[Перевод] Возможно, многоклеточная жизнь появилась благодаря особенностям физики холодной воды
С понижением температуры морская вода становится вязкой. Этот факт может объяснить, как одноклеточные океанические существа стали многоклеточными, когда планета замёрзла в эпоху «Земли-снежка» — если верить экспериментам
Когда-то, давным-давно, весь мир был покрыт льдом. По мнению многих геологов, именно такую историю рассказывают нам осадочные породы в тропиках. Сотни миллионов лет назад ледники и морской лёд покрывали земной шар. Самые экстремальные сценарии предполагают наличие слоя льда толщиной в несколько метров даже на экваторе.
Это событие получило название «Земля-снежок», и можно подумать, что это было ужасное время для жизни — и, возможно, для некоторых организмов так оно и было. Однако в более тёплый период между оледенениями появляются первые свидетельства существования многоклеточных животных, согласно некоторым интерпретациям геологической летописи. Жизнь совершила скачок. Как кажущееся запустение Земли-снежка могло сочетаться с таким всплеском биологических инноваций?
В серии работ из лаборатории Карла Симпсона предлагается ответ, связанный с фундаментальным физическим фактом: с похолоданием морская вода становится более вязкой, а значит, в ней сложнее ориентироваться очень маленьким организмам. Представьте, что вы плывёте не в воде, а в меду. Если микроскопические организмы пытаются добыть достаточно пищи, чтобы выжить в таких условиях, как предполагает экспериментальная модель Симпсона, они должны были измениться — возможно, развивая способы держаться друг за друга, формируя более крупные группы и перемещаясь в воде с большей мощностью. Возможно, некоторые из этих изменений способствовали зарождению многоклеточной животной жизни.
Чтобы проверить эту идею, Симпсон, палеобиолог из Университета Колорадо в Боулдере, и его команда провели эксперимент, целью которого было посмотреть, что делают современные одноклеточные организмы, столкнувшись с повышенной вязкостью. В течение месяца он и его аспирантка Андреа Халлинг наблюдали за тем, как один из видов зелёных водорослей — представители удобного для лабораторных исследований вида, плавающие с помощью жгутика, похожего на хвост, — формировал более крупные и скоординированные группы, сталкиваясь с более густым гелем. Водоросли коллективно перемещались по жидкости, чтобы поддерживать темп питания. И, что интересно, группы клеток оставались вместе ещё в течение 100 поколений после окончания эксперимента.
По словам Фиби Коэн, палеонтолога из колледжа Уильямса, которая в течение нескольких лет общалась с Симпсоном по поводу его идеи, но в остальном не была вовлечена в работу, исследование предлагает новый взгляд на возникновение многоклеточной жизни. По её словам, эта область переполнена работами о триггерах эволюции многоклеточности животных, которые опираются на геохимические измерения, но лишь немногие из них рассматривают биологию отдельных организмов.
«Я крайне очарован этой идеей, а также экспериментальной установкой», — сказал Коэн. «Это замечательно — видеть работу, в которой задаются вопросы типа: «Что на самом деле здесь происходит? Как именно эти ранние организмы воспринимают окружающую среду?»
Эксперимент сопровождается некоторыми оговорками, и статья ещё не прошла рецензирование; Симпсон разместил препринт на сайте biorxiv.org в начале этого года. Но она позволяет предположить, что если Земля-снежок действительно послужила толчком к эволюции сложной жизни, то это может быть связано с физикой холодной воды.
Замороженный парадокс
Словосочетание «Земля-снежок» было у всех на устах, когда Симпсон учился в университете в конце 1990-х годов. В 1992 году геохимик Джозеф Киршвинк указал на то, что существуют веские геологические доказательства глобального оледенения в древнем прошлом; что очень важно, он представил модель того, какие условия нужны были для того, чтобы весь этот лёд вновь растаял. Затем, в 1998 году, гарвардский геолог Пол Хоффман и его коллеги опубликовали знаковую работу, в которой применили эти идеи к наблюдениям за осадочными отложениями в Намибии. Они согласились: породы указывали на присутствие ледников в самых тёплых частях света около 700 миллионов лет назад.
