Физические силы могли повлиять на эволюцию многоклеточной жизни

Исследование, проведенное в Морской биологической лаборатории (MBL), проливает свет на возможные физические механизмы, способствовавшие переходу от одноклеточных форм жизни к многоклеточным. В центре внимания оказался Stentor — крупный одноклеточный организм, способный формировать временные колонии. Ученые обнаружили, что такие колонии демонстрируют кооперативное поведение, усиливающее эффективность питания, что могло стать одним из ключевых факторов в эволюции многоклеточности.

Stentor и его колонии: динамика кооперации

Stentor — это одноклеточный организм, достигающий 2 мм в длину. В естественной среде он прикрепляется к субстрату (например, листьям) и создает водовороты с помощью ресничек, направляя воду с бактериями и другой добычей в свой ротовой аппарат. В лабораторных условиях Stentor спонтанно формирует колонии, где особи не срастаются, но их фиксаторы соприкасаются.

Исследователи измерили потоки жидкости вокруг колоний и выяснили, что два соседних Stentor могут удвоить скорость потока воды, увеличивая количество захватываемой пищи. Это происходит благодаря усилению вихревых потоков, которые затягивают добычу с большего расстояния. Однако выгоды распределяются неравномерно: более слабые особи получают больше преимуществ от соседства, чем сильные.

«Она любит меня, она не любит меня»: колебания в колониях

Наблюдения показали, что Stentor в колониях демонстрируют нестабильное поведение: они то сближаются, усиливая потоки, то отдаляются. Математическое моделирование динамики жидкости объяснило этот феномен. Оказалось, что особи постоянно меняют соседей, переключаясь на более выгодные взаимодействия. В результате все члены колонии в среднем получают больше пищи, чем при одиночном существовании.

Этот механизм напоминает «промискуитетное» поведение, где клетки стремятся максимизировать свою выгоду, не фиксируясь в постоянных связях. С эволюционной точки зрения, такой подход позволяет оптимизировать энергетические затраты и увеличивать шансы на выживание.

Хотя кооперация выгодна, колонии Stentor нестабильны и распадаются при изменении условий. В эксперименте при избытке пищи особи оставались вместе, но при ее нехватке переходили к одиночному образу жизни. Это указывает на гибкость стратегии: сотрудничество выгодно в благоприятных условиях, но при дефиците ресурсов индивидуализм становится предпочтительнее.

Ранние этапы многоклеточности: физика vs. химия

Традиционно эволюцию многоклеточности объясняли химическими взаимодействиями, например, обменом сигнальными молекулами. Однако данное исследование подчеркивает роль физических факторов — гидродинамики и механики потоков. В случае Stentor кооперация возникает не из-за генетического родства (как у Volvox), а из-за выгод совместного питания.

Ученые предполагают, что такая модель могла предшествовать «классической» многоклеточности, где клетки фиксируются в постоянных структурах. Здесь же колонии — это промежуточный этап, где особи еще не отказались от индивидуальности, но уже начали извлекать пользу из группового взаимодействия.

Выводы и значение

Исследование Stentor предлагает новый взгляд на ранние этапы эволюции многоклеточности. Оно показывает, что:

• Физические силы, такие как динамика жидкости, могли играть ключевую роль в возникновении кооперации.
• Временные колонии позволяли организмам увеличивать эффективность питания без жесткой фиксации связей.
• Переход к многоклеточности мог начинаться с гибких, ситуативных взаимодействий, а не сразу с формирования постоянных структур.

Эта работа также напоминает, что многоклеточность — не всегда «прогресс». Одноклеточные организмы, как Stentor, демонстрируют сложное поведение и адаптивность, что подчеркивает многообразие стратегий жизни на Земле.