Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


А. Бердников
Вдоль по лунной дорожке


В. Бабицкая, С. Горбунов
Как и зачем птицы общаются с охотниками за медом


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир


У. Айзексон
«Инноваторы». Глава из книги


Н. Резник
Жираф большой, ему видней, и сам он хорошо заметен


М. Софер
Куда уходит лето?


С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


В. Мацарский
Разгневанный Эйнштейн и «темный» рецензент







Главная / Новости науки версия для печати

Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток


Плодовые тела <i>Dictyostelium discoideum</i> на агаре\n
Плодовые тела Dictyostelium discoideum на агаре; оставляют потомство только клетки, оказавшиеся сверху, в спорангиях, а клетки ножки остаются бесплодными. Фото из обсуждаемой статьи в PNAS

Американские ученые исследовали эффективность размножения у социальных амеб. Они сравнили темпы появления клеток-обманщиков и эффективность размножения в ассоциациях генетически разнородных и однородных клеток. Выяснилось, что в однородных ассоциациях клетки-обманщики появляются исключительно редко, зато в разнородных ассоциациях это явление задает тон. Эгоистичные обманщики выигрывают в конкурентной борьбе, и их появление поддерживается отбором. Ученые полагают, что это различие объясняет, почему многоклеточность сформировалась на основе развития одной клетки, а не на базе сборных клеточных консорциумов.

Группа американских ученых под руководством Давида Квеллера из Университета Райса продолжает исследование закономерностей социальной жизни общественных амеб Dictyostelium discoideum. Dictyostelium discoideum является представителем довольно обширного рода амеб, включающего еще около сотни видов. Этот род живет в почве, в листовом опаде, его можно встретить повсюду в северном полушарии; подобно другим амебам, он питается бактериями. Эти одноклеточные амебы служат излюбленной моделью для изучения законов социальной жизни и становления многоклеточности. Последнее, очевидно, является крайней степенью социальности, когда действия каждого индивидуума жестко подчинены интересам всего коллектива.

Диктиостелиум в благоприятной обстановке живет в виде отдельных клеток, каждая из которых делится и питается. Но зато при голодании клетки собираются вместе и сообща формируют плодовое тело (как диктиостелиум формирует плодовое тело, можно увидеть здесь).

Клетки диктиостелиума начинают собираться в многоклеточный агрегат
Клетки диктиостелиума начинают собираться в многоклеточный агрегат. Сигналом к началу сборки является повышенная концентрация экстраклеточного цАМФ. Фото с сайта dictybase.org

Плодовое тело ведет себя как многоклеточный организм: у него имеется стебелек или ножка, на которой сидят генеративные клетки, дающие споры. Потомство оставляет только генеративная часть плазмодия, а клетки стебелька потомства не оставляют. Эгоистические интересы требуют, чтобы каждая клетка изо всех сил стремилась попасть наверх, в спорангий, а насущные задачи общества подразумевают, что часть клеток альтруистически пожертвует возможностью оставить потомство и останется в ножке. Чтобы плазмодий существовал сколько-нибудь длительное время, в популяции клеток должно поддерживаться определенное соотношение эгоистов и альтруистов, причем последних не должно быть слишком мало. Или же они, как показали предыдущие исследования группы Квеллера, должны уметь эффективно бороться с эгоистами (см.: Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009).

Однако есть еще один способ бороться с эгоизмом в многоклеточных коллективах. И способ этот исключительно эффективный, из всех вариантов он, по всей видимости, наилучший. Этот способ заключается в том, чтобы создавать организм — в данном случае плодовое тело — из одинаковых по своей генетике клеток. В этом случае конкуренция исключается, никто никого не обманывает, оркестр клеток под управлением единого генетического кода хором организует плодовое тело, и в итоге споры получаются с известным генетическим наполнением. Задача успешно выполнена. Эта гипотеза очень красиво объясняет, почему настоящая многоклеточность возникла на основе одноклеточного старта. Ведь есть и другая возможность — многоклеточный организм собирается как консорциум разнородных клеток с единой задачей. Наш плазмодиум как раз из этих последних. Ученые провели эксперименты, в которых продемонстрировали победу коллективизма над эгоизмом при генетическом единообразии. Иными словами, они экспериментально, а не теоретически, доказали действенность генетического родства при образовании многоклеточного организма.