Уже тогда период существования «Земли-снежка» беспокоило Симпсона. «Для меня это был полный парадокс», — говорит он. «Не может быть, чтобы Земля-снежок была реальностью, учитывая, сколько интересного происходило в то время». По его словам, до Земли-снежка окаменелости были крошечными. После этого они стали большими и сложными.
Трудно точно установить дату возникновения животных, но молекулярные часы, использующие скорость мутаций для оценки хода времени, позволяют предположить, что последний общий предок многоклеточных животных появился в эпоху, известную как Стертское оледенение, где-то между 717 и 660 миллионами лет назад. Крупные многоклеточные животные появились (и мы находим их окаменелости) через десятки миллионов лет после того, как Земля растаяла в результате другого, более короткого ледникового периода около 635 миллионов лет назад.
Парадокс — планета, кажущаяся враждебной для жизни, даёт эволюции мощный толчок, — продолжал озадачивать Симпсона на протяжении всей его учёбы и в профессиональной жизни. В 2018 году, будучи доцентом, он «прозрел»: когда морская вода становится холоднее, она становится плотнее. Это элементарная физика — плотность и вязкость молекул воды увеличивается при понижении температуры. В условиях Земли-снежка океан должен был быть в два, а то и в четыре раза более вязким, чем до того, как планета замёрзла.
Симпсон задумался о том, каково было бы микроскопическим организмам в океане во время Земли-снежка. Возможно, всё это было не так уж и парадоксально.
Для очень маленьких одноклеточных существ плотная морская вода представляла бы большие проблемы. Бактерии питаются за счёт диффузии — перемещения питательных веществ через воду из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией — и, как правило, ждут, пока пища сама придёт к ним. Однако при низких температурах диффузия замедляется. Питательные вещества перемещаются не так быстро и не так далеко. Для клеток жить в холодной и более вязкой жидкости означает получать меньше пищи. Даже очень маленькие организмы, способные передвигаться самостоятельно, например клетки со жгутиками, двигаются в холодной воде медленнее. В результате они реже встречают пищу.
С другой стороны, более крупный организм может без особых проблем преодолевать толщу воды. У скопления клеток есть преимущество инерции: их общая масса достаточно велика, чтобы они могли набирать скорость и прорываться сквозь густую жидкость. «В какой-то момент группа становится настолько большой, что вязкость на неё уже не влияет», — говорит Симпсон.
В 2021 году он опубликовал свою гипотезу о том, что вязкость Земли-снежка существенно ограничивала способность организмов добывать себе пищу и могла подтолкнуть некоторых из них к развитию многоклеточности. Затем вместе с коллегами из Института Санта-Фе он создал математические модели маленьких существ — одиночных клеток, питающихся за счёт диффузии, и самодвижущихся клеток, питающихся за счёт передвижения, — живущих во всё более и более густых жидкостях. В моделях, размещённых на сайте biorxiv.org в конце 2023 года и недавно опубликованных в рецензируемом издании Proceedings of the Royal Society B, диффузионные клетки реагировали на более густую жидкость, уменьшаясь в размерах. Самодвижущиеся клетки, наделённые, согласно уравнениям, способностью сцепляться друг с другом в случае необходимости, образовывали все более крупные многоклеточные группы. Это позволило предположить, что если в момент возникновения Земли-снежка уже существовали многоклеточные организмы — или, по крайней мере, организмы, способные принимать многоклеточные формы, — то более густая жидкость могла дать им повод стать больше.
Результаты были интригующими, но это были всего лишь компьютерные модели. Симпсон подумал:, а что, если сделать это с настоящими организмами?
У геолога Босуэлла Винга, коллеги из Университета Колорадо в Боулдере, в лаборатории была колония Chlamydomonas reinhardtii. У этих водорослей есть закрученные жгутики, которые позволяют им двигаться за счёт собственной силы. Обычно они одноклеточные. Но при определённых стрессовых условиях они могут переходить в многоклеточную форму. Может ли повышенная вязкость воды, как в океанах во время Земли-снежка, оказаться одним из них?
