«Многоклеточность возникала на Земле не менее 20 раз». Интервью с биологом Денисом Тихоненковым

Хищные жгутиконосцы, объединяясь для охоты на крупную добычу, могли дать старт развитию многоклеточности на Земле. Это один из главных выводов многолетних исследований ученых из Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и канадского Университета Британской Колумбии. Мы обсудили важнейшие предпосылки появления многоклеточности с автором открытия — Денисом Тихоненковым. Биолог рассказал, какие пути привели к появлению сложных организмов, какую роль в этом процессе сыграл генетический аппарат одноклеточных и почему существа, имеющие ядро, смогли стать многоклеточными, а бактерии — нет.

Справка: Денис Викторович Тихоненков — доктор биологических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник и руководитель группы протозоологии Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, руководитель проектов РНФ «Геномные, морфологические и экологические исследования протистов как ключ к решению важных фундаментальных проблем и ресурс для новых биотехнологий» (2026–2028, грант № 26-14-00261), «Разнообразие и пищевые стратегии хищных протистов в борьбе с вредоносными цветениями водорослей» (2024–2026, грант № 24-44-00093). Научной группе под руководством Д.В. Тихоненкова удалось открыть и описать уникальные одноклеточные эукариотические организмы, которые, согласно анализу ДНК, представляют собой предковые формы многоклеточных животных.

— Ваши исследования одноклеточных организмов привели к удивительной гипотезе: многоклеточность у животных могла начаться с совместной трапезы простейших (протистов) — хищных жгутиконосцев. Расскажите, пожалуйста, подробнее об этой работе.

— Нам удалось открыть уникальные одноклеточные эукариотические организмы (эукариоты (Eukarya) — организмы, в клетках которых есть ядро. — Примеч. ред.) — протистов, которые, согласно анализу ДНК, представляют собой предковые формы многоклеточных животных.

Вообще в природе существуют не одна, а несколько групп таких предковых для животных и человека протистов.

Науке давно известно, что у предков всех многоклеточных есть одноклеточные родственники. Считается, что многоклеточные животные появились на планете около 700 млн лет назад от нашего общего предка с воротничковыми жгутиконосцами — хоанофлагеллятами. Наверняка, многие слышали о них еще со школы. Но есть и другие, более глубокие эволюционные линии предков многоклеточных животных. Именно такие формы мы и нашли в водных пробах из Вьетнама и Чили. Эти жгутиконосцы внешне напоминают «хищные сперматозоиды». Они свободноживущие, обладают сложным жизненным циклом и могут как быть жгутиковыми, так и переходить в амебоидную стадию. Но главная их особенность — способность к кооперации.

Когда одна клетка нападает на крупную добычу — другого протиста, она подает химический сигнал сородичам. Собравшись вместе, эти микрохищники атакуют жертву и поедают ее.

Во время коллективного пира клетки-хищники часто сливаются друг с другом. Затем получившаяся общая клетка начинает дробиться, образуя до 16 новых особей. Напомню, что у многоклеточных животных дробление происходит после образования зиготы. Мы предположили, что именно хищничество и необходимость справляться с крупной жертвой могли стать тем самым эволюционным триггером, который запустил формирование многоклеточности — как агрегированной, так и клональной.

— В чем разница между этими двумя типами многоклеточности?

— При агрегированной многоклеточности объединяются клетки, произошедшие от разных особей, что присуще, например, некоторым амебам, таким как диктиостелиум. Клональная многоклеточность, в свою очередь, представляет собой процесс, при котором организм развивается из одной исходной клетки путем дробления. Именно этот путь характерен для настоящих многоклеточных животных.

— То есть существуют два основных пути развития многоклеточности?

— Да. Вообще в истории Земли многоклеточность возникала независимо более 20 раз в разных эволюционных линиях: у животных, растений, грибов, бурых и красных водорослей и не только. И в каждом случае это происходило по-своему.

И если задуматься, сама многократность этих попыток — более 20 раз! — уже говорит о том, что это не случайность, а закономерный процесс.

Другое дело, что протекал он у всех по-разному. Многоклеточность оказалась эволюционно выгодным и закономерным признаком. Хотя здесь есть и доля случайности, потому что гены, которые легли в основу многоклеточности, изначально возникли у наших одноклеточных предков для решения других задач. Таким образом, эволюция использовала для создания многоклеточности то, что уже было под рукой. Если бы набор этих «заготовок» был иным, мир живой природы мог бы выглядеть совершенно иначе.

— Чем многоклеточность принципиально отличается от колониальности?

— Колониальность — это более простой тип организации. У таких форм нет жесткой генетической программы, заставляющей клетки функционировать как единое целое. У них зачастую отсутствуют химическая сигнализация между клетками и сложные гены адгезии (слияния), интеграции, сигнализации и дифференциации. Для появления настоящей многоклеточности требуется подобный комплексный молекулярный механизм, чтобы клетки развивались по единой программе и формировали сверхорганизм, а не просто образовывали временное объединение «эгоистичных» клеток, которое может распасться под влиянием внешних факторов.

— Получается, без специального генетического аппарата многоклеточность просто невозможна?

— Именно. Важнейшее условие — наличие специальных генов, которые ранее у одноклеточных, как я уже говорил, выполняли совсем другие функции: например, гены клеточной сигнализации нужны были для распознавания клеток своего вида или клеток добычи. Но в ходе эволюции эти уже имеющиеся у протистов механизмы оказались полезны для формирования многоклеточного организма.

— Как вы думаете, другие одноклеточные (например, бактерии и археи) могут потенциально развить такой генетический аппарат в будущем? Или для них эта опция уже недоступна?

— За долгую эволюционную историю длиной более 4 млрд лет у каких-то линий одноклеточных существ эти гены появились, у каких-то нет. И теперь, наверное, уже не появятся. Сложно ожидать качественного скачка от тех, у кого за столь длительное время так и не сформировался необходимый генетический потенциал.

— Имеет ли принципиальное значение наличие ядра? Почему вообще сложная многоклеточность смогла развиться только у эукариот?

— Да, это ключевой момент. Ядерная оболочка и специальная упаковка генетического материала играют важнейшую роль для развития многоклеточности. Структура ДНК эукариот, особенно наличие некодирующих последовательностей, обеспечивает тонкую настройку работы генома, который устроен гораздо сложнее, чем у прокариот, и при этом его сложнее нарушить, так как он точнее воспроизводится. Поэтому эукариоты и смогли пойти по пути усложнения, в то время как бактерии выбрали другую стратегию.

— Какую именно?

— Бактерии сделали ставку на скорость размножения и колоссальную биомассу. Их стратегия выживания — смещение генетического потенциала в сторону развития специфических метаболических функций, позволяющих выживать, достигать огромной численности и захватывать среду обитания, зачастую конкурируя с эукариотами. Классический пример — цианобактериальные цветения, которые сегодня представляют огромную проблему в связи с потеплением климата и ростом антропогенной нагрузки. Цианобактерии выделяют токсические вещества — цианотоксины, делая водную среду непригодной для обитания многих многоклеточных.

— Кстати, о цианобактериях. У них ведь есть дифференцированные клетки, каждая из которых выполняет свою функцию. Их можно назвать полноценно многоклеточными?

— Полноценно нет, только условно, ведь они все равно устроены намного проще, чем настоящие многоклеточные организмы. У цианобактерий может быть, например, три типа разных клеток: связанных с фотосинтезом, фиксацией азота или покоящейся стадией. Но это несравнимо с разнообразием клеток, органов и тканей у животных или растений.

— А в будущем они могут стать полноценно многоклеточными?

— Такими, как животные или растения, точно нет. Их геномы уже расшифрованы, и в них просто нет генов, которые могли бы реализовать подобные сложные функции.

— Вы упомянули проблему цветения. Как биологи пытаются с этим бороться?

— Это одно из прикладных направлений нашей лаборатории. В коллекции ИБВВ РАН содержится множество хищных эукариот. Некоторые из них активно поедают, например, микроцистис — главного виновника цианобактериальных цветений. Протисты хорошо выедают одиночные клетки цианобактерий, но есть проблема: цианобактерии тоже эволюционируют, приспосабливаются к внешним факторам. У них наблюдается тенденция к формированию агрегаций и многоклеточных форм — и это работает как защита от поедания. С такими колониями нашим хищникам справиться уже гораздо сложнее. Так что биологические методы борьбы упираются в ту самую «многоклеточность» цианобактерий, пусть и примитивную.

— Вернемся к началу нашего разговора и к вашим хищным жгутиконосцам. Им уже дали названия?

— Мы описали несколько новых родов: их латинские названия — Pigoraptor, Tunicaraptor и Syssomonas. Это разные эволюционные линии, но их объединяют сложный жизненный цикл и хищничество. Благодаря этим находкам мы теперь знаем, что до 50% известных предковых форм многоклеточных животных — хищники, способные к кооперации.

Скорее всего, реальный предок животных был протистом, похожим на некий «хищный сперматозоид»: он сочетал в себе сложный жизненный цикл с формированием жгутиковых и амебоидных стадий, способность к агрегации, совместному питанию и последующему дроблению.

— Как вообще можно найти в природе такой новый организм? Ведь это как иголка в стоге сена...

— Это во многом случайный процесс. В целом это всегда сочетание везения и опыта исследователя. Мы изучаем пробы из самых разных мест: тропиков, вулканических источников Камчатки, морей Арктики, пещер и т.д. В тропиках шансы найти что-то необычное выше просто потому, что там одноклеточные менее исследованы. Но четкой корреляции с местом поиска нет: бывает, ждешь реликта из водоема уникальной пещеры, а там — ничего, а простая проба со знакомого побережья вдруг приносит неожиданное открытие.

— Как, если охарактеризовать вкратце, происходит процесс?

— Сначала мы отбираем пробы в природе, а затем в лаборатории с помощью микрокапилляров отсаживаем отдельно заинтересовавшие нас клетки и пытаемся создать условия для их размножения. Это кропотливый процесс. Получив клональную культуру — потомков одной клетки, — мы изучаем их морфологию под световым и электронным микроскопами, выделяем ДНК и РНК, секвенируем транскриптомы (полный набор всех молекул РНК. — Примеч. ред.) и некоторые маркерные гены. Чем больше опыт исследователя, тем легче ему среди тысяч известных форм заметить ту самую, неизвестную.

— А что происходит с этими микрохищниками после того, как они съели добычу? Они остаются вместе или расходятся?

— Эта слившаяся многоклеточная структура начинает дробиться, образуя до 16 новых особей. Они формируют жгутики и расплываются «по своим делам». Если бы они, как вы говорите, оставались вместе, то тогда мы могли бы воочию наблюдать зарождение многоклеточной жизни! Как вы понимаете, этого никто и никогда не видел.

— Вы также известны тем, что впервые открыли миру новое царство живых организмов — Provora. Почему их выделяют именно в отдельное царство, а не в более мелкую таксономическую единицу?

— Действительно, Provora — это не вид и даже не род, а отдельная ветвь эволюционного древа эукариот, супергруппа, или новое царство. Филогеномный анализ — сравнение последовательностей нескольких сотен генов — показал, что эти организмы формируют независимую глубокую линию на филогенетическом древе, близкую к корню древа эукариот. Нами описаны 11 видов, но анализ природной ДНК показал, что в природе их сотни, но их пока никто не видел в микроскоп.

— Где вы их обнаружили?

— Впервые мы нашли их в пробе из Карского моря, привезенной коллегами из арктической экспедиции, а затем и в Черном море, а также у побережья Канады и в Карибском бассейне. К моменту публикации статьи мы отобрали десять видов из разных регионов Земли. Они оказались космополитами: живут в основном в разных морях, но встречаются и в пресных водах.

— Чем еще они интересны?

— Это крошечные одноклеточные, они могут быть размером всего 3 мкм, а микрометр, как известно, составляет 0,001 мм. Эти организмы могут нападать на крупную добычу поодиночке. У них есть шип со стрекательными органеллами, чтобы заякориться на жертве, и специальная вентральная бороздка, работающая как рот: она расширяется, закрывается и откусывает кусок. Настоящие пираньи микромира!

Не менее интересен и их геном. Мы нашли у них целое семейство генов-перфоринов. У человека такие же гены работают в иммунных клетках, создавая перфорации в мембранах инфицированных клеток.

У Provora иммунной системы нет, но эти же гены, вероятно, помогают им продырявить клетку жертвы, чтобы легче было откусить кусок.

— Над какими задачами вы работаете сейчас?

— Проектов много. Мы стараемся сочетать фундаментальную науку с практически-значимыми разработками. Одно из интересных направлений — биобезопасность. Анализ природной ДНК показывает, что в окружающей среде есть множество генетических последовательностей, родственных патогенам, с которыми человечество еще не сталкивалось. Как выглядят носители этих ДНК, неизвестно. Мы пытаемся найти эти клетки в пробах воды и почвы. Иногда это удается. Например, недавно мы выделили в культуру новый организм — родственника малярийных паразитов. Ранее ДНК, схожую с ДНК этого свободноживущего хищника, находили в крови и в спинномозговой жидкости пациенток в Китае, которых укусили клещи.

Второе важное направление — борьба с токсическими цветениями, о которых я уже рассказал. Но самое главное и приятное для нас — это постоянный поиск неизвестного. Увидеть то, что никто до тебя не видел, обнаружить что-то, что может дать начало новому научному направлению, — ради этого мы и работаем.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