Первые многоклеточные организмы появились в эре


Ученые исследуют механизмы, с помощью которых отдельные клетки могли бы эволюционировать и закрепить свое групповое поведение. Именно это могло проложить путь к возникновению многоклеточной жизни. Эти открытия могут пролить свет на то, какими именно путями сложная жизнь может эволюционировать в инопланетных мирах.

Первые известные одноклеточные организмы появились на Земле около 3,5 миллиарда лет назад. Это произошло примерно через миллиард лет после образования нашей планеты. Возникновение более сложных форм жизни заняло гораздо больше времени. Первые многоклеточные животные появились лишь 600 миллионов лет назад.

Эволюция многоклеточных организмов из простых, одноклеточных микробов была поворотным моментом в истории биологии Земли. И резко изменила экологию планеты. Одна из загадок о многоклеточных организмах заключается в том, почему клетки не вернулись опять в состояние одноклеточных.

Ответ на вопрос

«Вероятно, клетки больше выигрывают от совместной работы, чем от одиночества. При этом в сценариях сотрудничества постоянно появляются заманчивые возможности для того, чтобы некоторые клетки уклонялись от своих обязанностей. То есть «ленились», — заявил один из авторов нового исследования.


«В качестве примера рассмотрим колонию муравьев, где только королева кладет яйца. А рабочие, которые не могут размножаться, должны пожертвовать собой ради колонии», — добавил ученый. «Что мешает муравьям покинуть колонию и создать новую? Очевидно то, что муравей не может сам себя воспроизвести. Поэтому он не может основать свою собственную колонию. Но если у него есть мутация, которая позволила бы ему это сделать, тогда это стало бы настоящей проблемой для колонии. Такая борьба распространена в эволюции многоклеточных. Потому что первые многоклеточные организмы были всего лишь мутацией от строго одноклеточных».

Эксперименты показали, что группа микробов, вырабатывающая полезные молекулы, которые могут использовать все члены группы, будет расти быстрее, чем группы, которые этого не делают. Но в пределах этой группы быстрее всего выигрывают «халявщики». Которые не расходуют ресурсы или энергию для секреции этих молекул. Другим примером клеток, которые растут таким образом, что вредят другим членам их групп, являются раковые клетки. Они являются потенциальной проблемой для всех многоклеточных организмов.

Действительно, многие примитивные многоклеточные организмы, вероятно, испытывали как одноклеточные, так и многоклеточные состояния. И вполне имели возможность отказаться от группового образа жизни. Например, бактерия Pseudomonas fluorescens быстро развивается, чтобы генерировать многоклеточные области на поверхностях, и получить лучший доступ к кислороду. Однако, как только коврик сформировался, одноклеточные «лентяи» перестают производить материалы, ответственные за формирование пленки. Что в конечном счете приводит к разрушению всего образования.


Храповые механизмы

Чтобы решить тайну того, как сохраняется многоклеточная жизнь, ученые предлагают то, что они называют «храповыми механизмами». «Храповики — это устройства, которые позволяют двигаться только в одном направлении. По аналогии, храповые механизмы обеспечивают преимущества группового существования. Но при этом наносят ущерб одиночкам. И это в конечном итоге предотвращает возвращение в одноклеточное состояние» — заявили Либби и соавтор его исследования Уильям Ратклифф.

В целом, чем больше клеток в группе становятся взаимодополняющими, тем больше их работает в качестве храпового механизма. Например, группы клеток могут разделить труд так, что некоторые клетки будут выращивать одну жизненно важную молекулу. В то время как другие клетки вырабатывать другое не менее важное соединение. Поэтому эти клетки лучше взаимодействуют друг с другом. И это подтверждается недавними экспериментами с бактериями.

Это также может объяснить симбиоз между древними микробами, которые привели к появлению симбионтов, живущих внутри клеток, это такие организмы, как митохондрии и хлоропласты. Они помогают своим хозяевам использовать кислород и солнечный свет. Одноцепочечные организмы, известные как Paramecia, плохо развиваются. Когда как экспериментально полученные фотосинтетические симбионты обычно теряют гены, которые необходимы для жизни вне их хозяев.

