Многоклеточный организм – это организм , состоящий более чем из одной клетки , в отличие от одноклеточного организма . [1] Все виды животных , наземных растений и большинство грибов , как и многие водоросли , являются многоклеточными , тогда как некоторые организмы являются частично одно- и частично многоклеточными, например, слизевики и социальные амебы, такие как род Dictyostelium . [2] [3]
Многоклеточные организмы возникают различными путями, например, путем деления клеток или путем агрегации множества одиночных клеток. [4] [3] Колониальные организмы возникают в результате объединения множества одинаковых особей в колонию . Однако часто бывает трудно отличить колониальные простейшие от настоящих многоклеточных организмов, поскольку эти две концепции не различны; Колониальные протисты получили название «многоклеточных», а не «многоклеточных». [5] [6] Существуют также макроскопические организмы, которые являются многоядерными , хотя технически одноклеточными, например, ксенофиофорея , которая может достигать 20 см в длину.
Многоклеточность независимо развивалась по крайней мере 25 раз у эукариот , [7] [8] , а также у некоторых прокариот , таких как цианобактерии , миксобактерии , актиномицеты , Magnetoglobus multicellis или Methanosarcina . [3] Однако сложные многоклеточные организмы развились только в шести группах эукариот: животные , симбиомикотановые грибы , бурые водоросли , красные водоросли , зеленые водоросли и наземные растения . [9] Он неоднократно эволюционировал у хлоропластид (зеленых водорослей и наземных растений), один раз у животных, один раз у бурых водорослей, трижды у грибов ( хитриды , аскомицеты и базидиомицеты ) [10] и, возможно, несколько раз у слизевиков и красных грибов. водоросли. [11] Первые свидетельства многоклеточной организации, когда одноклеточные организмы координируют поведение и могут быть эволюционным предшественником истинной многоклеточности, получены от цианобактерийных организмов, которые жили 3,0–3,5 миллиарда лет назад. [7] Чтобы размножаться, настоящие многоклеточные организмы должны решить проблему регенерации целого организма из зародышевых клеток (т.е. сперматозоидов и яйцеклеток ), проблема, которая изучается в эволюционной биологии развития . У животных в многоклеточном организме развилось значительное разнообразие типов клеток (100–150 различных типов клеток) по сравнению с 10–20 у растений и грибов. [12]
В некоторых группах произошла потеря многоклеточности. [13] Грибы преимущественно многоклеточные, хотя ранние дивергентные линии в основном одноклеточные (например, Microsporidia ), и у грибов наблюдались многочисленные возвраты к одноклеточности (например, Saccharomycotina , Cryptococcus и другие дрожжи ). [14] [15] Это также могло произойти у некоторых красных водорослей (например, Porphyridium ), но они могут быть примитивно одноклеточными. [16] Утрата многоклеточности также считается вероятной у некоторых зеленых водорослей (например, Chlorella vulgaris и некоторых Ulvophyceae ). [17] [18] В других группах, обычно паразитах, произошло снижение многоклеточности, количества или типов клеток (например, миксозойные организмы , многоклеточные организмы, которые ранее считались одноклеточными, вероятно, являются чрезвычайно редуцированными книдариями ). [19]
Многоклеточные организмы, особенно долгоживущие животные, сталкиваются с проблемой рака , который возникает, когда клетки не могут регулировать свой рост в рамках нормальной программы развития. Во время этого процесса можно наблюдать изменения в морфологии тканей. Рак у животных ( многоклеточных животных ) часто описывается как потеря многоклеточности. [20] Ведется дискуссия о возможности существования рака у других многоклеточных организмов [21] [22] или даже у простейших . [23] Например, галлы растений характеризуются как опухоли , [24] но некоторые авторы утверждают, что растения не развивают рак. [25]
В некоторых многоклеточных группах, которые называются вейсманистами , возникло разделение на стерильную линию соматических клеток и линию зародышевых клеток . Однако вейсманистское развитие встречается относительно редко (например, у позвоночных, членистоногих, вольвоксов ), так как значительная часть видов обладает способностью к соматическому эмбриогенезу (например, наземные растения, большинство водорослей, многие беспозвоночные). [26] [10]
