Hur kom multicellulär Life Evolve Astrobiology Magazine

Hur kom flercelliga Life Evolve Astrobiology tidskrift från att leva ensam

Hur kom flercelliga Life utvecklas?

Celler från Dictyostelium purpureum, en gemensam jord mikrob, streaming för att bilda en flercellig fruktkropp. Credit: Natasha Mehdiabadi / Rice University

Forskare har upptäckt hur enskilda celler kan ha utvecklats egenskaper som befäst dem i gruppbeteende, vilket banade väg för flercelliga livet. Dessa upptäckter skulle kunna kasta ljus över hur komplexa utomjordiskt liv kan utvecklas på främmande världar.

Forskare beskrivs dessa fynd i oktober 24 numret av tidskriften Science.

De första kända encelliga organismer dök upp på jorden cirka 3,5 miljarder år sedan, ungefär en miljard år efter jord bildas. Mer komplexa former av liv tog längre tid att utvecklas, med de första flercelliga djur som inte visas förrän omkring 600 miljoner år sedan.


Utvecklingen av flercelliga livet från enklare, encelliga mikrober var en avgörande ögonblick i historien av biologi på jorden och har drastiskt förändrat planetens ekologi. Men det är ett mysterium om flercelliga organismer varför celler inte återgå till encelliga livet.

"Unicellularity är klart framgångsrik – encelliga organismer är mycket rikligare än flercelliga organismer, och har funnits i minst ytterligare 2 miljarder år," säger huvudstudieförfattaren Eric Libby, en matematisk biolog vid Santa Fe Institute i New Mexico. "Så vad är fördelen att vara flercelliga och vistas på det sättet?"

Svaret på denna fråga är vanligtvis samarbete som celler dragit mer från att arbeta tillsammans än de skulle från att leva ensam. Men i scenarier för samarbete, finns ständigt frestande möjligheter "för celler att smita sina uppgifter – det vill säga, fuska," Libby sagt.

När social amöba Dictyostelium discoideum svälter, bildar det en flercellig kropp. Credit: Scott Solomon

"Som ett exempel, betrakta en myra koloni där endast drottningen lägger ägg och arbetarna, som inte kan återge, måste offra sig för kolonin," Libby sagt. "Vad hindrar myra arbetare från att lämna kolonin och bilda en ny koloni? Tja, uppenbarligen ant arbetstagare kan inte återskapa, så det kan inte starta en egen koloni. Men om det blev en mutation som gjorde det möjligt att göra det, då detta skulle vara ett verkligt problem för kolonin. Denna typ av kamp är förhärskande i utvecklingen av flercellighet eftersom de första flercelliga organismer var bara en mutation från att vara strikt encelliga."

Experiment har visat att en grupp av mikrober som utsöndrar användbara molekyler som alla medlemmar i gruppen kan dra nytta av kan växa snabbare än grupper som inte gör det. Men inom denna grupp, snyltare som inte förbruka resurser eller energi att utsöndra dessa molekyler växer snabbast av alla. Ett annat exempel på celler som växer på ett sätt som skadar andra medlemmar av deras grupper är cancerceller, som är ett potentiellt problem för alla multicellulära organismer.

Faktum är att många primitiva flercelliga organismer upplevde förmodligen både encelliga och flercelliga tillstånd, ger möjligheter att avstå från en grupp livsstil. Till exempel, bakterien Pseudomonas fluorescens snabbt utvecklas för att generera flercelliga mattor på ytor för att få bättre tillgång till syre. Men när en matta har bildats, encelliga fusk har ett incitament att inte producera limmet ansvarig för mattbildningen, vilket slutligen leder till mattans förstörelse.

Grupper av jästceller. Om nyckel celler dör en programmerad celldöd, kan dessa grupper separera. Credit: E. Libby et al. PLOS beräkningsbiologi

För att lösa mysteriet med hur flercelliga livet kvarstod, är forskarna föreslår vad de kallar ”spärrmekanismer.” Spolar är enheter som tillåter rörelse i bara en riktning. Analogt spärrmekanismer är egenskaper som ger fördelar i en grupp sammanhang, men är skadliga för ensamvargar, i slutändan förhindra en återgång till en encellig tillstånd, sade Libby och studera medförfattare William Ratcliff vid Georgia Institute of Technology i Atlanta.

I allmänhet gör mer en egenskap celler i en grupp inbördes beroende, desto mer fungerar som en spärrhake. Till exempel kan grupper av celler delar arbetskraft så att vissa celler växer en viktig molekyl medan andra celler växer en annan viktig förening, så dessa celler göra bättre tillsammans än isär, en idé som stöds av de senaste experiment med bakterier.

Spärr kan också förklara symbios mellan gamla mikrober som ledde till symbionter bor inuti celler, såsom mitokondrier och kloroplaster som respektive hjälpa sina värdar utnyttja syre och solljus. De encelliga organismer som kallas Paramecia göra dåligt när experimentellt härledda av foto symbionter, och i sin tur symbionter förlorar typiskt gener som krävs för liv utanför sina värdar.

Dessa spärrmekanismer kan leda till synes meningslösa resultat. Till exempel, apoptos, eller programmerad celldöd, är en process genom vilken en cell genomgår väsentligen självmord. Men experiment visar att högre hastigheter av apoptos faktiskt kan ha fördelar. I stora kluster av jästceller, apoptotiska celler fungerar som svaga länkar vars död gör att små klumpar av jästceller att bryta sig loss och gå på att sprida någon annanstans där de kan få mer utrymme och näring att växa.

En fossil av en 600 miljoner år gammal flercellig organism visar oväntat bevis på komplexitet. Credit: Virginia Tech

"Denna fördel fungerar inte för enskilda celler, vilket innebar att varje cell som övergav gruppen skulle lida en nackdel," Libby sagt. "Detta arbete visar att en cell lever i en grupp kan uppleva en fundamentalt annorlunda miljö än en cell lever på egen hand. Miljön kan vara så olika att egenskaper katastrofala för en ensam organism, liksom ökad förekomst av död, kan bli en fördel för celler i en grupp. ”

När det gäller vad dessa resultat innebär i sökandet efter utomjordiskt liv. Libby sade denna forskning tyder på att utomjordisk beteende kan tyckas märkligt tills en bättre förstår att en organism kan vara medlem i en grupp.

"Organismer i samhällen kan anta beteenden som skulle visas bisarra eller bakvända utan tillräcklig hänsyn till deras gemensamma sammanhang," Libby sagt. "Det är i huvudsak en påminnelse om att en pusselbit är ett pussel tills du vet hur det passar in i ett större sammanhang."

Libby och hans kollegor planerar att identifiera andra spärrmekanismer.

"Vi har också en del experiment i verk för att beräkna stabiliteten som tillhandahålls av några möjliga spärrdrag," Libby sagt.

Dela detta

Källa: www.astrobio.net

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *

20 − 1 =