В ходе эволюционной конвергенции два генетически неродственных организма приобретают сходные черты, и биологи из Гейдельбергского университета обнаружили пример конвергенции на субклеточном уровне у одноклеточных организмов и книдарий. Вместе с коллегами из Канады доцент д-р Суат Озбек и профессор д-р Томас Гольштейн обнаружили, что два организма в ходе своей эволюции разработали сходное миниатюрное оружие для захвата добычи, хотя у них нет общей генетической основы. Гейдельбергские исследователи изучают функцию и молекулярную структуру этих «оружейных систем» в Центре изучения организмов.
Из-за своих сильных укусов медузы, морские анемоны и кораллы представляют известную опасность среди океанских пловцов. Одноименный тип клеток Cnidaria возрастом 500 миллионов лет - это книдоциты, которые содержат микроскопически маленькие органеллы - стрекательные капсулы, также известные как книдоцисты или нематоцисты. Когда клетка срабатывает, капсула с силой выбрасывает трубочку с наконечником, свернутую внутри. Подобно миниатюрному гарпуну, эти системы субклеточного оружия проникают в жертву, одновременно вводя парализующие яды.
Как эти органеллы возникли в ходе эволюции, до сих пор неизвестно. Согласно профессору Гольштейну, ведущая гипотеза предполагает, что они произошли от органелл аналогичного строения и функции в одноклеточных организмах, которые были поглощены в качестве симбионтов ранними предшественниками кишечнополостных. На самом деле структурно сопоставимые системы оружия, также называемые нематоцистами, обнаружены у группы современных простейших, динофлагеллят. Текущая доктрина утверждает, что они имеют общее генетическое происхождение.
Исследовательская группа под руководством Суата Озбека и Томаса Гольштейна сравнила молекулярные компоненты обеих органелл и сделала удивительное открытие: они совершенно не совпадают. В своем анализе группа Гейдельберга вместе с группой из Университета Британской Колумбии в Канаде показала, что книдарии и динофлагелляты используют совершенно разные гены и белки для создания своих миниатюрных гарпунов. Сравнительное исследование основано на всестороннем анализе протеома изолированных нематоцист Cnidarian, проведенном исследователями Гейдельберга.
Эти две биологические системы фундаментально различаются генетически, по словам профессора Гольштейна. Тем не менее, 3D-изображения нематоцист с высоким разрешением показывают ранее неизвестную сложность и сходство в биомеханике выделений. Динофлагеллята Polykrikos lebouriae, например, выбрасывает заостренный снаряд. Другой динофлагеллят, Нематодиниум, выпускает до 15 снарядов один за другим, подобно многоствольному ружью. В то время как ускорение книдариевых нематоцист обусловлено высоким внутренним давлением, у динофлагеллят отсутствуют необходимые метаболические пути. «Основные механизмы все еще нуждаются в прояснении», - утверждает исследователь из Гейдельберга, который возглавляет исследовательскую группу по молекулярной эволюции и геномике в Центре исследований организмов.
«Наше исследование приводит нас к выводу, что исключительные и крайние случаи конвергенции существуют на субклеточном уровне», - подчеркивает профессор Гольштейн. В эволюционной биологии конвергенция описывает развитие сходных принципов строения без организмов, имеющих общее филогенетическое происхождение. Одним из ярких примеров конвергенции является формирование крыльев у птиц и летучих мышей. Такие совпадения в разных группах организмов создаются путем приспособления к сходным требованиям среды.
Начиная с простых секреторных везикул, которые высвобождали ферменты и адгезивные белки для прикрепления и переваривания других клеток, очень сложные субклеточные системы оружия у книдарий и генов динофлагеллят, предположительно, развивались по-разному. Этому процессу могло способствовать улучшение защитных механизмов у организмов-жертв, что привело к аналогичным эволюционным решениям у хищников. Томас Гольштейн утверждает, что простейшие характеризуются большим разнообразием различных баллистических органелл, что предполагает «гонку вооружений» на этой ранней стадии эволюции.
Результаты недавних исследований были опубликованы в журнале Science Advances.