Один из вечных вопросов науки о жизни
Большая часть живущих на Земле существ – многоклеточные организмы. Появились они не сразу, а в процессе длительной эволюции из простейших одноклеточных. Как это могло произойти – неизвестно. Существует несколько гипотез, объясняющих происхождение многоклеточности. Считается, что главным фактором, толкнувшим эволюцию на этот путь, было появление в атмосфере кислорода. Организмы начали использовать кислород как акцептор электронов в дыхательной цепи. Это позволило полностью (до СО2 и H2O) окислять органику и извлекать из нее максимум энергии, которая необходима многоклеточным организмам для поддержания структуры тела.
Как происходило превращение одноклеточного мира в многоклеточный – один из вечных вопросов науки о жизни. Сегодня его решают с помощью молекулярно-генетических методов. Российские ученые из Института биологии развития им. Н.К.Кольцова под руководством Ю.В.Люпиной задались вопросом – какие белки начинают синтезироваться при переходе от одноклеточного состояния к многоклеточному, и чтобы ответить на него, поставили интересный эксперимент на морских губках. Губка – примитивное многоклеточное животное, у которого нет настоящего кишечника, нервной системы, рецепторов и т. д. Согласно данным молекулярных исследований, представители этого типа животных имеют общее происхождение со всеми многоклеточными. Поэтому губки стали модельными объектами для эволюционных исследований.
Губки удобны еще и тем, что их можно легко разделить на отдельные клетки, которые со временем вновь объединяются в единый организм. Такая способность губок была подмечена еще в начале XX века в экспериментах Генри ван Питерса Уилсона. Он перетирал губку через мелкое сито, разделяя ее на отдельные клетки. Помещенные в стеклянную чашку клетки начинали группироваться в бесформенные комки, которые затем превращались в целую губку. Сначала исследователи таким же способом получили отдельные клетки, а затем наблюдали, как меняется работа их генов по мере того, как заново собирается тело губки.
Для исследования взяли губки Белого моря – скелетную Halichondria panicea и бесскелетную Halisarca dujardini. Исследователи выяснили, что в клетках обоих видов губок на стадии сборки тела начинают активно синтезироваться белки, связанные с метаболизмом железа, и гемсодержащие белки – нейроглобин и андроглобин. Нейроглобин содержится в нейронах позвоночных и беспозвоночных животных, где он снабжает дыхательные цепи. Это древнейший кислородпереносящий белок, предок гемоглобина эритроцитов и миоглобина мышц. В отличие от гемоглобина и миоглобина, нейроглобин связывает кислород даже тогда, когда его очень мало.
В позднем докембрии, когда концентрация кислорода была низкой, для его использования в метаболизме нужны были эффективные переносчики. Ими стали нейроглобин и андроглобин, которые изначально возникли совсем для других целей – чтобы контролировать опасный для жизни анаэробных клеток кислород. Именно они позволили организмам усовершенствовать дыхание и перейти к многоклеточности.
Это исследование еще раз доказывает важность кислорода и кислородпереносящих гемовых белков для появления многоклеточной жизни.