией и сомой (некоторые касты не размножаются). ( ссылка1 , ссылка2 , ссылка3 , ссылка4 , ссылка5 , ссылка6 ). Дрожжи также являются хорошим модельным организмом для изучения эволюции многоклеточности.

Во-первых, более крупные организмы гораздо более энергоэффективны. Это то, что известно как закон Клейбера, согласно которому потребность в калориях пропорциональна 3/4 мощности массы тела.

Другое дело, что когда все клетки кооперируются, образуя многоклеточный организм, каждый отдельный индивидуум с большей вероятностью размножается и с меньшей вероятностью умирает из-за изменчивости окружающей среды, потому что кооперация создает стабильность.

Есть несколько теорий о том, как это произошло , но это элементы того, почему . Сотрудничество и эффективность повышают шансы на выживание, то есть отбор будет благоприятствовать многоклеточным организмам, какими бы они ни были.

Disclaimer: Не моя область исследований, и не та область, где я хорошо знаю литературу. Смотрите это как дополнение к другим ответам.

Отличительным преимуществом многоклеточности являются специализированные функции разных клеток. Это может обеспечить более высокую эффективность, например, метаболических процессов, а также то, что избыточные функции могут быть удалены из некоторых клеточных линий, поскольку они могут выполняться другими клетками. Поэтому составные части могут упрощаться, а получившийся организм в то же время усложняться. Математическое моделирование клеточных систем показало, как этот тип разделения труда может развиваться от одноклеточных линий ( Исполатов и др., 2011 ) через этапы агрегации и дифференциации от ранее существовавших функций.

Интересный промежуточный этап, который может пролить свет на то, как может развиваться многоклеточность, находится у цианобактерий, где некоторые одноклеточные виды могут демонстрировать частичную специализацию, например, будучи частью клеточных биопленок. Филогенетическое исследование цианобактерий также показало, что они переходили от многоклеточности к одноклеточности не менее пяти раз, и большинство существующих цианобактерий, по-видимому, произошли от многоклеточных предков ( Schirrmeister et al. 2011 ). Это означает, что эволюция многоклеточности — это не односторонний процесс, а, по-видимому, гораздо более сложный процесс.

Я НАСТОЯТЕЛЬНО рекомендую прочитать работу лаборатории Николь Кинг — она изучает хоанофлагеллят, которые являются «внешней группой» для животных — они в некотором смысле являются наиболее похожими на животных одноклеточными организмами из существующих.

Хаоносы также удивительны, потому что они проходят через переход от одноклеточного к многоклеточному в своем собственном жизненном цикле , поэтому они предоставляют удивительную возможность понять, когда более выгодно быть одноклеточным, чем многоклеточным. В настоящее время одна из рабочих гипотез группы состоит в том, что одним из основных двигателей толчка к многоклеточности могла быть как раз простая гидродинамика: потоки вокруг сферической многоклеточной «розетки» хаоносов приносят им больше пищи.

Если вас интересует эволюционный переход к многоклеточности, вы должны прочитать работу King Group .

Если отдельные клетки способны выживать сами по себе, то почему возникла многоклеточность?

Эту ситуацию можно в некотором роде сравнить с эволюцией семьи и общества; во время кризиса шансы на выживание увеличиваются, когда кто-то остается в группе.

Подобные условия привели бы к эволюции многоклеточности. Разница между настоящим многоклеточным и просто группой клеток заключается в том, что при многоклеточности отдельные клетки не могут выжить в отсутствие других. Более того, разные клетки в многоклеточном организме выполняют разные функции. Однако весьма вероятно, что группировка без сильной зависимости представляла бы собой ранние стадии эволюции многоклеточности.

Одним из сложных видов микробных колоний является биопленка . В биопленке разные «области» колонии выполняют разные функциональные роли; «внешние» клетки поглощают питательные вещества для колонии из окружающей среды, тогда как внутренние клетки размножаются и поддерживают процветание колонии. Бактерии также развили способ передачи сигналов (или «разговора») с другими бактериями (того же вида) с помощью механизма, известного как ощущение кворума , который некоторым образом меняет поведение бактерий, когда они остаются в группе.

