6.1. История симбиотической гипотезы происхождения эукариотической клетки

Вероятно, впервые научную идею о том, что клеточные органеллы являются продуктами симбиотических ассоциаций, выдвинул в 1883 г. А. Шимпер. Исследователя поразила картина деления хлоропластов у зеленых растений и сходство этих пластид со свободно живущими цианобактериями. В результате чего возникла простая мысль, что хлоропласты образовались в результате симбиоза цианобактерий с клетками-хозяевами.

В 1909 г. К.С. Мережковский, в книге “Теория двух плазм как основа симбиогенеза, нового учения о происхождении микроорганизмов” (Казань) развил представления о симбиотическом происхождении органелл. Его концепция часто упоминается в русской литературе, но англоязычные ученые знакомы с его работами лишь по отсылкам в книге Э. Вильсона. Книга Б.М. Козополянского “Новые принципы биологии. Очерк теории симбиогенеза” (М.-Л.: Пучина, 1924), который с энтузиазмом поддерживал идею о роли симбиоза в эволюции, осталась совсем неизвестной за пределами СССР.

В англоязычной литературе зарождение идеи симбиогенеза связывают с именем Портье (1918) и Уоллина (1927). Уоллен предполагал, что деление маленьких телец внутри растительных и животных клеток - это результат их бактериального происхождения, хотя теперь они живут как симбионты внутри клеток своего хозяина. Однако его игра воображения заходила настолько далеко, что биологи того времени полностью отвергли его идеи, как и теорию Портье. До начала 70-ых годов манера с порога отвергать симбиотическую теорию была правилом среди "благовоспитанных биологов".

Вероятно, важнейшим стимулом для возвращения симбиотической теории к жизни было открытие автономности клеточных органелл и их поражающее сходство со свободноживущими организмами. В середине 60-ых годов Линн Маргелис поднимает на щит теорию симбиогенеза.

6.2. Теория последовательных симбозов

Предпосылками для развития симбиотической гипотезы происхождения эукариотической клетки является ряд открытий, заставивших пересмотреть биологов свои взгляды на происхождение и эволюцию живых организмов.

Во первых, стало совершенно очевидно, что самой фундаментальной границей в живой природе является - граница между про- и эукариотами: прокариоты рассматриваются как одиночная белоксинтезирующая система, а эукариоты - как комплекс различных белоксинтезирующих систем.

Во-вторых, постепенно становится очевидным широкое распространение в природе и высокая значимость положительных межвидовых взаимодействий, в том числе в узком смысле симбиотических.

Наконец, впечатляет картина автономности некоторых клеточных органелл и способов их размножения.

Сейчас предполагается, что три класса органелл - митохондрии, пластиды и ундулиподии, произошли от свободноживущих бактерий.

Гипотетические предшественники

Нуклеоплазма - самый крупный и наименее специализированный предшественник. лишенные клеточной стенки микроорганизмы, способные сбраживать глюкозу до двух и трехуглеродных конечных продуктов. Можно полагать, что были микроаэрофилами, то есть нуждались в кислороде, но в меньших концентрациях, чем в современной атмосфере. В условиях высокой температуры и кислотности у него выработались особые механизмы защиты, в частности специальные белки для защиты ДНК от разрушения - гистоны.

Из современных микроорганизмов с ними наиболее сходны такие микроаэрофилы, лишенные клеточной стенки, как Thermoplasma (метанообразующая археобактерия, ДНК защищена гистоноподобными белками, устойчивы к кислороду) или крупная анаэробная амеба Pelomyxa palustris. У последней нет митоза и митохондрий, но поскольку этот организм имеет ядерные мембраны, его формально следует считать эукариотом, хотя отсутствие других эукариотических признаков, делает его аномальным. Не исключено, что Pelomyxa никогда не имела митохондрий и таким образом является прямым связующим звеном с теми организмами, которые когда-то приобрели предмитохондрии.

Предмитохондрии - аэробные палочковидные организмы (близкими к современным бактериям вроде Paracoccus). Они должны были расщеплять трехуглеродные соединения до углекислоты и воды.