Одна из гипотез происхождения многоклеточности заключается в том, что группа клеток со специфическими функциями объединилась в слизнеобразную массу, называемую грексом , которая двигалась как многоклеточная единица. По сути, это то, что делают слизевики . Другая гипотеза состоит в том, что примитивная клетка подверглась делению ядра, став, таким образом, ценоцитом . Затем вокруг каждого ядра (а также клеточного пространства и органелл, занимающих это пространство) образуется мембрана, в результате чего в одном организме образуется группа связанных клеток (этот механизм наблюдается у дрозофилы ). Третья гипотеза заключается в том, что при разделении одноклеточного организма дочерние клетки не смогли разделиться, что привело к скоплению идентичных клеток в одном организме, из которого впоследствии могли развиться специализированные ткани. Это то, что делают эмбрионы растений и животных , а также колониальные хоанофлагелляты . [27] [28]
Поскольку первые многоклеточные организмы были простыми, мягкими организмами, лишенными костей, панциря или других твердых частей тела, они плохо сохранились в летописи окаменелостей. [29] Единственным исключением может быть демогубка , которая, возможно, оставила химический след в древних камнях. Самые ранние окаменелости многоклеточных организмов включают спорную Grypania спиральную и окаменелости черных сланцев палеопротерозойской формации франвильской группы ископаемых B в Габоне ( Gabonionta ). [30] В формации Доушантуо обнаружены микроокаменелости возрастом 600 миллионов лет с признаками многоклеточного строения. [31]
До недавнего времени филогенетическая реконструкция осуществлялась на основе анатомического (особенно эмбриологического ) сходства. Это неточно, поскольку живые многоклеточные организмы, такие как животные и растения, произошли от своих одноклеточных предков более чем на 500 миллионов лет назад. Такой ход времени позволяет как дивергентному , так и конвергентному времени эволюции имитировать сходства и накапливать различия между группами современных и вымерших предковых видов. Современная филогенетика использует сложные методы, такие как аллоферменты , сателлитная ДНК и другие молекулярные маркеры, для описания признаков, общих для отдаленно родственных линий. [ нужна цитата ]
Эволюция многоклеточности могла происходить несколькими путями, некоторые из которых описаны ниже:
Эта теория предполагает, что первые многоклеточные организмы возникли в результате симбиоза (сотрудничества) разных видов одноклеточных организмов, каждый из которых выполнял разные роли. Со временем эти организмы станут настолько зависимыми друг от друга, что не смогут выжить независимо, что в конечном итоге приведет к объединению их геномов в один многоклеточный организм. [32] Каждый соответствующий организм станет отдельной линией дифференцированных клеток внутри вновь созданного вида. [ нужна цитата ]
Этот вид строго взаимозависимого симбиоза можно часто наблюдать, например, во взаимоотношениях между рыбами-клоунами и морскими анемонами Ритерри . В этих случаях крайне сомнительно, что какой-либо вид выживет очень долго, если другой вымрет. Однако проблема этой теории заключается в том, что до сих пор неизвестно, как ДНК каждого организма может быть включена в один геном , чтобы образовать их как единый вид. Хотя теоретически такой симбиоз имел место (например, митохондрии и хлоропласты в животных и растительных клетках — эндосимбиоз ), он происходил лишь крайне редко, и даже тогда геномы эндосимбионтов сохраняли элемент различия, отдельно реплицируя свою ДНК. во время митоза вида-хозяина. Например, два или три симбиотических организма, образующих сложный лишайник , хотя выживание и зависят друг от друга, должны размножаться по отдельности, а затем переформироваться, чтобы снова создать один индивидуальный организм. [ нужна цитата ]
Эта теория утверждает, что один одноклеточный организм с несколькими ядрами мог иметь внутренние мембранные перегородки вокруг каждого из своих ядер. [33] Многие протисты, такие как инфузории или слизевики , могут иметь несколько ядер, что подтверждает эту гипотезу . Однако простого наличия нескольких ядер недостаточно для подтверждения теории. Множественные ядра инфузорий неодинаковы и имеют четко дифференцированные функции. Макроядро служит потребностям организма, а микроядро используется для полового размножения с обменом генетического материала . Синцитии слизевиков образуются из отдельных амебоидных клеток, как и синцитиальные ткани некоторых многоклеточных организмов, а не наоборот. Чтобы считаться обоснованной, эта теория нуждается в наглядном примере и механизме образования многоклеточного организма из ранее существовавшего синцития. [ нужна цитата ]