Диктиостелиум или слизевики (или ласково называемые дикти:) ) является примером ранней эволюции многоклеточности у эукариот. Когда еды много, диктия остается одноклеточной амебой. Однако при нехватке пищи диктиевые амебы начинают группироваться и дают начало многоклеточным «слизнякам». Дикти-слизень бродит вокруг, и когда он сталкивается с подходящими условиями (например, с влажностью), он дифференцируется, чтобы дать начало «плодовому телу», которое более или менее похоже на грибковую спору. В плодовом теле некоторые клетки образуют споры (которые будут производить новые дикты), тогда как некоторые клетки образуют стебель (который поддерживает споры). По-видимому, выбор того, какой частью станет клетка, является случайным, и на этой стадии отдельные диктные амебы уже не эгоистичны.

                 

---

^{Взято из Википедии}

Volvox — еще один пример ранней стадии многоклеточной эволюции.

Подводя итог, как вы сказали, отдельные клетки вполне могут выжить сами по себе. Однако в некоторых ситуациях многоклеточность давала организму некоторые преимущества в плане выживания. Вы должны понимать, что это всего лишь одна из стратегий выживания, и не все организмы должны ее принять. На самом деле одноклеточных видов на планете намного больше, чем многоклеточных.

Я хотел бы повторить предложение Реми о том, что вам следует заглянуть на этот сайт под названием Understanding Evolution, организованный Калифорнийским университетом в Беркли .

Вы также можете посмотреть этот пост на нашем сайте о постоянном сомнении, с которым сталкиваются многие студенты и неспециалисты в области эволюции: « Почему некоторые плохие черты эволюционируют, а хорошие нет? »

По той же причине, по которой социальность так много раз развивалась среди животных. Есть много преимуществ в том, чтобы иметь подобных парней. А многоклеточные организмы — это ведь всего лишь колония, иногда общество отдельных клеток.

Эукариоты, ставшие современными органеллами митохондрий, объединились с прокариотами. Это, вероятно, произошло в результате того, что митохондрии были поглощены родительской клеткой, но не разрушены, поскольку она с пользой создавала богатые энергией молекулы АТФ, используя кислород и воду посредством дыхания.

Это были первые эукариотические клетки, они стали эукариотической, многоклеточной жизнью.

Различные преимущества для эукариот, становящихся многоклеточными, включают:

Отношение объема к площади поверхности клетки дает клеткам естественный размер в несколько микрометров. Более крупным одиночным клеткам становится все труднее поглощать достаточное количество питательных веществ или кислорода для объема цитоплазмы.

Амебы могут быть больше из-за того, что они настолько неправильной формы, что это гарантирует, что нигде внутри клетки они не будут слишком далеко от поверхности клеток. В богатых питательными веществами частях глубокого океана, таких как Valonia Ventricosa, также существуют различные более сферические одноклеточные организмы сантиметрового масштаба.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Валония_вентрикоса

Еще одно преимущество заключается в том, что между клетками могут образовываться структуры за пределами клеточных стенок, которые все еще могут быть защищены внутри тела существа. Такая соединительная сеть у животных называется внеклеточным матриксом.

https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/cells/cytoskeleton/v/introduction-to-cytoskeleton

Обратите внимание, что такие существа, как морская губка, многоклеточны, но не имеют отдельных частей тела, таких как органы, как у животных.

«Гены, которые я обсуждаю в своей статье, не присутствовали у общего предка всего живого на Земле. Их нет, например, у бактерий. Их нет даже (насколько известно ученым) у губок. из книдарий и билатерий отделились от губок, если они появились». (Планета вирусов, Карл Циммер) Это цитата, которую я мог найти, насколько я помню, относящаяся к «бодибилдингу» у многих существ, но не у морской губки.