Самоубийцы


Эти храповые механизмы могут привести к результатам, кажущимся бессмысленными. Например, апоптоз или запрограммированная гибель клеток. Это процесс, при котором клетка по существу подвергается самоубийству. Однако эксперименты показывают, что более высокие показатели апоптоза могут действительно иметь преимущества. В больших кластерах дрожжевых клеток апоптотические клетки действуют как слабые звенья. Их смерть позволяет небольшим скоплениям дрожжевых клеток вырваться на свободу. И продолжать распространяться в другом месте. Где у них может быть больше места и питательных веществ для роста.

«Это преимущество не работает для отдельных ячеек. А это означает, что любая ячейка, покинувшая группу, будет иметь недостаток», — сказал Либби. «Эта работа показывает, что клетка, живущая в группе, может жить принципиально другой жизнью, чем клетка, живущая сама по себе. Окружающая среда может быть настолько различной, что черты, пагубные для одиночного организма, такие как повышенная смертность, могут стать выгодными для клеток в группе».


Что же эти результаты означают в поисках чужой жизни? Либби заявляет, что это исследование показывает, что поведение внеземных организмов может показаться странным. Пока мы поймем, что организм может быть членом группы.

«Организмы в сообществах могут демонстрировать поведение, которое казалось бы странным или противоречивым, без надлежащего рассмотрения его общего контекста», — сказал Либби. «По сути, это напоминание о том, что головоломка представляет собой загадку. До тех пор пока вы не узнаете, как она вписывается в более широкий контекст».

Источник: alivespace.ru

Начало протерозойской эры.

  История нашей планеты многообразна и увлекательна в каждом своем периоде, но стоит отдельно выделить временной отрезок, под названием «Протерозойская эра». Это самый длинный период за всю историю Земли, он вмещает в себя великое множество событий и является ключевым в формировании современного облика планеты. Для начала, стоит выделить наиболее значимые события, произошедшие во времена протерозоя:

  1. Кислородная катастрофа 
  2. Формирование мирового океана
  3. Возникновение фотосинтеза
  4. Гуронское оледенение
  5. Возникновение многоклеточных организмов
  6. Формирование почвенного покроя

  В начальном периоде протерозоя, в атмосфере значительно возросло содержание кислорода. Этот газ вступал в реакцию с метаном, что привело к увеличению количества воды на Земле и повлияло на повышение уровня мирового океана. Вода являлась благоприятной средой, для появления первых простейших организмов – прокариотов и эукариотов.

 

Появление первых многоклеточных организмов.

  Одноклеточные организмы стремительно развивались и эволюционировали, это привело к скорому возникновению многоклеточных организмов, среди которых стоит выделить:

  1. Водоросли
  2. Дрожжи
  3. Грибы

  Первоначально, эти виды представляли собой колонии одноклеточных организмов, они объединялись между собой, создавая сложную систему, где каждой клетке отводились определенные функциональные обязанности, направленные на развитие всей колонии. Этот процесс, значительно ускорил развитие жизни на нашей планете и дал основу, для возникновения более сложных форм жизни. Подробнее стоит рассказать о водорослях, сыгравших важную роль в развитии экосистемы.

Водоросли.

  Первоначально, водоросли являлись колониями одноклеточных организмов, со временем они эволюционировали и стремительно распространились по дну мирового океана. Эти растения, участвовали в процессе почвообразования и послужили кормовой базой, для многих видов животных. Помимо этого, водоросли активно выделяли кислород, чем способствовали улучшению условий жизни на планете.

Первые многоклеточные организмы появились в эре

Возникновение животного мира.