Колониальная теория Геккеля , 1874, предполагает, что симбиоз многих организмов одного вида (в отличие от симбиотической теории, предполагающей симбиоз разных видов) привел к образованию многоклеточного организма. По крайней мере, у некоторых, предположительно возникших на суше, многоклеточность возникает в результате разделения клеток, а затем воссоединения (например, клеточные слизевики ), тогда как для большинства многоклеточных типов (тех, которые развились в водной среде) многоклеточность возникает как следствие отказа клеток. выделить следующее подразделение. [34] Механизм формирования последней колонии может быть таким же простым, как неполный цитокинез , хотя многоклеточность также обычно считается связанной с клеточной дифференцировкой . [35]
Преимущество гипотезы колониальной теории состоит в том, что она встречается независимо в 16 различных типах протоктистана. Например, во время нехватки пищи амеба Dictyostelium группируется в колонию, которая как одна перемещается на новое место. Некоторые из этих амеб затем слегка дифференцируются друг от друга. Другими примерами колониальной организации у протистов являются Volvocaceae , такие как Eudorina и Volvox , последний из которых состоит из до 500–50 000 клеток (в зависимости от вида), лишь часть из которых размножается. [36] Например, у одного вида размножаются 25–35 клеток, 8 – бесполым и около 15–25 – половым. Однако часто бывает трудно отличить колониальные простейшие от настоящих многоклеточных организмов, поскольку эти две концепции не различны; Колониальные протисты получили название «многоклеточных», а не «многоклеточных». [5]
Некоторые авторы предполагают, что возникновение многоклеточности, по крайней мере у Metazoa, произошло вследствие перехода от временной к пространственной дифференцировке клеток , а не путем постепенной эволюции клеточной дифференцировки, как утверждается в теории гастреи Геккеля . [37]
Около 800 миллионов лет назад [38] незначительное генетическое изменение в одной молекуле, называемой доменом взаимодействия с гуанилаткиназой белка (GK-PID), возможно, позволило организмам перейти от одноклеточного организма к одной из многих клеток. [39]
Недавно было установлено, что гены, заимствованные у вирусов и мобильных генетических элементов (МГЭ), играют решающую роль в дифференцировке многоклеточных тканей и органов и даже в половом размножении, в слиянии яйцеклеток и сперматозоидов. [40] [41] Такие слитые клетки также участвуют в мембранах многоклеточных животных, например, в тех, которые предотвращают проникновение химических веществ через плаценту и разделение тела мозга. [40] Были идентифицированы два вирусных компонента. Первый — синцитин , который произошел от вируса. [42] Второй, идентифицированный в 2007 году, называется EFF1, который помогает формировать кожу Caenorhabditis elegans , части целого семейства белков FF. Феликс Рей из Института Пастера в Париже построил трехмерную структуру белка EFF1 [43] и показал, что он выполняет работу по связыванию одной клетки с другой при вирусных инфекциях. Тот факт, что все известные слитые клетки молекулы имеют вирусное происхождение, предполагает, что они были жизненно важны для систем межклеточной коммуникации, которые сделали возможным многоклеточное существование. Без способности к слиянию клеток могли бы образоваться колонии, но что-то даже столь сложное, как губка, было бы невозможно. [44]
Эта теория предполагает, что кислород, доступный в атмосфере ранней Земли, мог быть ограничивающим фактором для возникновения многоклеточной жизни. [45] Эта гипотеза основана на корреляции между возникновением многоклеточной жизни и увеличением уровня кислорода в это время. Это должно было произойти после Великого события окисления , но до недавнего повышения уровня кислорода. Миллс [46] заключает, что количество кислорода, присутствовавшее во время эдиакарского периода , не было необходимым для сложной жизни и, следовательно, вряд ли было движущим фактором возникновения многоклеточности. [ нужна цитата ]
Земля-снежок — это геологическое явление, при котором вся поверхность Земли покрыта снегом и льдом. Этот термин может относиться либо к отдельным событиям (которых было как минимум два), либо к более крупному геологическому периоду, в течение которого произошли все известные полные оледенения.
