Эпоха «Земли-снежка» могла дать импульс к развитию многоклеточности
Накоплено уже немало геологических данных, согласно которым сотни миллионов лет назад вся Земля замерзла и покрылась льдом. Удивительно, но жизнь не только пережила это событие, но и сформировала за время оледенения новые многоклеточные формы. Во всяком случае, в последние полгода опубликовано целых две расчетные работы со свидетельствами в пользу такого сценария. В одной из них авторы методом молекулярных часов датировали массовую дивергенцию многоклеточных водорослей именно периодом криогения (~720–635 млн лет назад). Во второй представлена математическая модель, показывающая, как снижение температуры и рост вязкости среды в период промерзания океанов мог заставить многоклеточные организмы становиться крупнее. Пока эти работы сложно сопоставить напрямую, но предположение о «Земле-снежке» как глобальном старте многоклеточной жизни становится все сильнее.
Примерно 800 миллионов лет назад вся Земля покрылась льдом (см. Глобальное оледенение в неопротерозое могло быть вызвано падением астероида, «Элементы», 26.02.2024). По одним предположениям, осталась узкая полоска жидкой воды на экваторе, по другим — замерзли все океаны. Земля превратилась в сплошной ледяной пейзаж (который сейчас можно видеть лишь в Антарктиде), а ее температура упала примерно до температуры современного Марса (рис. 1). Жидкая вода сохранилась только на ограниченных участках или вовсе только в тонком слове подповерхностной воды, подогреваемой геотермальной энергией. Это было колоссальное «бутылочное горлышко» для всей земной жизни. Прошли миллионы лет, прежде чем вулканы снова потихоньку разогрели планету за счет парникового эффекта.
Такой цикл планета прошла два раза за короткое время. Вместе эти два оледенения образуют период криогений, длившийся с 720 млн лет назад до 635 млн лет назад. Но самое интересное началось потом. Вскоре после того, как планета окончательно оттаяла, произошел бурный рост разнообразия животных, так называемый «кембрийский взрыв» — в то время как время до глобальных оледенений известно как «скучный миллиард». Это закономерно приводит к предположению: не связана ли «Земля-снежок» с активным формированием многоклеточных форм жизни?
Первые свидетельства в пользу этого появились еще в 2011 году, когда группа исследователей провела датировку дивергенции основных групп животных с использованием молекулярных часов, откалиброванных по 24 окаменелостям (Диверсификация животных началась задолго до кембрийского взрыва, «Элементы», 13.12.2011). Оказалось, что группы животных, обильно «отпечатавшиеся» в кембрийских окаменелостях, зародились гораздо раньше — в эдиакарском периоде. А основные группы могли зародиться еще в криогении.
Метод молекулярных часов — способ датировки расхождения ветвей эволюционного древа по количеству нуклеотидных или аминокислотных замен, прошедших со времени жизни их общего предка. Чтобы «пересчитать» количество замен на время, необходимо знать скорость их накопления в разных ветвях дерева — так как она непостоянная. Для ее вычисления обычно используются окаменелости, положение которых на дереве точно известно. Они датируются другими методами, и по ним высчитывается скорость замены. Такой расчет называется калибровкой молекулярных часов.
В феврале 2024 года в журнале Genome Biology and Evolution вышла похожая статья по оценке времени дивергенции архепластид (Archaeplastida, рис. 2) — крупной таксономической группы, объединяющей в себе растения, зеленые водоросли и красные водоросли. Группа исследователей из Бристольского университета сделала с ними то же самое, что более 10 лет назад их коллеги сделали с животными: оценила время появления основных многоклеточных групп, откалибровав молекулярные часы по окаменелостям. Правда, окаменелостей на этот раз было меньше — всего 15 штук. Однако статистический инструментарий был усилен за счет реконструкции предкового состояния — методики, позволяющей вычислить характеристики общего предка по характеристикам его потомков. В данном случае исследователей интересовала реконструкция одноклеточности/многоклеточности.
