|
Энергетические потребности многоклеточной жизни
|
|
|
|
Между 1,8 миллиардами и 800 миллионами лет назад жизнь на Земле переживала упадок. В течение этого периода, получившего название "скучный миллиард", сложность жизни оставалась минимальной, преобладали одноклеточные организмы, лишь изредка переходившие в многоклеточные формы. Эта эпоха подготовила почву для последующего появления сложной многоклеточной жизни, что стало ключевой главой в истории эволюции.
|
|
|
|
В новом исследовании исследователь из Университета штата Аризона Майкл Линч исследует значительные энергетические потребности, необходимые для поддержания и развития многоклеточной жизни. Исследование, проведенное на примере водяной блохи Дафнии в качестве модельного организма, показало, что многоклеточным организмам требуется значительно больше энергии, чем одноклеточным. На самом деле, исследования показывают, что этим организмам требуется более чем десятикратное увеличение энергии по сравнению с протистами — более простыми, в основном одноклеточными организмами.
|
|
|
|
Полученные данные свидетельствуют о том, что дыхание и другие метаболические процессы имеют решающее значение для развития высокоразвитых организмов, проливая свет на условия, необходимые для поддержания изобилия сложной жизни, которой мы окружены сегодня. Кроме того, в исследовании подчеркивается важность фундаментальных биологических процессов, которые, вероятно, имеют отношение к любой форме жизни, основанной на углероде и дышащей кислородом, независимо от ее планетарного происхождения.
|
|
|
|
|
|
|
"Никто не сомневается в том, что многоклеточность может принести существенные преимущества, но возможность получения таких преимуществ сопряжена с большими инвестиционными затратами", - говорит Линч, профессор Школы естественных наук АГУ, который также руководит Центром биодизайна механизмов эволюции при АГУ. Исследование опубликовано в текущем номере журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
|
|
Повышающая сложность
|
|
|
|
Каждый организм, от одноклеточной бактерии до человека, нуждается в энергии для выживания. Одноклеточным организмам требуется относительно немного энергии для роста и размножения, поскольку у них отсутствуют сложные ткани и системы. Но многоклеточным организмам — организмам, состоящим из множества клеток, таким как растения, животные и грибы, — требуется значительно больше энергии для поддержания дополнительных структур, таких как ткани, которые помогают клеткам взаимодействовать и держаться вместе.
|
|
|
|
Такой скачок в потребностях в энергии обусловлен эволюцией структур, которые не участвуют непосредственно в росте или размножении, но необходимы для многоклеточной жизни. Эти особенности позволили организмам стать крупнее и универсальнее, но они также увеличивают затраты энергии на само существование.
|
|
|
|
Один из способов понять энергетические потребности многоклеточной жизни - изучить АТФ-синтазу, молекулярный механизм в клетках, который производит АТФ, универсальный источник энергии в биологии. Многоклеточные организмы в значительной степени зависят от АТФ-синтазы, поскольку каждая клетка в многоклеточном организме нуждается в энергии, а стоимость энергии растет с увеличением количества клеток.
|
|
|
|
Исследования показывают, что многоклеточным существам, или многоклеточным животным, требуется значительно больше АТФ-синтазных комплексов по сравнению с более простыми одноклеточными организмами. С каждой новой клеткой возрастает потребность в энергетических соединениях. У многоклеточных организмов, таких как дафнии, разновидность крошечных водных животных, потребность в энергии значительно возрастает с увеличением размера, но этот общий принцип, по-видимому, распространяется и на всех других животных, включая позвоночных.
|
|
|
|
На каждую единицу массы тела этим организмам требуется в 30-50 раз больше кислорода, чем простейшим. Этот дополнительный кислород обеспечивает их сложные потребности в клеточной коммуникации и поддержании тканей. Использование дафний позволяет исследователям внимательно изучить динамику этих энергий благодаря их относительной простоте среди многоклеточных организмов и простоте культивирования в лабораторных условиях.
|
|
Выращивание дафний обходится недешево
|
|
|
|
В то время как более крупные одноклеточные организмы, такие как некоторые амебы, становятся более эффективными по мере роста, многоклеточным организмам требуется больше энергии на единицу биомассы по мере их увеличения в размерах. Это различие подчеркивает уникальные проблемы, связанные с многоклеточностью в процессе эволюции. Рост тканей и развитие систем, поддерживающих многоклеточные функции, требуют большего количества АТФ, что приводит к "ограничению скорости" обмена веществ в зависимости от того, насколько быстро эти организмы могут расти и созревать.
|
|
|
|
Почему возникла многоклеточность, учитывая высокие энергетические затраты? Ответ может заключаться в эволюционных преимуществах, которые дает многоклеточная жизнь, включая способность потреблять одноклеточные организмы в больших количествах, избегать хищников и обитать в различных средах. Но у такого образа жизни есть своя цена: высокие базовые энергетические затраты, с которыми организмы должны постоянно сталкиваться, чтобы выжить.
|
|
|
|
Несмотря на то, что потребности многоклеточной жизни в энергии значительны, эти затраты уравновешиваются выгодами для выживания. Многоклеточные животные, которые могли удовлетворять эти потребности в энергии, добились больших эволюционных успехов, сформировав сложные экосистемы, которые мы видим сегодня. Однако этот высокоэнергетический образ жизни также накладывает ограничения на скорость роста и размножения организмов, влияя на форму и продолжительность жизни многоклеточных видов на древе жизни.
|
|
На пути к новым открытиям
|
|
|
|
Это исследование сосредоточено на организмах, подобных животным, которые дышат аэробно. Чтобы полностью понять энергетические затраты, связанные со сложностью, исследователи планируют распространить полученные результаты на другие формы жизни, включая растения и грибы, которые могут обладать уникальными энергетическими стратегиями. Это исследование дает дополнительные ключи к пониманию того, почему многоклеточным формам жизни потребовалось значительное время, чтобы появиться и разнообразиться на Земле.
|
|
|
|
Понимание высоких энергетических потребностей многоклеточной жизни позволяет предположить, что ограничения, связанные с биоэнергетикой, могут быть универсальным явлением. Принципы преобразования и потребления энергии, такие как роль АТФ-синтазы и ее энергетические затраты, являются важнейшими биологическими процессами. Они, вероятно, применимы к любой жизни, основанной на углероде и дышащей кислородом, независимо от того, где она существует во Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
