Дифференциация зародышей и сомы

Дифференциация зародышевой линии и сомы — это процесс, посредством которого в организмах развиваются отдельные зародышевые и соматические клетки. Развитие клеточной дифференциации было одним из важнейших аспектов эволюции многоклеточности и полового размножения организмов. Многоклеточность развивалась более 25 раз. и в связи с этим существует большая вероятность того, что на дифференцировку клеток повлияло множество факторов. Существует три основных типа клеток: половые клетки , соматические клетки и стволовые клетки . Половые клетки приводят к образованию гамет, а соматические клетки выполняют все остальные функции в организме. В рамках широкой категории соматических клеток существует дальнейшая специализация, поскольку клетки становятся специфичными для определенных тканей и функций. Кроме того, стволовые клетки представляют собой недифференцированные клетки, которые могут развиваться в специализированные клетки и являются самым ранним типом клеток в клеточной линии. Вследствие дифференциации функций соматические клетки встречаются только у многоклеточных организмов, так как у одноклеточных назначения соматических и половых клеток консолидированы в одной клетке .

Все организмы с дифференцировкой зародышевой сомы являются эукариотами и представляют собой дополнительный уровень специализации по сравнению с многоклеточными организмами. Чистая дифференцировка зародышевой сомы развилась у избранного числа эукариот (называемых вейсманистами ), в эту категорию входят позвоночные и членистоногие , однако наземные растения, зеленые, красные, бурые водоросли и грибы обладают частичной дифференцировкой. Хотя значительная часть организмов с дифференцировкой зародышевой сомы беспола , это различие было обязательным для развития полового размножения; специализация определенных клеток в зародышевые клетки имеет основополагающее значение для мейоза и рекомбинации .

Барьер Вейсмана

Строгое разделение между соматическими и половыми клетками называется барьером Вейсмана, при котором генетическая информация, передаваемая потомству, обнаруживается только в половых клетках. Это происходит только у избранных организмов, однако у некоторых организмов, не имеющих барьера Вейсмана, наблюдается дифференцировка зародышевой сомы. К этим организмам относятся наземные растения , многие водоросли , беспозвоночные и грибы , чьи зародышевые клетки происходят из предшествующих соматических клеток, а не из стволовых клеток. Барьер Вейсмана важен для концепции бессмертной зародышевой линии, которая передает генетическую информацию через определенные зародышевые клетки.

Организмы с дифференцировкой зародышевой сомы, но без барьера Вейсмана, часто размножаются посредством соматического эмбриогенеза .

Преимущества и недостатки дифференциации

Не существует единой широко признанной теории происхождения дифференцировки соматической и зародышевой линии, однако из тех, которые существуют, многие основаны на эволюционном преимуществе дифференцированной многоклеточности, которая позволила ей выжить. Эти теории включают развитие колониальных организационных структур , в которых разделение труда между клетками позволяло улучшить приспособленность.

Разделение труда внутри многоклеточных организмов может дать значительные преимущества по сравнению с одноклеточными аналогами. Деление может позволить организмам становиться больше или взаимодействовать с окружающей средой (и, таким образом, заполнять разные ниши ), что повышает приспособленность . Помимо внутренних преимуществ, есть свидетельства того, что они также улучшают защиту от хищников. С другой стороны, многоклеточность сопровождается увеличением использования энергии, направляемой на поддержание гомеостаза, а не на размножение.

Гипотеза о грязной работе

Одной из основных теорий о пролиферации организмов с дифференцировкой клеток является гипотеза грязной работы. Эта гипотеза утверждает, что когда в организме есть дифференцированные клетки, соматические клетки способны выделять энергию исключительно на поддержание гомеостаза, а не на размножение, в то время как половые клетки делают противоположное. Одной из причин относительного успеха системы организации «грязной работы» является то, что она помогает управлять вредными последствиями метаболической активности и обеспечивает более эффективное распределение энергии по всему организму. Другая основная предложенная причина заключается в том, что он предотвращает повреждение генетического материала метаболической активностью внутри клетки. Указанная активность в митохондриях и хлоропластах создает мутагенные побочные продукты, поэтому в организмах с дифференцировкой, где зародышевые клетки не участвуют в метаболической активности, зародышевая линия не подвергается воздействию.

Неопределенность

Из-за характера исследований происхождения жизни и многоклеточности было трудно получить тематическое исследование, оптимальное для наблюдения за дифференцировкой сомато-зародышевой линии. Одним из случаев, который был тщательно изучен, является случай организмов семейства Volvocacaeae . Внутри вольвокавеи существует большое разнообразие организационной структуры: некоторые организмы могут быть одноклеточными , колониальными или (возможно) многоклеточными. В вольвоциновых водорослях было идентифицировано три гена, имеющих решающее значение для развития соматических клеток, которые регулируют кодирование асимметричного деления клеток, предотвращая репродуктивное развитие соматических клеток и предотвращая развитие соматических характеристик в зародышевых клетках (например, тех, которые предназначены для подвижности или метаболическая активность ).