Un experiment repetat de 600 de ori găsește indicii despre secretele evoluției

Într-un laborator din Atlanta, mii de celule de drojdie se luptă să supraviețuiască în fiecare zi. Organismele care trăiesc încă o zi cresc mai repede, se reproduc mai repede și formează cele mai mari aglomerări. Timp de aproximativ un deceniu, celulele au evoluat pentru a se atașa unele de altele, formând forme ramificate de fulgi de nea.

Acești fulgi de zăpadă ciudați sunt în centrul experimentelor care explorează ceea ce s-ar fi putut întâmpla cu milioane de ani în urmă, când organismele unicelulare s-au unit pentru a deveni multicelulare. Cu toate acestea, acest proces a condus în cele din urmă la creaturi atât de nepractice și bizare precum caracatițele, struții, hamsterii și oamenii.

Deși se crede că multicelularitatea a evoluat de cel puțin 20 de ori în istoria vieții pe Pământ, nu este clar cum au trecut organismele de la o singură celulă la multe organisme care au o soartă comună. Dar în O lucrare de cercetare publicată miercuri în revista NatureCercetătorii dezvăluie un indiciu despre modul în care celulele încep să se construiască în organism. Echipa care a produs drojdia Snowflake a descoperit că peste 3.000 de generații, bulgări de drojdie crescuseră atât de mari încât puteau fi văzute cu ochiul liber. Pe parcurs, a evoluat de la un material moale și moale la ceva cu duritatea lemnului.

Will Ratcliffe, profesor la Georgia Tech, a început să experimenteze cu drojdia când era la studii superioare. El a fost inspirat de Richard Lenski, un biolog de la Universitatea din Michigan, și de colegii care au crescut 12 tulpini de E. coli de-a lungul a peste 75.000 de generații și au documentat din 1988 cum s-au schimbat populațiile. Dr. Ratcliffe s-a întrebat dacă studierea evoluției care încurajează celulele să se lipească împreună ar putea face lumină asupra originilor multicelularității.

„Toate filiațiile despre care știm și care au evoluat în multicelularitate”, a spus el, „au făcut acest pas cu sute de milioane de ani în urmă”. „Și nu avem prea multe informații despre modul în care celulele unice formează grupuri”.

Așa că a făcut un experiment simplu. În fiecare zi, el rotea celulele de drojdie într-o eprubetă, aspirându-le pe cele care s-au scufundat cel mai repede în fund și apoi le folosea pentru a crește populația de drojdie a doua zi. El a motivat că, dacă ar fi selectat pentru cei mai grei indivizi sau grupuri de celule, ar exista un stimulent pentru drojdia să evolueze o modalitate de a rămâne împreună.

Și a funcționat: În 60 de zile, a apărut drojdia de fulgi de zăpadă. Când aceste drojdii se divid, datorită mutației, nu se separă complet una de cealaltă. În schimb, ele formează structuri ramificate ale celulelor identice genetic. Drojdia a devenit multicelulară.

Dar Ratcliffe a descoperit că fulgii de zăpadă, pe măsură ce a continuat să investigheze, nu păreau să fi devenit foarte mari și au rămas încăpățânat microscopici. El îl merită pe Ozan Bozdag, un cercetător postdoctoral din grupul său, cu descoperirea în oxigen sau hipoxie.

Pentru multe ființe vii, oxigenul servește ca un fel de combustibil pentru rachete. Energia stocată în zaharuri este ușor accesibilă.

Dr. Bozdag a dat oxigen unora dintre drojdiile din experiment și a transplantat altele care aveau o mutație care le-a împiedicat să o folosească. El a descoperit că pe parcursul a 600 de transferuri, drojdia cu deficit de oxigen a explodat în volum. Fulgii lor de zăpadă au crescut și au crescut, devenind în cele din urmă vizibili cu ochiul liber. O examinare atentă a formulărilor a arătat că celulele de drojdie erau mult mai lungi decât în ​​mod normal. Ramurile crescuseră împletite într-un pâlc dens.

Oamenii de știință cred că această densitate poate explica de ce oxigenul este o astfel de barieră în calea creșterii drojdiei. Pentru drojdia care ar putea folosi oxigen, creșterea volumului lor a avut dezavantaje majore.

Atâta timp cât fulgii de zăpadă au rămas mici, celulele au avut în general acces egal la oxigen. Dar umpluturile mari și dense înseamnă că celulele din fiecare bulgăre sunt tăiate de oxigen.

Drojdia care nu poate folosi oxigen, dimpotrivă, nu are nimic de pierdut și așa a mers mare. Rezultatele indică faptul că hrănirea tuturor celulelor dintr-un grup este o parte importantă a compromisurilor cu care se confruntă un organism pe măsură ce devine multicelular.

Grupurile formate sunt și ele dificile.

„Cantitatea de energie necesară pentru a sparge aceste lucruri a crescut cu peste un factor de milion”, a spus Peter Junker, profesor la Georgia Tech și co-autor al lucrării.

Această putere poate fi cheia unui alt pas în dezvoltarea multicelularității – spune dr. Ratcliffe – dezvoltarea a ceva ca un sistem circulator. Dacă celulele dintr-o masă mare au nevoie de ajutor pentru a accesa nutrienții, un obiect suficient de puternic pentru a dirija fluxul de fluide este esențial.

„Este ca și cum ai arunca un furtun de incendiu într-o masă de drojdie”, a spus dr. Juncker. Dacă masa celulară este slabă, acest aflux de nutrienți o va distruge înainte ca fiecare celulă să se poată hrăni.

Echipa explorează acum dacă bulgări dense de drojdie de fulgi de zăpadă ar putea evolua modalități de a furniza nutrienți organelor lor cele mai interioare. Dacă o fac, atunci aceste drojdii din eprubetele lor din Atlanta ne pot spune ceva despre cum a fost, acum eoni, când strămoșii tăi și multe organisme din jurul tău au început să construiască corpuri din celule.