Спирохетоподобные предки обладавшие способность к движению. Такие как "волоски" на поверхности жгутиконосцев Mixotricha из австралийского термита, представляющие собой симбиоз трех видов спирохет со жгутиконосцем.

Пропластиды. Вероятно, зеленые фотосинтезирующие прокариоты (хлороксибактерии) оказались прародителями пластид независимо у эвгленоидных простейших и зеленых водорослей. Коккоидные цианобактерии, сходные с современными Gloeocapsa и Synechocystis, по-видимому, стали предками красноватых пластид красных водорослей.

Возможный сценарий последовательных симбиозов

Химическая эволюция на Земле завершилась образованием колоссального разнообразия коацерватов. Нуклеоплазмы сбраживали сложные сахара до трехуглеродных продуктов, представлявших объект питания предмитохондрий. По мере исчерпания трехуглеродных соединений в среде единственным их источником явились нуклеоплазмы, у которых эти вещества являлись отходами. Кооперация двух этих структур (рис. 6.1: 3) дала возможность извлекать из сахаров больше энергии. Симбиотическая ассоциация нуклеоплазмы и предмитохондрий закрепилась и начала изменяться в сторону усиления их взаимной зависимости. Размножение симбионтов внутри нуклеоцитоплазмы вело к отбору, направленному против сохранения их клеточных стенок и биосинтетических путей, дублирующих таковые клетки хозяина. Одновременно с этим в протомитохондриях увеличивалась площадь мембран. Итогом этого приспособления к симбиозу было образование двугеномных клеток - аэробных, содержащих митохондрии и ядра, но не способные к митозу крупные амебоидные организмы.

Следующим шагом к полному эукариотическому статусу было симбиотическое приобретение подвижности. Наличие большого количества концентрированной энергии позволило включить в этот комплекс двигательные органеллы. Спирохетоподобные предки (рис. 6.1: 4) прикреплялись к предмитохондриально-нуклеоцитоплазменному комплексу для питания. Постепенно такая взаимосвязь закрепилась, перейдя во взаимозависимость. Дальнейшее развитие комплекса потребовало упрощения строения спирохет. Протоундилиподии редуцировались в морфологическом отношении, во многих случаях они попали внутрь своих хозяев и утратили способность к движению, однако сохранили свою репликативную способность, дав начало реплицирующимся центриолям, кинетохорам хромосом и веретену митотического аппарата (рис. 6.1: 5). Тригеномные комплексы дали начало множеству различных одноклеточных и многоклеточных гетеротрофов.

Симбиотические комплексы никогда не переставали эволюционировать. Прогрессивные изменения создавали новые уровни организации, недоступные для одноклеточных организмов (рис. 6.1: 8, 9). Одним из путей такого развития явилось образование растений. Первая эукариотическая клетка, как и ее разнородные прародители, была гетеротрофной. Но в океане плавала масса простейших организмов в которых шел тот или иной процесс синтеза органического вещества. Это были различные пропластиды (рис. 6.1: 6). Фотосинтез развился у анаэробных бактерий очень рано, когда еще не было молекулярного кислорода. Большинство из них образовывали пленочные сообщества в мелких водах (строматолиты), но какая-то часть несомненно вела планктонный образ жизни. Приобретение эукариотами пластид происходило неоднократно и в этих процессах участвовали различные бактерии. Первичные эукариоты-гетеротрофы обеспечивали подвижность симбиотических комплексов, а прокариоты-автотрофы снабжали органическим веществом. Тесные ассоциации фотосинтезирующих эндосимбионтов с различными хозяевами становились все более облигатными как и в случае протомитохондрий протопластиды утратили биосинтетические пути, дублирующие таковые у клетки-хозяина и увеличивали внутреннюю поверхность тилакоидов.

6.3. Происхождение многоклеточности

Главные пути формирования многоклеточных организмов. Одним из наиболее важных "экспериментов" эволюции явилось создание многоклеточных организмов. Если признать полифилетическое происхождение царств эукариотических организмов, неизбежно приходим к мысли о различных путях формирования многоклеточности у грибов, растений и животных. Теоретически возможны четыре варианта возникновения многоклеточности (рис. 6.2):

1. В жизненном цикле организма чередуются две стадии: одиночных амебоидные клетки и многоклеточный псевдоплазмодий, состоящий из двух типов клеток спороношение - клетки ножки и споры. В этом случае наблюдается агрегация и последующая дифференциация исходно свободноживущих клеток. Такую стратегию демонстрируют слизевики, представляющие, по всей видимости, эволюционный тупик, но на их примере мы можем убедиться, что природа не оставляла не опробованных вариантов.