Жизнь в толще воды
У биологов нет возможности отправиться в прошлое и посмотреть на реальные условия, в которых существовала Земля-снежок, но они могут попытаться воссоздать их в лаборатории. В огромной, сделанной на заказ чашке Петри Халлинг и Симпсон создали «мишень» из агарового геля — свой собственный экспериментальный вязкий бассейн. В центре мишени была стандартная вязкость, используемая для выращивания этих водорослей в лаборатории. По мере продвижения наружу каждое концентрическое кольцо имело всё большую и большую вязкость, и в конце концов уровень вязкости на внешнем периметре увеличивался в четыре раза. Учёные поместили водоросли в центр, включили камеру и оставили их в покое на 30 дней — время, достаточное для того, чтобы около 70 поколений водорослей родилось, поплавало в поисках питательных веществ и умерло.
Халлинг и Симпсон предположили, что по мере размножения водорослей и заполнения ими центрального круга с нормальной вязкостью, клетки водорослей, способные выдержать более густую среду, будут распространяться наружу. Возможно, те, что достигнут внешнего кольца, будут выглядеть и вести себя иначе, чем те, что остались в центре.
Симпсону было особенно интересно, найдут ли водоросли, попавшие в кольцо с самой высокой вязкостью, способы увеличить скорость своего плавания. Водоросли являются фотосинтетическими, поэтому они получают энергию от солнца. Но им необходимо получать питательные вещества, такие как фосфор, из окружающей среды, поэтому движение по-прежнему важно для их выживания. Для поддержания прежнего уровня питательных веществ в среде с высокой вязкостью им придётся найти способ поддерживать свою скорость.
Через 30 дней водоросли в центре всё ещё оставались одноклеточными. Однако когда учёные поместили под микроскоп водоросли из всё более толстых колец, они обнаружили более крупные скопления клеток. Самые крупные из них состояли из сотен клеток. Но больше всего Симпсона заинтересовали подвижные скопления от четырёх до 16 клеток, расположенные так, что их жгутики находились снаружи. Эти скопления передвигались, координируя движения своих жгутиков: те, что находились в задней части скопления, оставались неподвижными, а те, что были впереди, извивались.
Сравнение скорости этих скоплений с одиночными клетками в центре выявило кое-что интересное. «Все они плывут с одинаковой скоростью», — говорит Симпсон. Работая сообща, водоросли могли сохранять свою подвижность. «Я был очень доволен», — сказал он. «Имея грубую математическую базу, я мог сделать несколько предсказаний. А то, что я увидел это эмпирически, означает, что в этой идее что-то есть».
Интригует тот факт, что когда учёные извлекли эти маленькие скопления из высоковязкого геля и поместили их обратно в низковязкий, клетки так и остались слипшимися. Они оставались такими в течение всего времени, пока учёные продолжали наблюдать за ними — ещё около 100 поколений. Очевидно, что изменения, которые они претерпели, чтобы выжить в условиях высокой вязкости, было трудно обратить вспять, — говорит Симпсон, — возможно, это движение в сторону эволюции, а не кратковременный сдвиг.
В вязком геле, как в древних океанах, клетки водорослей начали работать сообща. Они сбивались в группы и координировали движения своих хвостовых жгутиков, чтобы плыть быстрее. Когда их снова поместили в гель нормальной вязкости, они остались вместе.
Современные водоросли не идентичны своим древним предкам. Но тот факт, что физическое давление заставило одноклеточное существо перейти к альтернативному образу жизни, который было трудно изменить, кажется весьма убедительным, говорит Симпсон. Он подозревает, что если учёные изучат идею о том, что когда организмы очень малы, на их жизнь значительно влияет вязкость среды, мы сможем узнать что-то об условиях, которые могли привести к взрывообразному образованию крупных форм жизни.
