В новом исследовании физики и биологи-эволюционисты из Технологического института Джорджии показали, как физический стресс мог значительно продвинуть эволюционный путь от одноклеточных организмов к многоклеточным. В экспериментах с кластерами дрожжевых клеток, называемыми дрожжевыми снежинками, силы в физических структурах кластеров заставляли снежинки эволюционировать.«Эволюция многоклеточности — это столько же вопрос физики, сколько и биология», — сказал биолог Уилл Ратклифф, доцент Школы биологических наук Технологического института Джорджии.
Чем они больше …Как и первые предки многоклеточных организмов, в этом исследовании дрожжи-снежинки оказались в загадке: когда они становились больше, физические нагрузки разрывали их на более мелкие части. Итак, как поддерживать рост, необходимый для превращения в сложный многоклеточный организм?
В лаборатории эти сдвиговые силы сыграли прямо на руку эволюции, прокладывая путь, по которому эволюция дрожжей приводила к более крупным и прочным снежинкам.«Всего за восемь недель дрожжи-снежинки развили более крупные и крепкие тела, выяснив физику мягкой материи, на изучение которой у людей потребовались сотни лет», — сказал Питер Юнкер, доцент Физической школы Технологического института Джорджии. Он и Рэтклифф совместно работали над исследованием, которое задокументировало эволюцию и измерило физические свойства мутировавших дрожжей-снежинок.
Они опубликовали свои результаты 27 ноября 2017 года в журнале Nature Physics. Работа финансировалась программой НАСА по экзобиологии, Национальным научным фондом и стипендией Фонда Паккарда для Рэтклиффа.Вопросы и ответы
Вот несколько вопросов и ответов, которые проливают свет на исследование и его значение.Но сначала немного предыстории: пекарские дрожжи, которые использовались в этих экспериментах, обычно представляют собой одноклеточный организм. Клетки дрожжей с известной мутацией слипаются в группы, называемые снежинками.
Это не было целью экспериментов, но дрожжевые снежинки были отправной точкой в ??этом исследовании эволюции многоклеточности.Почему это исследование важно?
Такой кластер клеток, как дрожжевая снежинка, еще не является хорошо интегрированным многоклеточным организмом. Сделать это даже до простой многоклеточности, такой как у некоторых водорослей, — это очень долгий эволюционный путь.«Это путешествие в тысячу шагов», — сказал Рэтклифф. «Ключевое изменение состоит в том, чтобы эта группа клеток развивалась не как группа отдельных клеток, а как одна многоклеточная особь».
В этой работе исследователи показали, как снежные дрожжи сделали первые шаги в этом направлении, создав более устойчивые многоклеточные тела, которые поддерживали рост. Процесс происходил в основном под действием физических сил, поскольку у простых снежинок не было сложных внутренних биологических механизмов, которые могли бы быть основными движущими силами.
«Это удивительный пример многоклеточной адаптации к физическим ограничениям задолго до эволюции программы клеточного развития», — сказал Юнкер.Как работает эта эволюция через физическое напряжение?«Снежинки из дрожжей росли, добавляя клетки встык, образуя ветви, похожие на кусты», — сказал Юнкер. «Но ветви теснили друг друга, и возникшие в результате напряжения заставили некоторых сломаться».Обломок уменьшил размер отдельных снежинок дрожжей, но после нескольких поколений снежинки эволюционировали, чтобы уменьшить скученность ветвей, удлиняя отдельные клетки.
В результате снежинки в целом меньше подвергались стрессу и могли становиться больше и крепче.Кроме того, исследователи Технологического института Джорджии обнаружили, что физика заставила снежинки рожать детей. В частности, отколовшиеся части превратились в пропагул, которые превратились в собственные снежинки.
Это воспроизводство было создано физической силой, а не биологической программой. Рэтклифф опубликовал отдельное исследование об аспекте репродукции 23 октября 2017 года в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society B.«Физика многое делает для многоклеточности», — сказал Рэтклифф. «Это также дает ему жизненный цикл».
Жизненный цикл относится к рождению, росту, воспроизводству и смерти.«Формируется консенсус, что для того, чтобы что-то действительно превратилось в многоклеточность, на очень раннем этапе должен развиться многоклеточный жизненный цикл».Как эксперименты отбирали для этих конкретных приспособлений?Рэтклифф и Юнкер упростили эволюцию в лаборатории, создав последовательный режим отбора дрожжевых снежинок, в котором они будут развиваться.
В этом случае они выбрали снежинки, которые лучше всего тонут.Снежинки, которые опускались лучше, были тяжелее, потому что они становились больше, чем другие, описанным выше способом, придавая им большую массу. «Кластеры, которые эволюционировали, чтобы расти, были, следовательно, тяжелее», — сказал Рэтклифф.
Эта экспериментальная установка отбора соответствовала естественной эволюции, которая также должна была выбрать размер, чтобы получить сложные многоклеточные тела, которые намного, намного больше, чем отдельные клетки.Мутация ветвей генетическая. Неужели здесь так важна физика?Это правильно: случайные генетические мутации привели к получению более качественных и длинных ветвей у некоторых дрожжевых снежинок, что дало им преимущество в совокупном весе.
Но распространение высших мутаций снежинок было результатом физических нагрузок, которые не разрушали снежинки до тех пор, пока они не стали больше.Части, которые в конечном итоге отломились исключительно из-за физической силы, были пропагулой. Некоторые из них несли мутации, благодаря которым новые снежинки стали еще лучше тонуть.И это был решающий шаг в эволюции многоклеточных.
Как стресс был подтвержден как причина раскола снежинок?Исследователи проверили свойства материала снежинок под атомно-силовым микроскопом. «Мы раздавили кластеры и измерили, сколько силы и энергии вам нужно, чтобы сломать их», — сказал Юнкер.
«Физические измерения точно указали на размер кластеров до того, как они разорвут ветвь из-за напряжения», — сказал Ратклифф.