2. У животных многоклеточность появляется в результате митотического размножения диплоидных клеток. В таком случае, многоклеточность выглядит как онтогенетическая вставка между диплоидной зиготой и последующим мейозом. Зигота как бы размножается бесполым путем, в результате чего формируется многоклеточный организм. И лишь часть клеток в дальнейшем претерпевает мейоз, который в данном случае является гаметным, поскольку приводит к их образованию.

3. Появление многоклеточности путем размножение гаплоидных клеток после мейоза и появление гаплоидного многоклеточного организма реализовали грибы. Мейоз в этом случае будет зиготным.

4. Возможна и комбинация этих схем, когда размножаются и гаплоидные и диплоидные клетки. В этом случае наблюдается смена многоклеточных гапло- и диплофаз. Примерами реализации такой стратегии являются растения, у которых как известно в ходе прогрессивной эволюции увеличивается роль диплофазы (спорофита) вплоть до полного вытеснения гаплофазы (гаметофита).

Обзор теорий происхождения многоклеточности у животных

С появлением свободного кислорода и зоотрофных эукариот становится возможным и появление многоклеточных животных. Как они возникли? Высказывались следующие предположения:

1. Многоклеточные животные возникли из колоний прокариот. Уже после объединения клетки стали эукариотическими, что весьма мало вероятно. Во-первых, теория прямой филиации, по-видимому. несостоятельна вообще. Во-вторых, ни в эволюции животных, ни в эволюции растений мы не находим примеров кардинальной перестройки клеток. Эволюция после возникновения многоклеточности идет по пути перестройки тела, а не клеток. В-третьих, для примитивных животных первично внутриклеточное пищеварение, не характерное для прокариот.

2. Животные происходят от грибов, так как по содержанию АТ-оснований в ДНК многоклеточные животные сходны с грибами. Однако это единственное доказательство, а кроме того можно показать, что в каждой из таких групп как бактерии, грибы, зеленые водоросли и зоотрофные протисты интервал содержания АТ-пар в ДНК заполнен от 30 до 70%. А это означает, что в любой из упомянутых групп по этому признаку можно с одинаковым успехом искать предшественников многоклеточных животных.

3. Многоклеточные животные произошли от многоядерных протистов путем целлюляризации последних. Эта гипотеза имеет мало оснований и слабо разработана, однако у нее были свои приверженцы на определенном этапе развития наших знаний. Основывалась она на ошибочных интерпретациях ранних исследователей, в частности на представлении о том, что развивающийся зародыш не разделяется на клетки, а раздувается как воздушный шар. "Целлюларизация" на конечных этапах развития представлялась как повторение филогенеза.

4. Многоклеточные животные возникли из колоний одноядерных протистов. Только интеграция монад в колонию и далее в целостный организм является действительно наблюдаемым процессом, тогда как другие гипотеза страдают умозрительностью. Этот путь можно проследить на примере организмов, относящихся к порядку Volvocales (рис. 6.3).

В наиболее простом случае в результате деления одной клетки образуется плоская пластинка, состоящая из 4-16 клеток, каждая из которых имеет собственные жгутики, находящиеся на одной и той же стороне пластики (р. Gonium). У близкого рода Paudorina 16 клеток образуют шар, в более сложном случае шар содержит большее количество клеток, расположенных строго закономерно. Таким образом у этих организмов появляется уже очень важная особенность развития - упорядоченное деление одной клетки дает начало многим клеткам, расположение которых детерминировано. Дальнейшее развитие многоклеточности заключается в дифференциации клеток разного типа в пределах одного организма, причем репродуктивные клетки дифференцируются из соматических. Если у Eudorina любая клетка способна давать начало новому организму, то уже у Pleodorina клетки передней области выполняют исключительно соматические функции и лишь клетки задней части участвуют в размножении. В колониях вольвоксов почти все клетки являются соматическими и лишь очень немногие способны давать начало новым особям. Причем у наиболее сложно устроенных вольвоксов наблюдается полное разделение функций клеток. Репродуктивные клетки в таких случаях рано выделяются в организме, никогда не формируют функциональных жгутиков и, следовательно, не участвуют в движении - они полностью специализированы на размножении.

Таким образом, если примитивные вольвоксы можно рассматривать еще в качестве колониальных организмов, то в случае высокоорганизованных форм, мы имеем дело с истинно многоклеточными организмами, имеющими два четко обособленных и независимых типа клеток. Однако существуют серьезные возражения, связанные с вольвоксами, которые рассматриваются как высоко специализированные организмы, не лежащие в русле основного пути эволюции растений. Следовательно перенос закономерностей формирования многоклеточных по такому пути ставится под сомнение.

Однако, исходя из теории последовательных симбиозов, следует предположить общего предка у животных и растений. Единство генотипа подразумевает возможность появления в обоих линиях параллельных рядов эволюции при формировании колоний. Тогда вольвоксовые оказываются особенно интересными. Их шаровидные ценобии, по всей видимости, являются тупиковая ветвь развития растений - сферическая форма для растений оказалась не перспективной. Однако соблазнительно предполагать, что тупиковый ряд в эволюции автотрофов, стал главным в ряду становления многоклеточности у гетеротрофных организмов.

Проблема одноклеточных предков многоклеточных

Принципиально важен вопрос о том, какого типа эукариотические монады были предками многоклеточных животных. Разные ученые предлагают на эту роль либо амебоидных, либо жгутиконосных предшественников. Особенно привлекательными кажутся воротничковые жгутиконосцы. Основывается это внимание на том, что

(1) клетки с воротничком вокруг основания жгутика найдены не только у губок, но и у многих Eumetazoa,

2) возможно, что пламенные клетки протонефридия являются преобразованными хоаноцитами,

3) существенно сходство хоаноцитов Metazoa с протистами хоанофлагеллятами,

(4) сходны не только воротничек, но также парабазальный аппарат и оперение жгутиков,

(5) наконец отмечается сходство в тонкой структуре митохондрий.

Однако, противоположность жгутиконосца и амебы не абсолютна, так как в жизненном цикле протистов возможны смены фенотипов. Тогда можно предположить метагенетического предка, имевшего два фенотипа. Этому утверждения имеются правда косвенные, но все таки подтверждения. В частности, большая вариабильность соотношения в ДНК АТ- и ГЦ-пар оснований у амеб и флагеллят означает, что либо это сборные таксоны внешне сходные, либо (что для нас более интересно) амебы и жгутиконосцы имеют большую древность, представляя собой жизненные фазы некогда единого жизненного цикла древнего эукариотического предка, существовавшего первоначально в обоих этих формах. При адаптации же к конкретным экологическим условиям один из возможных фенотипов был утрачен в ходе эволюции групп. Если такие рассуждения верны, то альтернативная постановка вопроса - предками были либо амебы, либо жгутиконосцы - некорректна.

В качестве предков Metazoa метагенетические протисты имеют преимущества перед протистами с одним фенотип, так как у них

- уже есть половой процесс и

- имеется до четырех генетических программ дифференциации клеток (агамонт, гамонт, гамета, зигота, а, возможно, и зооспора). Эволюция колоний таких организмов может протекать быстрее, чем колоний, в которых половой процесс и возможность разнообразия клеток должны еще возникнуть. Кроме того существование нескольких дифференцировок на основе одного генотипа предполагает

- наличие механизма избирательной и направленной экспрессии лишь части генома, что непосредственно связано с дифференцировкой клеток и формированием тканей. И такой механизм должен был существовать у метагенетического предка.

Хотя в современных условиях нет примеров метагенетических хоанофлагеллят, но у нас нет оснований отрицать их существование в прошлом. Такие протисты обладают большей пластичностью и способны использовать разнообразные объекты питания. Напроти, современные протисты, имеющие лишь один фенотип, представляются специализированными, приспособленными к существованию в узкой экологической нише.

