Выживает простейший

Биологическая эволюция не всегда идет по пути прогресса

Возникновение апоморфии - характерных генетических новаций в составе гена 18S рРНК на различных этапах эволюции многоклеточных. Изображение: журнал

9000 генов, около 20 нервных клеток и три жизненные формы. Ортонектид, крошечных паразитов морских беспозвоночных, раньше считали промежуточным звеном между одноклеточными и многоклеточными, но генетические и анатомические данные опровергли эту идею. Оказалось, они просто выкинули из функционала своего предка все лишнее для жизни паразита.

Жизненный цикл ортонектид состоит из трех основных частей. Их свободноживущая форма — маленькие покрытые ресничками червячки длиной до 1 мм, под завязку забитые яйцеклетками или сперматозоидами. После оплодотворения внутри самки созревают личинки, которые потом выходят из материнского организма и отправляются в свободное плавание в поисках хозяина — моллюсков, немертин , многощетинковых червей или других беспозвоночных.

Найдя жертву, личинки ортонектид создают внутри нее плазмодий — одну большую клетку, начиненную вегетативными ядрами и зародышами половых особей, которые после созревания снова выходят из тела хозяина, замыкая жизненный цикл «половая особь — личинка — плазмодий — половая особь».

Свободноживущие половые особи — самая сложная из трех форм, но состоят всего из несколько сотен клеток. Они не питаются, а живут несколько дней за счет запасенных питательных веществ. У них нет ни пищеварительной, ни выделительной, ни кровеносной систем. Но они способны ко вполне осмысленным перемещениям и действиям, направленным прежде всего на поиск полового партнера.

«Еще большой вопрос, насколько по одним лишь траекториям перемещения правомерно делать вывод о работе мозга или нервной системы организма. Влюбленный, поджидающий подругу у фонтана, может прохаживаться по хаотической траектории, но это не значит, что он не способен контролировать свое движение, — говорит Владимир Алешин, ведущий научный сотрудник НИИ Физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ. — Но по крайней мере мы знаем, что половые особи ортонектид способны найти друг друга, а личинка — своего будущего хозяина. Их нервная система обеспечивает направленный и успешный поиск различных объектов».

Схема расположения мускулатуры у самки Intoshia variabili. A — вид сбоку, B — вид сверху. C — кольцевые мышцы, L — продольные мышцы, V — раздвоение продольных мышц. Стрелка указывает направление движения ортонектиды. Изображение: Журнал общей биологии, том 69, № 6, 2008


Cоздания, не наделенные нервной системой, иногда живут даже более сложной жизнью, но это не случай ортонектид: Георгий Слюсарев, биолог из Санкт-Петербургского университета, еще в середине 2000-х нашел у них орган чувств, а в прошлом году — и нервный узел для обработки полученной информации.

Орган чувств расположен в передней части половых особей и состоит из трех клеток, отростки которых переплетаются в структуру, напоминающую бокал, устланный ресничками. Пока ученые не знают, что это — крошечный глаз, нос или орган равновесия, но уверены, что это именно орган чувств. «Эти реснички неподвижны и находятся под кожей, а значит, они не служат для движения животного, — рассказывает Алешин. — Такие неподвижные реснички — самая характерная анатомическая черта органов чувств всех животных от ортонектид до человека». Кроме того, эксперименты показали, что добавление различных нейромедиаторов в среду с ортонектидами меняет характер движения этих животных, что доказывает, что у них имеется передача нервных импульсов.

Еще Слюсарев вместе с коллегами показал, что у ортонектид есть и настоящая мышечная система, состоящая из 9—11 кольцевых и четырех продольных мышц. Все вместе эти признаки позволяют отнести ортонектид пусть и к простым, но многоклеточным высшим — двусторонне-симметричным, или билатеральным, животным.

«По описанию Слюсарева, двусторонняя симметрия есть и в нервной, и в мышечной системе ортонектид, — говорит Алешин. — Например, у ортонектиды Intosia linei ровно шесть нервных клеток, реагирующих с антителами к серотонину, но это не абстрактные шесть клеток, а три пары: каждой клетке справа есть зеркальная клетка слева».

Но внешность бывает обманчива. Никто не обещал, что биологическая эволюция всегда идет по пути прогресса и усложнения механической и программной начинки своих живых механизмов.

Истинные масштабы сложности организмов стоит искать в генетических данных — фабричных инструкциях по эксплуатации, прописанных природой. Именно этим Алешин и Слюсарев вместе с коллегами из НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского и Института проблем передачи информации РАН и занимались в последнее время.

На минимальных ресурсах

«Я искал лентовидных червей немертин на Баренцевом море в тех местах, где часто встречаются зараженные ортонектидами Intoshia linei особи, — Слюсарев рассказывает, как собирал материал для генетического анализа. — Потом я отбирал зараженных особей, привозил их в Питер, содержал в лаборатории и ждал, пока наружу выйдут самцы и самки ортонектид. Дальше они отсаживались пипеткой в пробирку, центрифугировались и отправлялись на анализ».