  В глубинах мирового океана, продолжалось бурное развитие жизни, следующим витком эволюции, стало возникновение простейших видов животного мира. Представители этого царства, кардинально отличались от прочих форм жизни на земле. Они могли размножаться половым путем, питались представителями царства растений, отличались более сложным строением тела, и в большинстве, были способны к самостоятельному перемещению. К наиболее известным и изученным, следует отнести следующие виды:

  1. Гребневики
  2. Губки
  3. Плоские черви
  4. Хордовые  
  5. Медузы

 Большинство этих примитивных животных организмов, сформировались только к концу протерозойской эры, но они послужили основой, для возникновения многих современных видов и, поэтому о некоторых из них, стоит рассказать подробнее.

Плоские черви.


  Плоские черви, являются одними из древнейших представителей животного мира, они обитали на дне водоемов и питались останками водорослей и грибов. Большинство видов этих существ, отличались маленькими размерами – не более 2мм. Но, ни смотря на это, они уже имели центральную нервную систему и ярко выраженный головной отдел, в котором располагались органы чувств. Плоские черви не имели дыхательной и кровеносной систем, но развили примитивную пищеварительную систему, что значительно ускорило их эволюцию. 

Губки.

  В отличии от большинства представителей животного мира, губка не способна самостоятельно передвигаться и ведет прикрепленный образ жизни. Она цепляется за морское дно и живет, пропуская через себя воду содержащую органические частицы, которыми она питается. Губка не имеет внутренних органов, а все функции жизнедеятельности выполняют совокупности клеток- клеточные пласты. В природе, встречается огромное количество видов этих существ, некоторые из них, стали хищниками, но большинство предпочитают мирное существование. Губки имеют развитую иммунную систему, вырабатывая защитные вещества, в случае попадания в организм вредоносных бактерий. Эту особенность обитателя глубин, люди поставили себе на службу, синтезируя с их помощью действенные лекарства от многих болезней.


Гребневики.

  Первые виды гребневиков, появились в конце протерозойской эры, это были полупрозрачные животные, достигающие в размере нескольких миллиметров. Все виды, являлись хищниками и питались микроорганизмами, либо более мелкими животными. Передвигались гребневики с помощью ресничек, покрывавших их тело, это были не только органы движения, но одновременно и органы чувств. Эти животные, имели зачаточную нервную систему, а питались они, просто проглатывая добычу. Современные гребневики, могут достигать до полутора метра в длину, однако в остальном, их строение мало изменилось с давних времен.

Медузы.

  Тело медузы на 98% состоит из воды и, поэтому медуза скорее дрейфует, чем плавает.
льшая часть их тела, состоит из соединительной ткани и по форме напоминает зонтик, либо колокол. Перемещается медуза, путем сокращения мышц, выбрасывая из полости тела воду под давлением, такой способ движения называется – реактивным. Питаются эти жители вод, различными микроорганизмами, либо личинками других животных видов. Медузы не имеют центральной нервной системы, ее функции выполняют нервные узлы, передающие сигналы органам чувств. 

Влияние протерозойской эпохи на современный мир.

  Подводя итог под всем вышесказанным, можно с уверенностью утверждать, что процессы, происходящие в протерозое, оказали огромное влияние на современный мир. Появление многоклеточных организмов, заложило фундамент в формировании современной флоры и фауны, многие современные организмы, являются прямыми потомками древних форм жизни. Колонии водорослей, создали почвенный покров, необходимый для возникновения совершенно новых форм жизни и участвовали в постоянном процессе повышения уровня кислорода в атмосфере. Все это, являлось основой мира, наблюдаемого нами сегодня и этом процесс не стоит на месте.

Источник: www.istmira.com

Почему многоклеточные организмы?

Переход от одноклеточных к многоклеточным организмам является одним из самых волнующих и обсуждаемых вопросов среди биологов. Однако, прежде чем обсуждать возможные сценарии, которые привели к многоклеточности, мы должны спросить себя, почему необходимо или полезно быть организмом, состоящим из множества клеток.

Размер ячейки и отношение объема поверхности (S / V)

Средняя клетка, которая является частью тела овоща или животного, имеет диаметр от 10 до 30 микрометров. Организм не может увеличиваться в размерах, просто увеличивая размер отдельной клетки из-за ограничений, накладываемых взаимосвязью между поверхностью и объемом..