Очень весомым аргументом против происхождения многоклеточных от хоанофлагеллят выглядит довод о том, что у них нет полового процесса. В связи с чем есть смысл остановиться на этом вопросе более подробно.

Объектом исследования большинства зоологов являются многоклеточные животные, поэтому половой процесс обычно ассоциируется с размножением. Однако в своих примитивных формах половой процесс никак не связан с размножением и даже противоположен ему - затраты времени на половой процесс задерживают размножение. Его существование оправдывается лишь теми преимуществами, которые дает рекомбинация генов. Половой процесс оказывается адаптивным в условиях, способствующей эволюции вида, то есть тогда когда необходимо приспосабливаться. В стабильных биоценозах довольно обычна ситуация, когда на основе имеющегося генофонда вид достигает максимально возможной адаптации к среде обитания. Действие естественного отбора становится стабилизирующим. Поскольку половой процесс содействует эволюции, при стабилизирующем отборе сексуальность теряет значительную часть своей полезности и задерживая умножение количества клеток, может стать невыгодной. Создаются условия, благоприятствующие асексуальности. У протистов, половой процесс которых жестко связан с одной из фаз жизненного цикла, его утрата может привести к утрате фенотипа с которым он связан. Мыслимо и обратное - при перестройке жизненного цикла половой процесс может быть утрачен в следствии выпадения фазы с которым он связан.

Форма колоний-предшественников многоклеточных организмов

Первоначально колонии возникали как защита от хищников. Объединение в колонии не защищает протистов от нападения многоклеточных животных, но достаточно эффективно против хищных одноклеточных.

Существуют два способа образования колоний протистов. Пальмелла, в которой клетки не контактируют друг с другом, а объединены общим студенистым веществом, встречаются и у автотрофных, и у гетеротрофных эукариот. Однако, как предки многоклеточных они не перспективны. Среди них нет рядов прогрессивных форм, часто выражена тенденция к утрате подвижности и жгутиков. Прогрессивной чертой является второй способ образования колоний при котором наблюдается прямой контакт между клетками. Для интеграции клеток пальмеллы необходима редукция межклеточного студня, поэтому не они, а колонии справедливо находятся в центре внимания, как формы предшествующие многоклеточности.

Какой могла быть форма колоний? При вступлении клеток в прямой контакт теоретически возможны три способа соединения (рис. 6.4): конец в конец, конец в бок и бок в бок. Древовидные и цепочечные колонии не перспективны в эволюционном плане. Все остальные при увеличении своих размеров превращаются в полый шар и этот путь ведет к бластее. Уже Бэр предполагал, что первичный метазоон был шарообразным. Это представление развивали Геккель, Бальфур и И.И. Мечников.

Проблема интеграции фаз жизненного цикла метагенетического предка

Если мы принимаем точку зрения о метагенетическом предке, то неизменно встает вопрос: касалась ли интеграция в колонию только одной фазы жизненного цикла или всех фаз? Ведь интеграция в принципе может идти двумя путями:

1. Все фенотипы, кроме зиготы, интегрируются в одну колонию. Колония при этом сразу или вскоре после своего формирования состоит из разных клеток. (Стоит наверно заметить, что представить формирование таких колоний весьма проблематично).

2. Вероятнее, что происходила интеграция лишь однородных клеток. Здесь возможны два варианта

а. прочие стадии также стали многоклеточными,

б. клетки, представляющие другие фазы жизненного цикла, остались одиночными. Первый из этих вариантов реализовали высшие вольвоксы, у которых микрогаметы возникая образуют целобии. По-видимому, такой путь вообще характерен для растений у которых в жизненном цикле наблюдается чередование многоклеточных гаметофита и спорофита. У зоотрофных монад подобного чередования многоклеточных поколений не отмечено. Поэтому, можно предположить, что клетки, представляющие другие фазы жизненного цикла предка-протиста, не образовывали собственных колоний, а оставались одиночными. Колония состояла только из хоаноцитов. Различия в путях становления колониальных зоотрофных протистов и фитомонад можно объяснить тем, что последние во всех фазах своего жизненного цикла питаются одним способом, а зоотрофные - многими. От способа питания зависит и тип колонии: ее организация, удобная для микрофага - хоаноцита не подходит для макрофага - агамонта. Более вероятно объединение в колонию более мелких форм, хуже защищенных от хищников.