Плодовые тела диктиостелиума могут по желанию экспериментаторов собираться из разнородных или из генетически однородных клеток. Пусть, например, колонии клеток начинает одна клетка-предшественница. Именно так и начали свой эксперимент ученые — с единственной клетки. Она делится, и через несколько поколений ее многочисленных потомков можно рассаживать, они сами станут родоначальниками нескольких линий. Примерно таким образом все происходит и в природе. С другой стороны, экспериментатор может случайным образом выбирать из какой-то одной линии одну спору и давать ей размножиться. Поскольку мутационный процесс идет постоянно, то в первом случае на основе предкового генома формируются разнородные по генетике плодовые тела. Во втором случае — однородные, ведь, несмотря на мутации, для размножения выбиралась только одна клетка с конкретным геномом. В первом случае клетки амеб конкурируют друг с другом за право оставить потомство — такова эгоистическая задача каждой клетки. В результате некоторые из них учатся (то есть приобретают соответствующие мутации) выбирать наилучшее место (в спорангии, а не в ножке), так что потомство они оставляют всегда. Зато ножку такие эгоисты сформировать уже не могут, и если бы не их товарищи-альтруисты, то они не оставили бы потомства. Такие клетки ученые назвали облигатными эгоистами или облигатными обманщиками: они обманывали своих товарищей по плазмодию, вынужденных жертвовать тела на постройку ножки. Зато во втором случае такие обманщики могли появиться только в результате случайного выбора экспериментатором мутантной клетки. Случайность эта характеризует темпы или скорость возникновения подобных «эгоистических» мутаций. Как выяснилось, она весьма и весьма невысока. Ученые высевали по одной клетке в 90 линиях и прослеживали по 1000 клеточных делений в каждой линии, не доводя дела до постройки плодового тела. Это 90000 возможностей мутировать! — кстати, представьте колоссальный объем лаборантской работы. И даже тогда не появилось ни одного клона, не способного собраться и построить плодовое тело. Поэтому ясно, что социальные обманщики появляются в подавляющем своем большинстве за счет отбора успешных эгоистов.

Если развитие начинать каждый раз с одной клетки, то вероятность возникновения подобной мутации остается около 4,1×10–5 на одну генерацию, то есть обманщики в плодовом теле диктиостелиума (10–17 клеточных делений) появятся с вероятностью около 0,001; для синего кита (60 делений) соответствующие расчеты дадут вероятность 0,003. Не так уж много по сравнению с вариантами, где клеточный консорциум собирается из разнородных клеток. Там цифры примерно такие. В среднем 31(±25)% не могут образовать плодовых тел. Иными словами, в среднем 31% всех клеток (разброс вокруг среднего достаточно высок) изменились таким образом, что без помощи товарищей не могут сформировать стебелек и спорангий. Являются ли они обманщиками? Тесты показывают, что три четверти являются, а четверть не может оставлять потомства из-за каких-то других мутаций.

Чем больше обманщиков в популяции, тем меньше в целом такой плазмодий дает спор, то есть популяции невыгодно содержать большую армию обманщиков. Если в популяции обманщиков становится более 70%, то продукция спор снижается примерно вдвое. Таковы эмпирические данные. Это исследование безоговорочно доказывает, что организм, сложенный родственными клетками, более успешен, чем организм, собранный разными по генетике клетками, — гомогенность исключает эгоистическую конкуренцию. Некоторые предыдущие эксперименты свидетельствуют о том, что амебы стараются собираться вместе родственными группами, то есть формировать плодовые тела из родственных клеток. В процессе сортировки родственных и неродственных клеток участвуют гены, отвечающие за адгезию, или слипание, клеток.

Источники:
1) Jennie J. Kuzdzal-Fick, Sara A. Fox, Joan E. Strassmann, David C. Queller. High Relatedness Is Necessary and Sufficient to Maintain Multicellularity in Dictyostelium // Science. 16 December 2011. V. 334. No. 6062. P. 1548–1551.
2) Joan E. Strassmann, David C. Queller. Evolution of cooperation and control of cheating in a social microbe (полный текст — PDF, 373 Кб) // PNAS. 28 June 2011. V. 108. Suppl 2. P. 10855–62. Doi: 10.1073/pnas.1102451108.

Елена Наймарк


Комментарии (1)



Последние новости: МикробиологияПсихологияЕлена Наймарк

21.09
В условиях антропогенного шума летучие мыши перестают полагаться на слух
13.09
Эволюционный эксперимент показал, где и как появляются наиболее приспособленные особи
5.09
Найдены строматолиты возрастом 3,7 млрд лет — древнейшие следы жизни на Земле
6.07
Метанокисляющие микроорганизмы донных осадков оказались неожиданно разнообразными
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
8.06
Новые древние остатки людей с острова Флорес говорят о родстве «хоббитов» с эректусами

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия