Физика соблазнения: Выявлена неожиданная роль физики в зарождении сложной жизни

Нам, людям, нравится думать о себе как о вершине эволюции. Многоклеточные, большие, разумные — ну разве не прелесть? Кажется очевидным, что быть сложным организмом — это сплошное преимущество. Но вот незадача: около 80% всей жизни на нашей планете — это одноклеточные существа. И многие из них прекрасно себя чувствуют там, где любой зверь покрупнее моментально бы погиб. Как так?

Более того, сам переход от одиночной клетки к многоклеточному организму — это одна из величайших загадок биологии. Представьте себе: миллиарды лет назад какие-то крошечные существа вдруг решили, что вместе им будет лучше. Первые такие «коммуны», вроде нитевидных колоний цианобактерий, появились примерно 2,5 миллиарда лет назад. Но почему? Что их сподвигло на это? И какие выгоды они получили? Вопросы, вопросы…

Недавно исследователи из Морской биологической лаборатории (MBL) и других институтов предложили взглянуть на эту проблему под немного другим углом. Вместо того чтобы копаться исключительно в химии процессов, они обратили внимание на… физику! Да-да, обычные физические силы могли сыграть не последнюю роль в этом грандиозном эволюционном скачке. И помог им в этом весьма харизматичный одноклеточный организм — Stentor, или трубач.

Знакомьтесь, Stentor: Маэстро водного вихря

Представьте себе крошечного хищника, по форме напоминающего миниатюрную граммофонную трубу. Это и есть Stentor. Он может вырастать до внушительных (для одноклеточного!) 2 миллиметров. Обитая в пресных водоемах, он своим узким концом-«ножкой» (стебельком) прикрепляется к какому-нибудь листу или веточке, а широким раструбом покачивает в воде. Вокруг этого раструба — целое ожерелье из ресничек. Работая согласованно, они создают мощный водоворот, который затягивает прямо в «рот» Stentor'а его обед — бактерий и прочую мелочь. Эдакий живой микро-пылесос.

Когда один плюс один равно… больше двух?

Так вот, ученые заметили любопытную вещь. Если поместить несколько Stentor'ов в чашку с водой, они не разбредаются кто куда, а довольно быстро формируют группу. При этом они не склеиваются намертво, нет. Они просто собираются вместе так, что их «ножки"-стебельки соприкасаются на дне. Получается такая динамичная, живая колония.

И тут начинается самое интересное. Исследователи вооружились приборами и принялись измерять потоки воды. Оказалось, что два соседствующих Stentor'а, работая вместе, способны создать поток воды к своим ртам почти вдвое мощнее, чем каждый из них поодиночке! Представляете? Это как если бы два пылесоса, поставленные рядом, вдруг начали всасывать не в два, а почти в четыре раза сильнее.

Благодаря такому усиленному потоку, Stentor'ы в колонии могут ловить больше еды, да еще и подтягивать к себе более крупную и шуструю добычу, которая раньше была им недоступна. Физика, оказывается, тоже играет роль! Сила совместного вихря — вот вам и преимущество.

Любит — не любит: Загадочные танцы соседей

Казалось бы, вот оно — объяснение! Объединяйся с соседом, создавай супер-вихрь и пируй. Но природа, как всегда, подкинула сюрприз. Выяснилось, что выгоды от такого соседства распределяются неравномерно. Более слабый Stentor выигрывает от партнерства больше, чем его сильный товарищ.

И что еще более странно — их поведение напоминает гадание на ромашке: «любит — не любит». Вот они синхронно качнулись раструбами вместе, усиливая поток… а в следующий момент — раз! — и уже отводят «рты» друг от друга. Зачем? Почему бы не замереть в самой выгодной позиции?

Тут на помощь пришла математика. Создав компьютерную модель, описывающую движение жидкости в такой колонии, ученые увидели картину целиком. Оказывается, в этой «тусовке» Stentor'ов царит своего рода «промискуитет». Каждая особь постоянно меняет партнеров, с которыми синхронизирует свои движения. Сегодня ты работаешь с этим соседом, завтра — с другим.

И каков результат? А результат поразительный: благодаря такому постоянному переключению партнеров, в среднем каждая клетка в колонии получает более сильный поток пищи, чем если бы она работала в одиночку или даже в постоянной паре! Даже если кажется, что Stentor отстраняется от одного соседа, он в этот момент, скорее всего, сближается с другим, более выгодным в данный момент партнером. Как метко заметил один из авторов исследования, Джон Костелло: «Можно сказать, они постоянно пытаются оптимизировать свой 'доход'». Логика выживания в чистом виде!

Так почему же они не стали многоклеточными?

Хорошо, скажете вы. Если вместе так выгодно питаться, то почему же Stentor'ы так и остались одноклеточными? Почему эти их колонии такие временные, распадающиеся от малейшего толчка? Почему они не пошли дальше, не «сцепились» по-настоящему, образовав единый организм?

Честного ответа у ученых пока нет. Но есть наблюдение. Когда еды вокруг много, Stentor'ы с удовольствием сидят в своих колониях и совместно пируют. Но стоит только кормушке опустеть, как вся кооперация моментально сворачивается. Клетки открепляются от дна и отправляются каждая на поиски пропитания в одиночку.

Ведущий автор статьи, Шашанк Шекхар, проводит остроумную параллель с людьми: «Когда ресурсов много, мы сотрудничаем. Но когда они иссякают — каждый сам за себя». Не правда ли, знакомо? Возможно, для Stentor'ов эта временная кооперация — просто стратегия на случай изобилия.

Шаг до настоящей многоклеточности?

Важно и то, что колонии Stentor'ов состоят из генетически разных особей. Это отличает их от других моделей ранней многоклеточности, вроде водоросли Вольвокс, где колония образуется из клеток-клонов, связанных общим «клеем» (матриксом).

Исследователи предполагают, что модель Stentor'а может представлять собой еще более ранний этап на пути к многоклеточной жизни. Этап, когда независимые клетки просто «договаривались потусоваться» вместе ради взаимной выгоды, но без каких-либо долгосрочных обязательств. «Многоклеточность еще не стала постоянной,» — поясняет Шекхар. Возможно, именно такие временные, основанные на физических взаимодействиях «союзы» и были одной из первых ступенек на долгой лестнице эволюции, ведущей к сложным организмам.

Так что в следующий раз, глядя на каплю воды из пруда под микроскопом, помните: даже в этом микромире действуют свои законы физики, экономики и даже… социальной жизни. И крошечный Stentor, возможно, хранит ключ к разгадке одной из самых больших тайн происхождения жизни, какой мы ее знаем. Эволюция — та еще выдумщица, не так ли?