Переход от одноклеточных организмов к многоклеточным кажется непреодолимой пропастью. Бактерии, простейшие и другие одноклеточные прекрасно существуют на своем уровне развития и не нуждаются в объединении с себе подобными. Хотя многоклеточность и сулит блестящие эволюционные перспективы, естественный отбор не способен заглядывать в будущее.

Однако, возможно, переход к многоклеточности был проще, чем мы думаем, отмечает Science Mag. У биологов есть несколько аргументов в пользу этой точки зрения. Во-первых, некоторые группы живых организмов неоднократно становились многоклеточными. Во-вторых, у одноклеточных есть все механизмы, необходимые для объединения, дифференцировки и управления клетками. И, наконец, эксперименты показывают, что на формирование многоклеточности нужно не так уж много времени — всего несколько сотен поколений.

Ученые не могут назвать точную дату появления многоклеточных организмов. Первые намеки на нее появляются в палеонтологической летописи 3 миллиарда лет назад. Однако исследователям известно, что животные и высшие растения переходили к многоклеточности лишь один раз за свою историю.

Первые сделали это не позднее 570, а вторые — не позднее 470 млн лет назад. В отличие от них, грибы независимо становились многоклеточными примерно 12 раз. Это же касается и водорослей.

В изучении перехода к многоклеточности ученым помогает группа простейших, известных как хоанофлагеллаты. Эти микроскопические создания, дальние родственники животных, снабжены жгутиком и воронтичком и иногда формируют сферические колонии. Анализируя геном хоанофлагеллат, исследователи приходят к выводу, что переход к многоклеточности не был сложным процессом.

В ДНК простейших обнаружился целый набор генов, характерных для сложных животных и, казалось бы, ненужных одноклеточным. Среди них — регуляторы роста и дифференциации клеток, а также гены, кодирующие производство клеточного «клея». Недавнее исследование 21 вида хоанофлагеллат выявило 350 генов, которые, как считалось ранее, характерны лишь для многоклеточных. Если эти создания действительно предки животных, то они были отлично экипированы для дальнейшей эволюции.

Ученые предполагают, что в организмах простейших эти гены выполняют совершенно иные функции. Когда древние одноклеточные начали переход к многоклеточности, им пришлось использовать старые гены для новых целей, а также по-новому использовать существующие механизмы работы.

Однако некоторых генов, необходимых для многоклеточной жизни, современным простейшим не хватает. Речь идет о факторах транскрипции, которые тонко регулируют работу генов. У простейших они есть, но у животных эти гены работают намного точнее и эффективнее. Возможно, именно здесь кроется секрет, без которого настоящая многоклеточность невозможна. Именно эволюция регуляторных участков позволила нашим предкам перераспределить функции существующих генов.

Эта гипотеза была проверена на дрожжах. Культуру этих одноклеточных грибов подвергли своеобразной форме искусственного отбора, оставляя для размножения только самые крупные клетки. В течение двух месяцев дрожжи начали формировать ветвящиеся многоклеточные кластеры. После 3000 поколений у дрожжей появились даже своего рода «половые клетки» — отделяющиеся фрагменты, которые давали начало новым колониям. Ученые только начали изучать генетическую основу этих изменений, но уже заметили, что дрожжи используют старые гены для новых целей.

Сходные результаты дал эксперимент с одноклеточными водорослями Chlamydomonas. Отбирая самые крупные клетки, ученые добились появления многоклеточных колоний в течение 750 поколений — около двух лет. Любопытно, что в данном случае отбор был естественным: мелкие клетки отбраковывали не исследователи, а питающиеся ими инфузории.

Однако остается один вопрос. Если многоклеточность может возникнуть относительно легко, почему между появлением первых живых организмов и первых многоклеточных прошло несколько миллиардов лет? Традиционный ответ гласит, то сложные организмы могли появиться лишь при высоких уровнях кислорода — условие, которое было выполнено около 1 млрд лет назад.

Новая гипотеза предполагает, что низкое содержание кислорода, напротив, благоприятствовало эволюции многоклеточных организмов. Многоклеточные с большей поверхностью мембраны эффективнее поглощали кислород и питательные вещества, что обеспечило им эволюционное преимущество. А долгое формирование многоклеточности авторы гипотезы связывают с тем, что на формирование нужных регуляторных генов необходимо много времени.

Однажды став многоклеточными, организмы редко возвращаются к первоначальному состоянию. Число разных тканей и клеток в их организмах растет, а с ними увеличивается сложность регуляторных механизмов. В результате возникает эффект храповика: чем сложнее организм, тем труднее его специализированным клеткам вернуться к одиночному образу жизни. Недавно эта гипотеза была подтверждена математически. 

Исследования эволюции порой преподносят биологом сюрпризы. Например, анализ генетических данных показал, что возраст большинства современных видов — 100-200 тысяч лет. Это говорит о том, что эволюционное развитие видов идет постоянно, даже если нам кажется, что они не меняются.