Накопленного материала хватило, чтобы полностью расшифровать геном паразита, который оказался проще геномов многих других билатеральных животных. У ортонектид очень мало генов, кодирующих факторы транскрипции — так называют белки, которые участвуют в регуляции экспрессии генов и во многом отвечают за то, что во время эмбрионального или постэмбрионального развития организмы не превращаются в бесформенные сгустки клеток, а обзаводятся в меру симпатичными, симметричными и сильными телами. Количество факторов транскрипции ученые часто сопоставляют с видимой сложностью организма, так что новые генетические данные только подтвердили простоту ортонектид.

«Еще у нашего вида ортонектид утрачены многие гены, отвечающие за синтез органических соединений, которые паразит берет у хозяина, — рассказывает Алешин. — Если для человека список незаменимых кислот и витаминов короткий, то здесь он во много раз длиннее. Человек умеет синтезировать если не все, то значительную часть необходимых органических соединений из того, что досталось на обед. А настоящему паразиту, если уж этой конкретной особи посчастливилось найти хозяина, полноценный «стол» всегда обеспечен. Что редкая удача — личиночная гибель у паразитов огромная».

С другой стороны, у ортонектид нашли немало генов для работы нервной системы с инструкциями по синтезу ионных каналов, нейрорецепторов и нейрорегуляторов, а также один из генов, связанный у других животных с развитием мышечной системы.

Возникновение апоморфий — характерных генетических новаций в составе гена 18S рРНК на различных этапах эволюции многоклеточных. Изображение: журнал «Биология и медицинская наука»


Черты высокой организации I. linei не развились во время эволюции этого вида, а наоборот, не попали под эволюционное сокращение за ненадобностью. Еще исследования двадцатилетней давности показали, что ортонектиды генетически гораздо ближе к двусторонне-симметричным многоклеточным, чем к более простым кишечнополостным. Но оставался вопрос: не объясняется ли простота ортонектид тем, что они — самые эволюционно ранние двусторонне-симметричные животные и еще «не успели» приобрести многие признаки.

«Из генетических данных можно сделать вывод, что ортонектиды сильно упростились во время эволюции, — говорит Алешин. — Мы видим, что они значительно проще не только «сестринских» групп организмов, но и многочисленных «теток». Предок ортонектид, которых мы теперь причисляем к спиральным, точно был настоящим двусторонне-симметричным животным со сложной опорно-двигательной, сложной нервной, пищеварительной, выделительной, половой и другими системами и, конечно, сложным поведением. Одним словом, он был больше похож на то, с чем обычно имеют дело зоологи».

Все близкие родственники ортонектид сохранили эти новации далекого общего предка, но паразитам многие из них оказались не нужны. Обслуживание пищеварительной, двигательной и нервной систем требует энергетических затрат, и поэтому лишние гены, а вместе с ними и внешние признаки со временем пропали.
Эволюционный регресс оставил только самое нужное для жизни ортонектид: теперь они умеют только размножаться и искать хозяина для пропитания.


Выглядит примитивно, но выходит вполне эффективно. Еще советский биолог Тимофеев-Ресовский спрашивал: «Что есть человек — венец творения или всего лишь питательная среда для чумной палочки?» — и пример ортонектид с их высокой приспособленностью к специфическим условиям жизни паразита на фоне морфологической деградации и «усыхания» мозга показывает, что это не просто риторический вопрос с очевидным ответом.

Конструктор многоклеточных?

Сейчас ученые худо-бедно умеют синтезировать искусственные бактериальные ДНК на 900 генов и начинять ими живые микроорганизмы. И если когда-нибудь синтетическая биология освоит создание новых одноклеточных, то первыми многоклеточными, на которых она перейдет, вполне могут стать ортонектиды. В геноме I. linei всего 44 миллиона пар оснований и около 9000 генов. Это почти рекорд простоты для многоклеточных животных, минимальный джентльменский набор. Для сравнения: у человека около 20—25 тысяч активных генов.

Кроме того, ортонектиды могут стать модельным объектом и для нейробиологов: их нервная система из 20 клеток, вполне способная показывать зародыши осмысленного поведения, куда меньше нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans, состоящей из 300 клеток и служащей модельным объектов в этой области сейчас.

Правда, Владимир Алешин рекомендует быть с такими предположениями осторожнее: «Да, наличие у ортонектид нескольких резко разграниченных стадий в жизненном цикле, исключительная простота нервной системы и один из наименьших наборов генов для многоклеточных сулят любопытные результаты, например, для сравнительной геномики многоклеточных, но тут еще очень далеко до создания живого организма по плану. Фундаментальная наука должна очень хорошо поработать, чтобы лучше понимать, как строятся организмы в ходе их индивидуального развития, каков метаболизм отдельных специализированных клеток многоклеточного, как управляется переключение с одного метаболизма на другой или с помощью каких сигналов и как клетки взаимодействуют друг с другом в развивающемся, растущем и зрелом организме. Эти задачи посложнее конструирования небоскреба, самолета или мобильного телефона, хотя и они потребовали в свое время прорывов в фундаментальной науке и инженерных технологиях».


Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: