Когда исследователи из лаборатории Николь Кинг посмотрели в микроскоп на странные организмы, которые они собрали на Кюрасао, они увидели слои клеток, сгруппированные вместе в виде узора, напоминающего кожу. Это было достаточно необычно, поскольку эти одноклеточные организмы обычно одиночки. Но затем они сделали что-то действительно странное: листы «перевернулись» из неглубокой чашеобразной формы в маленькие шарообразные структуры и начали плавать.
"Это было потрясающе", - говорит Кинг, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Калифорнийского университета в Беркли. Никто никогда не видел таких скоординированных движений у этих крошечных водных микробов, известных как хоанофлагелляты. Простые на вид организмы имеют общего предка с животными и могут дать ключ к пониманию того, как эволюционировали ранние животные. Команда Кинга сообщает об открытии нового вида Choanoeca flexa и подробном описании его акробатических маневров 17 октября 2019 года в журнале Science.
Кинг говорит, что удивительно, что одноклеточные организмы могут действовать вместе, чтобы изменить форму. Но выяснить, как они это делают, добавляет она, «и найти молекулярные строительные блоки, которые, возможно, также использовались ранней многоклеточной жизнью, еще интереснее».
Хоанофлагелляты населяют ничейную территорию простейших - существ, которые явно не являются бактериями, но и не относятся к сложным многоклеточным организмам, как растения или животные. Каждая хоанофлагеллятная клетка имеет хвостовидный жгутик, окруженный кольцом крошечных волосовидных структур, как у сперматозоида с пушистым елизаветинским воротником.
Кинг и ее команда были на Кюрасао в 2018 году в рамках программы, которая привлекла лабораторных ученых в поле, чтобы стимулировать новые способы изучения микроскопической жизни. Команда решила исследовать хоанофлагеллят Кюрасао, чтобы попытаться описать разнообразие организмов на Карибском острове. «Вы можете найти хоанофлагеллят в любой воде по всему миру, от полюса до полюса», - говорит Кинг.
Действительно, команда обнаружила хоанофлагеллят обычных видов в водах острова, но новые виды появились только в суровых условиях бассейнов-плескателей, которые наполняются брызгами разбивающихся волн и обдуваются почти постоянным ветром..
В лаборатории ученые обнаружили, что клетки C. flexa образуют листы, в которых все жгутики клеток направлены в одном направлении - точно так же, как эпителиальные клетки, составляющие кожу и многие ткани животных. Кинг отмечает, что это, вероятно, были первые ткани, развившиеся у животных.
Когда C.листы flexa сворачиваются в шар с жгутиками, направленными наружу, мяч быстро плывет, размахивая хвостообразными структурами. Или лист может превратиться в чашечку, разворачиваясь, а затем скручиваясь в противоположном направлении таким образом, чтобы все жгутики были обращены внутрь. «В этой форме он действительно хорошо улавливает бактерии», - говорит Кинг. Губки, одна из первых эволюционировавших линий животных, используют для питания аналогичную структуру.
Ученым было любопытно, как C. flexa совершает свои «перевороты» ¬- и почему. Первая подсказка появилась, когда команда Кинга попыталась включить и выключить свет микроскопа. В темноте организмы превращались из чашечек в шары и начинали плавать, однако известно, что хоанофлагелляты не реагируют на свет.
Серия экспериментов показала, что организм реагирует на свет с помощью светочувствительного белка и других молекул, некоторые из которых C. flexa должны получать из бактерий, которые они едят. Более того, команда Кинга выяснила точный механизм переворота: клетки одновременно расширяют свои воротники в форме конуса, изгибая слой клеток и вызывая сокращение, подобное сокращению мышц животного. Это вдохновило команду на поиск других хоанофлагеллят, некоторые из которых обладают такими же способностями. Открытие предполагает, что этот конкретный механизм контрактации, вероятно, появился раньше первых животных, сообщает команда Кинга.
Такая детальная механистическая работа - большое достижение, - говорит Патрик Килинг, микробиолог-эволюционист из Университета Британской Колумбии. По его словам, одно из самых больших белых пятен для ученых, изучающих простейших, - это то, как понять их поведение. «Поэтому каждая система, в которой вы можете начать разбирать молекулярные механизмы поведения, чрезвычайно ценна».
Килинг отмечает, что, поскольку животные и хоанофлагелляты произошли от общего предка, способность реагировать на окружающую среду через скоординированное поведение, вероятно, «очень древняя, она была у их общего предка», - говорит он. И это делает хоанофлагеллят интересным инструментом для понимания эволюции животных. «Они делят сырье."