Точка зрения клетки
Будучи крупными существами, мы не слишком задумываемся о густоте окружающих нас жидкостей. Это не является частью нашего повседневного опыта, и мы настолько велики, что вязкость не оказывает на нас особого влияния. Мы считаем самим собой разумеющимся тот факт, что мы способны относительно легко двигаться. С тех пор как Симпсон впервые осознал, что такие ограничения в движении могут стать монументальным препятствием для микроскопической жизни, он не переставал думать об этом. Возможно, вязкость имела большое значение в зарождении сложной жизни, когда бы это ни произошло.
«Такая перспектива позволяет нам задуматься о глубокой истории этого перехода, — говорит Симпсон, — и о том, что происходило в истории Земли, когда развивались все облигатно сложные многоклеточные группы, которые, как нам кажется, относительно близки друг другу».
Другие исследователи считают идеи Симпсона инновационными. По словам Ника Баттерфилда из Кембриджского университета, изучающего эволюцию ранней жизни, до Симпсона никто, похоже, не задумывался о физическом опыте организмов, оказавшихся в океане во времена Земли-снежка. Он, однако, шутливо отметил, что «идея Карла немного выходит за рамки». По его словам, подавляющее большинство теорий о влиянии Земли-снежка на эволюцию многоклеточных животных, растений и водорослей сосредоточено на том, как уровень кислорода, определяемый по содержанию изотопов в горных породах, мог склонить чашу весов в ту или иную сторону.
Эта новизна идеи является её сильной стороной, считает геобиолог Йохен Брокс из Австралийского национального университета. Однако, по его мнению, гипотеза Симпсона делает несколько логических скачков, которые не выдерживают критики. По словам Брокса, не совсем ясно, что самые ранние животные могли свободно плавать в воде. Некоторые из первых окаменелостей, которые можно с уверенностью назвать «животными», были закреплены на дне океана.
Что ещё более важно, сроки происхождения животных весьма неопределенны. По некоторым оценкам, период «Земли-снежка» может совпадать с последним общим предком животных. Но они основаны на молекулярных выводах из ДНК, которые трудно подтвердить, говорит Брокс. По его мнению, трудно сказать, какое значение следует придавать этой эпохе. Баттерфилд также заметил по поводу этой неопределённости: «Свидетельства укрупнения организмов появляются уже сильно позже периода Земли-снежка».
Тем не менее, Брокс считает эксперимент Симпсона весьма умным и красивым. По его словам, тот факт, что организмы могут реагировать на высокую вязкость, развивая коллективное поведение, заслуживает лучшего понимания — независимо от того, привела ли Земля-снежок к эволюции сложной животной жизни или нет.
«Включение этого факта в наш репертуар размышлений о том, почему эти вещи эволюционировали, — вот в чём ценность всей этой работы», — сказал он. «Неважно, была ли это Земля-снежок. Неважно, произошло ли это раньше или позже. Просто идея, что это может произойти, и произойти быстро».
Броксу интересно, что произойдёт, если аналогичный эксперимент провести с хоанофлагеллятами — маленькими существами, которые более близки к животным, чем водоросли. Они полностью полагаются на охоту для получения пищи — они не могут фотосинтезировать — поэтому они были бы особенно уязвимы к замедлению, вызванному высокой вязкостью. Если в таких условиях они начнут приобретать многоклеточные формы, это будет означать, что результаты Симпсона отражают более общую истину о том, как жизнь реагирует на окружающую среду. «Это было бы просто потрясающе», — говорит он.
Симпсон действительно сейчас работает с хоанофлагеллятами. Сейчас он пытается понять, как они живут.
«Это очень красивые и сложные существа, — говорит он. Они могут принимать самые разные формы: бывают быстрые пловцы с длинными жгутиками, медленные пловцы, которые мечутся, и те, которые прилипают к поверхности, чтобы расти. «Они могут отращивать маленькие усики на кончике и ходить по поверхности, как на ходулях; они занимаются сексом, сливаются, образуют колонии цепочек и розеток…, а если их сжать, они, судя по всему, теряют жгутики и превращаются в амёбу», — говорит он. Когда дело доходит до реагирования на вызовы радикально новой среды, размышляет он, «у них полно разных инструментов для работы».