Самый последний снежный ком на Земле произошел в криогенный период и состоял из двух глобальных событий оледенения, известных как Стуртовское и Мариноское оледенения. Сяо и др . [47] предполагают, что между периодом времени, известным как « Скучный миллиард » и Землей-снежком, простая жизнь могла успеть обновиться и развиться, что позже могло привести к эволюции многоклеточности.
Гипотеза Земли-снежка в отношении многоклеточности предполагает, что криогенный период в истории Земли мог стать катализатором эволюции сложной многоклеточной жизни. Брокс [48] предполагает, что время между стуртским ледниковым периодом и более поздним мариноским ледниковым периодом позволило планктонным водорослям доминировать в морях, открывая путь быстрому разнообразию жизни как растений, так и животных. Сложная жизнь быстро возникла и разнообразилась в ходе так называемого Кембрийского взрыва вскоре после Маринойского взрыва. [ нужна цитата ]
Гипотеза хищничества предполагает, что, чтобы избежать поедания хищниками, простые одноклеточные организмы развили многоклеточность, чтобы их было труднее съесть в качестве добычи. Херрон и др. [49] провели лабораторные эксперименты по эволюции одноклеточной зеленой водоросли Chlamydomonas Reinhardtii , используя парамеций в качестве хищника. Они обнаружили, что в присутствии этого хищника C. Reinhardtii действительно приобретает простые многоклеточные особенности. [ нужна цитата ]
Невозможно узнать, что произошло, когда отдельные клетки превратились в многоклеточные организмы сотни миллионов лет назад. Однако мы можем выявить мутации , способные превратить одноклеточные организмы в многоклеточные. Это продемонстрировало бы возможность такого события. Одноклеточные виды могут относительно легко приобретать мутации, которые заставляют их прикрепляться друг к другу, что является первым шагом на пути к многоклеточности. Этот процесс у дрожжей получил название флокуляции , и одним из первых дрожжевых генов, вызывающих этот фенотип, является FLO1. [50] Совсем недавно направленная эволюция более 3000 поколений, отбирающих многоклеточные дрожжи, выявила множество генов, которые приводят к клеточному прикреплению и макроскопическим образованиям дрожжевых клеток. [51] Это демонстрирует фундаментальную возможность превращения одноклеточных организмов в многоклеточные посредством мутаций и отбора.
Многоклеточность позволяет организму превышать пределы размера, обычно налагаемые диффузией : отдельные клетки увеличенного размера имеют уменьшенное соотношение поверхности к объему и испытывают трудности с поглощением достаточного количества питательных веществ и транспортировкой их по клетке. Таким образом, многоклеточные организмы обладают конкурентными преимуществами увеличения размеров без каких-либо ограничений. Они могут иметь более длительную продолжительность жизни, поскольку могут продолжать жить, даже когда отдельные клетки умирают. Многоклеточность также позволяет увеличивать сложность, позволяя дифференцировать типы клеток внутри одного организма. [ нужна цитата ]
Однако можно ли рассматривать все это как преимущества, остается спорным: подавляющее большинство живых организмов являются одноклеточными, и даже с точки зрения биомассы одноклеточные организмы гораздо более успешны, чем животные, хотя и не растения. [52] Вместо того, чтобы рассматривать такие черты, как более продолжительная продолжительность жизни и больший размер, как преимущество, многие биологи рассматривают их только как примеры разнообразия с соответствующими компромиссами. [ нужна цитата ]
В ходе эволюционного перехода от одноклеточных организмов к многоклеточным, вероятно, изменилась экспрессия генов , связанных с размножением и выживанием. [53] В одноклеточном состоянии гены, связанные с размножением и выживанием, экспрессируются таким образом, что улучшает приспособленность отдельных клеток, но после перехода к многоклеточному состоянию характер экспрессии этих генов должен был существенно измениться, чтобы отдельные клетки стали более специализированы в своих функциях относительно воспроизводства и выживания. [53] С появлением многоклеточного организма модели экспрессии генов стали разделены между клетками, специализирующимися на размножении ( клетки зародышевой линии ), и клетками, специализирующимися на выживании ( соматические клетки ). По мере того, как переход прогрессировал, клетки, которые специализировались, имели тенденцию терять свою индивидуальность и больше не могли ни выживать, ни воспроизводиться вне контекста группы. [53]
{{cite journal}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )