Карл Никлас (Корнельский университет, Итака, Нью-Йорк), биолог-эволюционист растений, интересуется, как растения изменились за последние несколько миллионов лет, в частности, их размер, форма, структура и размножение. В качестве первой статьи в серии статей Centennial Review, посвященных 100-летию Американского журнала ботаники, Niklas рассматривает историю многоклеточности и изменения, которые должны были пройти клетки, например аспекты их формы, функции, структуры. , и развитие — для того, чтобы иметь возможность функционально объединяться с другими клетками. Он также исследует основные движущие силы и ограничения (от естественного отбора до генетики и физических законов), которые влияют на эволюцию многоклеточности.
Будучи студентом, Никлас начал интересоваться математикой, но затем обратился к изучению растений из-за их «математической структуры».«Многоклеточность — это фундаментальное эволюционное достижение, которое поддается математическому описанию», — комментирует Никлас, — «многоклеточное достижение происходило несколько раз в разных линиях растений."
Действительно, независимо от того, как это определяется, ученые согласны с тем, что многоклеточность возникала несколько раз во многих кладах. Определяемое в самом широком смысле, как совокупность клеток, многоклеточность эволюционировала по крайней мере в 25 клонах. Однако даже при более строгом определении — требующем, чтобы клетки были связаны, общались и сотрудничали тем или иным образом — он все еще заметно эволюционировал один раз у животных, три раза в грибах, шесть раз в водорослях и несколько раз в бактериях.
Многоклеточность могла быть достигнута много раз, исходя из предположения, что отбор влияет на фенотипы и насколько хорошо работают определенные комбинации признаков. Другими словами, даже если клетки слипаются друг с другом, используя разные механизмы или разные пути развития, если результатом являются кооперативные скопления клеток, которые хорошо функционируют и, таким образом, могут лучше выживать и, что особенно важно, производить больше потомства, чем их одноклеточные аналоги, тогда все эти различные пути эволюции могли быть возможны.
«Критический момент, — подчеркивает Никлас, — состоит в том, что эволюция многоклеточных организмов происходила многократно и включала различные« мотивы »развития, такие как химия« клеев », которые позволяют клеткам слипаться."
Безусловно, одна из тем, которую Никлас подчеркивает в своем обзоре, заключается в том, что естественный отбор воздействует на функциональные признаки, поэтому многоклеточность могла развиваться много раз с помощью различных механизмов и способов развития и с использованием различных аспектов клеточной биологии.
Однако есть определенные требования, которые должны быть соблюдены для развития многоклеточности.
К ним относятся, что клетки должны прилипать, общаться и сотрудничать друг с другом, и что клетки должны специализироваться в своих функциях (i.е., что не все клетки делают одно и то же, иначе они были бы просто группой клеток или колонией). Чтобы это произошло, клетки не должны отвергать друг друга. Другими словами, они должны быть в некоторой степени генетически совместимыми — аналогично тому, как наши человеческие тела отвергают посторонние предметы, которые не распознаются нашими клетками.
Этот первый шаг называется «выравнивание пригодности»."
Интересно, что для этого «выравнивания пригодности» требуется «узкое место» или одноклеточная стадия, когда организм состоит только из одной клетки — споры, зиготы или одноядерного бесполого отростка. Это необходимо для того, чтобы все последующие клетки имели одинаковый генетический материал.
Этап «экспорта пригодности» — это второй шаг, необходимый для эволюционного процесса многоклеточности.
Это требует, чтобы клетки работали вместе для достижения общей цели — воспроизводства более сплоченных единиц или индивидуумов, похожих на них самих, и, таким образом, согласованно работали над повышением их приспособленности. Как только это будет достигнуто, появится особый фенотип или форма организма.
То, как именно такие этапы, как межклеточная адгезия или коммуникация, были достигнуты у растений, животных, грибов и водорослей, различается среди основных клад эукариот, но важным аспектом является то, что все эти многоклеточные организмы прошли одинаковую серию этапов на своем пути. способ стать многоклеточными, функциональными организмами.
Как говорит Никлас: «Эту конвергентную эволюцию хорошо резюмирует поговорка:« В Рим много дорог, но Рим уже не тот, что был раньше »."
Фактически, эти стадии можно сопоставить с теоретически возможными планами тела, иллюстрирующими наиболее правдоподобную серию эволюционных шагов — от одноклеточных до колониальных и многоклеточных — которые наблюдаются у водорослей, наземных растений и животных.
Никлас также предлагает возможный альтернативный путь эволюции, начиная с одной клетки, содержащей несколько ядер (e.грамм., от сифонной до многоклеточной формы) и находит подтверждение этому в наблюдаемых формах некоторых грибов и водорослей.
«Этот обзор литературы привлек мое внимание к« сотрудничеству », — заключает Никлас, — потому что многоклеточность требует, чтобы клетки работали вместе. Нельзя мириться с обманом клеток в долгосрочной перспективе, потому что, как рак, они могут взять верх и убить многоклеточный организм."