При построении гипотезы происхождения многоклеточных организмов от метагенетического предка-протиста принципиально важно выяснить судьбу клеток не вошедших в колонию. В качестве возможной модели из известных нам вариантов наверно наиболее адекватной является часто встречающаяся последовательность: агамонт  гамонт  гамета  зигота  агамонт. По крайней мере, одна из этих фаз должна была иметь околожгутиковый воротничек и образовывать колонии. У современных хоанофлагеллят воротничек способствует улавливанию мелких частиц (микрофагия), поэтому он мало подходит агамонту, как наиболее активно питающемуся и крупному. Единственной подходящей неполовой клеткой, приобретшей воротничек в рассматриваемом жизненном цикле, таким образом, является гамонт. Их колонии и дали начало соме многоклеточных. Однако у последних тело строится из зиготы. Возникает проблема лишней стадии - агамонта, ему нет места в этой схеме. Путь от рассматриваемого метагенетического предка к многоклеточному организму открывается через исчезновение стадии агамонта. Возможная причина исчезновения этой стадии - давление хищников. В биоценозах того времени крупные колонии оказались защищены своими размерами даже от многоядерных одноклеточных хищников, чего нельзя сказать об одноклеточной фазе жизненного цикла. Адаптивная перестройка привела к увеличению размеров и времени жизни колоний, к интеграции созревающих гамет в состав колонии и исчезновению агамонтов через сокращение длительности этой фазы до нуля (рис. 6.5).

Гипотеза Бластеи

Основными клетками первичной бластеи были хоаноциты. В составе бластеи непременно имелись созревающие гаметы (рис. 6.6). Полярная концентрация гамет очень вероятна (примером могут служить высшие вольвоксы). Полярность предполагает наличие внутреннего градиента. Кроме того для поступательного движения колонии (а оно является необходимым при поиске пищи) возникновение внутреннего градиента также весьма вероятно.

Особенность воротничковых клеток состоит в том, что гонят воду от себя. Эта сила оказывается некомпенсированной со стороны полюса, где расположены половые клетки и, следовательно, бластея должна была плавать половым полюсом вперед. При этом для поступательного движения колонии наиболее эффективной является работа хоаноцитов на заднем конце колонии. Следствием чего неизбежно должна была явиться дифференциация клеток: на заднем конце колонии концентрируются клетки с сильными удлиненными жгутиками. Прочие хоаноциты специализируются на улавливании пищи. В таком варианте движения завихрений воды позади бластеи не возникает. Сомнительной выглядит модель турбулентной зоны позади плывущей колонии и с позиций физики (подобные расчеты производились, см. Борисов и др., 1986): колонии слишком мелки, а скорость слишком мала.

Предположение, что колонии предков многоклеточных животных содержали внутри себя студенистое вещество, очень вероятно. Наличие студня внутри многих современных неродственных колониальных организмов позволяет говорить о необходимости для крупных колоний такого образования. Конструкции, состоящие только из клеток без жестких оболочек, непрочны. В итоге представляется следующий организм (рис. 6.6):

- наружный слой клеток с преобладанием хоаноцитов,

- на переднем конце колонии концентрируются гаметы,

- на заднем конце имеется группа "моторных" клеток с длинными жгутиками,

- бластоцель заполнен опорным гелем,

- имеются микро- и макрогаметы,

- онтогенез состоит из дробления зиготы и монотомического роста образующейся при дроблении сферы.

При длительном развитии происходит разделение клеток метазоона на две группы - внешние и внутренние.

Список литературы

Борисов И.Н., Дунаев П.В., Бажанов А.Н. Филогенетические основы тканевой организации животных. - Новосибирск: Наука, 1986. - 238 с.

Гилберт С. Биология развития. - М.: Мир, 1993. - Т. 1. - с.

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. - 368 с.

Маргелис Л. Роль симбиза в эволюции клетки. - М.: Мир, 1983. - 352 с.

Общая биология

Лекция 7

Появление и становление полового размножения