Выяснилось, что в период криогения возникли и дивергировали три крупных многоклеточных таксона водорослей: Anydrophyta, Eurhodophytina и Chaetaophorales (рис. 3). Из них первый впоследствии дал начало наземным растениям — то есть, в какой-то степени, оледенение заложило основы для того зеленого пейзажа, который мы сейчас наблюдаем (S. Rensing, 2020. How Plants Conquered Land).
Сразу отмечу, что некоторые водоросли — бриопсидовые и ульвовые — в период «Земли-снежка» оставались одноклеточными (правильнее будет сказать, что одноклеточными оставались их предки). Многоклеточность сформировалась у них гораздо позже — то есть жить в океане обледеневшей Земли для этого не обязательно. Более того, многоклеточность возникала на Земле более двух десятков раз, и было бы опрометчиво считать, что они все возникли в период оледенения. Молекулярные предпосылки для многоклеточности формировались независимо от климатических катастроф. Очевидно, что оледенение лишь в какой-то степени ускорило отбор на многоклеточность, но как?
Всего лишь за месяц до публикации статьи бристольских ученых группа американских математических биологов — независимо от них! — опубликовала теоретическую модель воздействия условий «Земли-снежка» на два типа организмов. Первый тип — обычный одноклеточный организм, а второй — шарик из подвижных клеток со жгутиками, называемый хоанобластулой (рис. 4).
В наше время сходную с хоанобластулой морфологию имеют, например, вольвоксовые зеленые водоросли, и это одно из самых простых «решений» для многоклеточности в водной среде (рис. 5).
Исследователи описали интенсивность метаболизма этих двух организмов как функцию температуры, вязкости среды и доступности питательных веществ. В условиях «Земли-снежка» температура была низкой, а среда вязкой (потому что представляла собой, по сути, ледяное крошево). Расчеты американских исследователей показали, что для выживания в такой среде одноклеточный организм должен был уменьшиться, а вот многоклеточный — увеличиться. То есть в этом ледяном мире мог действовать отбор, направленный на увеличение размеров многоклеточных организмов. Тогда они действительно вышли бы из криогения больше, сложнее... и разнообразнее!
Правда, здесь есть одно «но»: обсуждаемая математическая модель разработана для многоклеточного организма-хоанобластулы. Но как раз массового появления хоанобластул после криогения мы и не видим! Да и в современном многоклеточном мире это не самая распространенная форма. И уж тем более она имеет мало отношения водорослям из статьи британских ученых: у водорослей план строения имеет вид «ниточка из клеток», а не «шарик из клеток». Возможно, расчеты для хоанобластулы могут быть экстраполированы на другие планы строения, но пока математические основы такой экстраполяции неясны.
Тем не менее, неожиданное совпадение по времени двух статей, показывающих возможную роль глобального оледенения в возникновении многоклеточности, заслуживает внимания. Пока между данными разных работ по этой теме существует методологический разрыв — их сложно сопоставить друг с другом напрямую и выстроить из них единую стройную теорию. Но работать с ними в рамках сильной гипотезы уже вполне можно — и проводить дальнейшие исследования в этой области.
В заключение стоит сказать, что гипотеза о роли «Земли-снежка» в эволюции многоклеточности смотрится очень поэтично. Ведь получается, что, не будь этого мертвого ледяного безмолвия сотни миллионов лет назад, наш мир сейчас не был бы таким зеленым, интересным, полным насекомых, рыб и млекопитающих. Но многоклеточность — настолько сложный феномен, что о нем написаны целые книги. И свести его к одному фактору в любом случае невозможно: его многократно формировали самые разные события и условия. Вот это удивляет и восхищает по-настоящему.
Источники:
1) Alexander M. C. Bowles, Christopher J. Williamson, Tom A. Williams, Philip C. J. Donoghue. Cryogenian Origins of Multicellularity in Archaeplastida // Genome Biology and Evolution. 2024. DOI: 10.1093/gbe/evae026.
2) William W. Crockett, Jack O. Shaw, Carl Simpson, Christopher P. Kempes. Physical constraints during Snowball Earth drive the evolution of multicellularity // Proceedings of the Royal Society B. 2024. DOI: 10.1098/rspb.2023.2767.
Георгий Куракин