Эволюционное разнообразие жизни на Земле объясняется законами опухолевого роста?

26 января 2018



Ученые представили новую гипотезу о том, почему на Земле около полутора миллиардов лет назад резко возросло животное разнообразие. Трансдисциплинарная международная команда из Лундского университета в Швеции и Университета Южной Дании представила результаты своих исследований в Nature Ecology and Evolution.

Трилобиты — ископаемые членистоногие палеозойской эры.

Новая гипотеза утверждает, что причиной резкой диверсификации животных была революция в биологии самих животных, а не окружающая их химия поверхности Земли.

Жизнь на Земле целых 4 миллиарда лет была представлена исключительно микробами. Затем, достаточно внезапно возникла многоклеточная жизнь, в виде животных в устойчивых экосистемах. Почему животные диверсифицировались настолько поздно и так резко? Этот вопрос острых дебатов так и остался неразрешенным.

Диверсификация животных происходила в течение короткого периода времени в начале кембрийского периода. Явление стремительного развития многообразия известно как кембрийский взрыв. Многие геологи предполагают, что кембрийский взрыв был вызван увеличением уровня атмосферного кислорода. Однако доказать наличие причинно-следственной связи между кембрийским взрывом и увеличением атмосферного кислорода не удалось. Более того, исследования последних лет значительно ослабили эту теорию. Например, известно, что резкие изменения в атмосферном кислороде отмечались как до, так и после кембрия, в том числе и тогда, когда диверсификация животных прекратилась. Кроме того, не секрет, что простейшие животные требуют удивительно низких уровней кислорода, которые были и до кембрия.

«Искусственно подогреваемая охота за геохимическими доказательствами того, что повышение уровня кислорода усилило диверсификацию, продолжается после десятилетий никуда не приводящих обсуждений. Сейчас представляется целесообразным рассмотреть вопрос о развитии многоклеточной жизни с других ракурсов», — говорит геобиолог Эмма Хаммарлунд, доктор философии и исследователь отдела трансляционные исследования рака в Университете Лунда и приглашенный исследователь в Северном центре эволюции Земли в Университете Южной Дании.

Опухоли являются успешными доказательствами многоклеточной прогрессии в условиях низкого содержания кислорода. Чтобы больше узнать об условиях возникновения многоклеточной жизни, Эмма Хаммарлунд связалась с профессором онкобиологии Свеном Пальманом, работающим на кафедре лабораторной медицины Университета Лунда, который в течение почти двух десятилетий изучал важность низких концентраций кислорода или так называемой гипоксии в опухоли.

«Я хотела увидеть рост ткани и ее отношение к кислороду с точки зрения онкобиологии. Опухоли — это, в конце концов, как бы грустно это не звучало, успешные варианты многоклеточной жизни», — объясняет Эмма Хаммарлунд.

Команда ученых, в том числе и доктор онкобиологии Кристоффер фон Стединк из отделения педиатрии Университета Лунда, используя новые подсказки из области биологии опухолей, занялась исторически важным вопросом о том, почему разнообразие животных появилось так поздно и развивалось столь стремительно.

В частности, они проверили, могут ли те же самые молекулярные инструменты, которые используются многими опухолями, поддерживать свойства стволовых клеток, а также раскрыть тайну успеха животных при кембрийском взрыве.

Клетки со свойствами стволовых клеток жизненно важны для всех многоклеточных жизней для регенерации ткани. Например, клетки в стенке тонкой кишки человека заменяются каждые 2-4 дня посредством деления стволовых клеток.

«Гипоксия обычно рассматривается как угроза живому, но мы забываем, что нехватка кислорода в определенные периоды является предпосылкой для многоклеточной жизни. Наши стволовые клетки — своеобразные „газоанализаторы“ и чрезвычайно чувствительны к кислороду, и поэтому имеют механизмы для борьбы с последствиями нехватки кислорода, что доказывается особенностями жизнедеятельности опухолевых клеток », - объясняет Свен Пальман.

Эти механизмы в опухолях включают в себя белки, которые могут «обманывать» клетки, «внушая» им, что они гипоксичны. Так обычная клетка может получить свойства, подобные стволовым клеткам.

Изучая способность опухолевых клеток имитировать свойства стволовых, команда Свена Пальмана наблюдала, как опухолевые клетки могут создавать специфические «пиратские» механизмы, позволяющие им уклоняться от негативных эффектов высокого уровня кислорода, которые подавляют стволовые клетки. В результате, опухолевые клетки способны поддерживать свойства стволовых клеток, несмотря на то, что они окружены высокими концентрациями кислорода, которые присутствуют в организме.

Эта же способность, по мнению авторов, является одним из ключей, которые также сделали животных такими разнообразными. «Способность создавать свойства стволовых клеток, несмотря на высокий уровень кислорода, так называемая „псевдогипоксия “, присутствует и в нормальных тканях позвоночных. Мы считаем перспективным изучение содержания кислорода, потому что хотя низкий уровень кислорода, как правило, и неопасен для клеток животных, содержание кислорода чрезвычайно важно для сложной многоклеточной системы. Без дополнительных инструментов определенный уровень кислорода заставляет специфические стволовые клетки тканей созревать слишком рано », - говорит Свен Пальман.

Новая гипотеза диверсификации животных, совместима с представлениями ученых о событиях жизни планеты. Наличие свободного кислорода могло быть результатом того, что некоторые микробы способны использовать солнечный свет для получения энергии. Это давно изученное биологическое явление. Геобиологические наблюдения доказывают, что окружающая среда с «достаточным» кислородом присутствовала на Земле еще задолго до кембрийского взрыва. Животные обладают способности жить в среде с различным уровнем кислорода и, возможно, рак является эволюционным следствием нашей способности жить в насыщенных кислородом нишах.

Принятие эволюционного подхода необычно для исследователей рака, хотя развитие опухолей имеет много общего с эволюционным процессом. Геобиологи также редко используют данные исследований клеточного деления. Но, объединив свой опыт, Эмма Хаммарлунд и Свен Пэлман удивлены тем, что человечество до сих пор не задавалось вопросом о нашей парадоксальной способности обновлять ткани.

«Конечно, многие люди могут не согласиться с теорией, но стоит вам посмотреть на кислородсодержащую нишу с другой стороны, вы начнете видеть ее как сложную систему для восстановления свойств стволовых клеток и тканей, и тогда пазл начнет собираться сам собой и вы уже не сможете повернуть назад», - заключает Свен Пэлман.