Различные газы (такие как кислород и углекислый газ), ионы и другие органические молекулы должны входить и выходить из клетки, пересекая поверхность, ограниченную плазменной мембраной.

Оттуда он должен распространяться по всему объему клетки. Таким образом, соотношение между поверхностью и объемом ниже в больших ячейках, если сравнить его с тем же параметром в больших ячейках.

Очень большая ячейка имеет ограниченную поверхность обмена

Следуя этим рассуждениям, мы можем прийти к выводу, что поверхность обмена уменьшается пропорционально увеличению размера ячейки. Давайте использовать в качестве примера 4 см куб, объемом 64 см.3 и поверхность 96 см2. Соотношение будет 1,5 / 1.

Напротив, если мы возьмем один и тот же куб и разделим его на 8 кубов по два сантиметра, соотношение будет 3/1.

Поэтому, если организм увеличивает свой размер, что полезно в нескольких аспектах, таких как поиск пищи, передвижение или бегство от хищников, предпочтительно делать это путем увеличения числа клеток и, таким образом, поддерживать подходящую поверхность для обменные процессы.

Преимущества многоклеточного организма

Преимущества многоклеточного организма выходят за рамки простого увеличения размера. Многоклеточность позволила увеличить биологическую сложность и сформировать новые структуры.

Это явление позволило эволюции очень сложных путей сотрудничества и взаимодополняемости поведения между биологическими объектами, которые составляют систему.

Недостатки многоклеточного организма

Несмотря на эти преимущества, мы находим примеры — как у нескольких видов грибов — потери многоклеточности, возвращающейся к наследственному состоянию одноклеточных существ.

Когда между клетками организма происходит сбой систем сотрудничества, могут возникнуть негативные последствия. Самый показательный пример — рак. Тем не менее, есть несколько способов, которыми в большинстве случаев удается обеспечить сотрудничество.

Какими были первые многоклеточные организмы?

По словам некоторых авторов, начало многоклеточности уходило в глубокое прошлое, более 1000 миллионов лет назад (например, Selden & Nudds, 2012)..

Поскольку формы переходов плохо сохранились в окаменелостях, мало что известно о них, а также о физиологии, экологии и эволюции, что затрудняет процесс разработки реконструкции зарождающейся многоклеточности..

На самом деле, неизвестно, были ли эти первые окаменелости животными, растениями, грибами или какой-либо из этих линий. Окаменелости характеризуются как плоские организмы с большой поверхностью / объемом.

Эволюция многоклеточных организмов

Поскольку многоклеточные организмы состоят из нескольких клеток, первым шагом в эволюционной эволюции этого состояния должна быть группировка клеток. Это может произойти по-разному:

Колониальная и симбиотическая гипотеза

Эти две гипотезы предполагают, что первоначальным предком многоклеточных существ были колонии или одноклеточные существа, которые установили симбиотические отношения друг с другом..

Пока не известно, был ли агрегат образован из клеток с дифференциальной генетической идентичностью (таких как биопленка или биопленка) или из стволовых и дочерних клеток — генетически идентичны. Последний вариант более вероятен, поскольку в связанных клетках генетические конфликты интересов исключены.

Переход существ, состоящих из одной клетки, к многоклеточным организмам включает в себя несколько этапов. Первое — это постепенное разделение труда внутри клеток, которые работают вместе. Некоторые принимают соматические функции, а другие становятся репродуктивными элементами.

Таким образом, каждая ячейка становится все более зависимой от своих соседей и приобретает специализацию в конкретной задаче. Отбор отдавал предпочтение организмам, сгруппированным в этих примитивных колониях, по сравнению с теми, которые остались в одиночестве..

В настоящее время исследователи ищут возможные условия, которые привели к образованию этих групп, и причины, которые могут привести к их предпочтению — перед лицом одноклеточных форм. Используются колониальные организмы, которые могут помнить гипотетические колонии предков.

Синцитио гипотеза

Синцитий — это клетка, которая содержит несколько ядер. Эта гипотеза предполагает формирование внутренних мембран в предковом синцитии, что позволяет создавать множество компартментов в одной клетке..

Происхождение многоклеточных организмов

Данные, которые в настоящее время используются, указывают на то, что многоклеточное состояние появилось независимо более чем в 16 эукариотических линиях, включая животных, растения и грибы..

Применение новых технологий, таких как геномика и понимание филогенетических отношений, позволило нам предположить, что многоклеточность пошла по общему пути, начиная с кооптации генов, связанных с приверженностью. При создании этих каналов достигается связь между клетками.

ссылки

  1. Brunet, T. & King, N. (2017). Происхождение животных многоклеточной и клеточной дифференцировки. Развивающая клетка43(2), 124-140.
  2. Кертис Х. & Шнек А. (2008). Curtis. биология. Ed. Panamericana Medical.
  3. Кнолль, А. Х. (2011). Многократное происхождение сложной многоклеточности. Ежегодный обзор наук о Земле и планетах39, 217-239.
  4. Michod, R.E., Viossat, Y., Solari, C.A., Hurand, M. & Nedelcu, A.M. (2006). Эволюция жизненной истории и происхождение многоклеточности. Журнал теоретической биологии239(2), 257-272.
  5. Ratcliff, W.C., Denison, R.F., Borrello, M. & Travisano, M. (2012). Экспериментальная эволюция многоклеточности. Известия Национальной академии наук109(5), 1595-1600.
  6. Roze, D. & Michod, R.E. (2001). Мутация, многоуровневый отбор и эволюция размера пропагул во время возникновения многоклеточности. Американский натуралист158(6), 638-654.
  7. Selden, P. & Nudds, J. (2012). Эволюция ископаемых экосистем. CRC Press.

Источник: ru.thpanorama.com

Внимание Реталлака привлек тот факт, что породы, окружавшие останки эдиакарских существ, не были похожи по своей структуре и минеральному составу на осадочные отложения, сформировавшиеся на дне моря. Ученый решил проверить свои подозрения, изучив химический состав образцов из Эдиакарских холмов и их микроструктуру при помощи электронного микроскопа.

Химический состав почвы, а также форма и размеры минеральных зерен говорят о том, что эта часть Австралии находилась не в зоне тропического, а умеренного или даже субарктического климата. Вода у берегов будущих Эдиакарских холмов должна была замерзать во время зимы, что ставит под сомнение возможность существования примитивных многоклеточных внутри нее.

С другой стороны, минеральный состав пород, окружающих отпечатки, очень похож на палеозоли — окаменевшие фрагменты древних почв. В частности, у образцов из Эдиакарских холмов и других фрагментов палеозолей совпадает изотопный состав, а на поверхности образцов присутствуют микроскопические выемки, похожие на пленочные колонии бактерий или примитивные корни лишайников или грибов.

По словам Реталлака, почва и подобные «корни» не должны были существовать на дне мелких заливов или других частей первичного океана. Это позволило ему предположить, что найденные отпечатки на самом деле не являются морскими многоклеточными организмами, а окаменелыми останками лишайников, обитавшими на поверхности суши. Часть из «многоклеточных животных», по мнению исследователя, на самом деле являются следами от кристаллов льда, вмерзших внутрь древней почвы.

Подобный вывод уже встретил критику со стороны научного сообщества. В частности, палеонтолог Шухай Сяо (Shuhai Xiao) из Политехнического университета Виргинии (США) отметил в комментариях к статье в журнале Nature, что микроскопические углубления на поверхности эдиакарских пород могли оставить только движущиеся организмы, а не неподвижные лишайники. По его словам, аналогичные останки многоклеточных организмов были обнаружены и в других отложениях конца протерозоя, чье «морское» происхождение не вызывает сомнения.

Тем не менее, оппоненты Реталлака не отрицают самой возможности того, что в Эдиакарском периоде на Земле могли существовать сухопутные лишайники или колонии бактерий. Однако доказательство этой гипотезы и ее широкое признание потребуют открытия окаменелостей, однозначно указывающих на сухопутное происхождение подобных отпечатков.

Источник: ria.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.