Genetische mutatie kan evolutie stimuleren, maar niet helemaal vanzelf. Natuurkunde kan een krachtige copiloot zijn, soms zelfs de koers bepalen.

In een nieuwe studie, natuurkundigen en evolutiebiologen van het Georgia Institute of Technology hebben aangetoond hoe fysieke stress het evolutionaire pad van eencellige naar meercellige organismen aanzienlijk kan hebben gevorderd. In experimenten met clusters van gistcellen, sneeuwvlokgist genaamd, krachten in de fysieke structuren van de clusters duwden de sneeuwvlokken om te evolueren.

"De evolutie van meercelligheid is evenzeer een kwestie van natuurkunde als van biologie, " zei bioloog Will Ratcliff, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Biological Sciences.

Hoe groter ze zijn...

Net als de eerste voorouders van meercellige organismen, in deze studie bevond de sneeuwvlokgist zich in een raadsel:naarmate het groter werd, fysieke spanningen scheurden het in kleinere stukken. Dus, hoe de groei ondersteunen die nodig is om te evolueren naar een complex meercellig organisme?

In het labortorium, die schuifkrachten speelden de evolutie in de kaart, een spoor uitzetten om de evolutie van gist naar grotere, hardere sneeuwvlokken.

"In amper acht weken tijd de sneeuwvlokgist evolueerde groter, robuustere lichamen door de fysica van zachte materie uit te zoeken die de mens honderden jaren nodig had om te leren, " zei Peter Yunker, een assistent-professor aan de School of Physics van Georgia Tech. Hij en Ratcliff werkten samen aan het onderzoek dat de evolutie documenteerde en de fysieke eigenschappen van gemuteerde sneeuwvlokgist meet.

Ze publiceerden hun resultaten op 27 november, 2017, in het journaal Natuurfysica . Het werk werd gefinancierd door het NASA Exobiology-programma, de Nationale Wetenschapsstichting, en een Packard Foundation Fellowship aan Ratcliff.

Vragen en antwoorden

Hier volgen enkele vragen en antwoorden om de studie en de betekenis ervan te verduidelijken.

Maar eerst, wat achtergrondinformatie:bakkersgist, die bij deze experimenten werd gebruikt, is meestal een eencellig organisme. Gistcellen met een bekende mutatie plakken aan elkaar in groepen die sneeuwvlokken worden genoemd.

Dat was niet de focus van de experimenten, maar de gistsneeuwvlokken waren het startpunt in deze studie over de evolutie van meercelligheid.

Waarom is dit onderzoek belangrijk?

Zo'n celcluster als een gistsneeuwvlokje is nog geen goed geïntegreerd meercellig organisme. Om zelfs maar een eenvoudige meercelligheid te bereiken, zoals die van sommige algen, is een zeer lange evolutionaire stap.

"Het is een reis van duizend stappen, " zei Ratcliff. "De belangrijkste verandering is dat deze groep cellen niet evolueert als een bende afzonderlijke cellen, maar als één meercellig individu."

In dit werk, de onderzoekers lieten zien hoe sneeuwvlokgist de eerste stappen in die richting zette door veerkrachtiger meercellige lichamen te ontwikkelen die groei aanhielden. Het proces werd voornamelijk gedreven door fysieke krachten, omdat de eenvoudige sneeuwvlokken geen complexe innerlijke biologische werking hadden die de belangrijkste drijfveren konden zijn.

"Dit is een verbazingwekkend voorbeeld van meercellige aanpassing rond fysieke beperkingen, ruim vóór de evolutie van een cellulair ontwikkelingsprogramma, ' zei Yunker.

Hoe werkt deze evolutie via fysieke stress?

"Gistsneeuwvlokken groeiden door cellen van begin tot eind toe te voegen om takken te vormen die lijken op die van een struik, " zei Yunker. "Maar de takken drongen op elkaar, en de spanningen die het gevolg waren, zorgden ervoor dat sommigen afbraken."

De breuk verkleinde de grootte van individuele gistsneeuwvlokken, maar na meerdere generaties, de sneeuwvlokken evolueerden om de verdringing van takken te verminderen door de individuele cellen te verlengen.

Als resultaat, de algehele sneeuwvlokken waren minder gestrest en konden groter en robuuster worden.

In aanvulling, Georgia Tech-onderzoekers ontdekten dat de fysica ervoor zorgde dat de sneeuwvlokken in feite baby's kregen. specifiek, de stukjes die afbraken werden propagules die uitgroeiden tot hun eigen sneeuwvlokken.

Deze reproductie is gemaakt door fysieke kracht en niet door een biologisch programma. Ratcliff publiceerde op 23 oktober een aparte studie over het reproductieaspect, 2017, in het journaal Filosofische transacties van de Royal Society B .

"Natuurkunde doet veel voor meercelligheid, "Zei Ratcliff. "Het geeft het ook een levenscyclus." Levenscyclus verwijst naar geboorte, groei, reproductie, en dood.

"Er is een consensus aan het ontstaan ​​dat als iets echt evolueert naar meercelligheid, heel vroeg, een meercellige levenscyclus moet zich ontwikkelen."

Hoe selecteerden de experimenten voor deze specifieke aanpassingen?

Ratcliff en Yunker stroomlijnden de evolutie in het laboratorium door een consistent selectieregime te creëren voor de gistsneeuwvlokken om in te evolueren. In dit geval, ze selecteerden sneeuwvlokken die het beste konden zinken.

De sneeuwvlokken die beter zonken waren zwaarder, omdat ze groter werden dan andere op de hierboven beschreven manier, waardoor ze meer massa krijgen. "De clusters die evolueerden om groter te worden, waren daarom ook zwaarder, ' zei Ratcliff.

Deze experimentele selectie-opstelling paste bij natuurlijke evolutie, die ook op grootte moest selecteren om tot complexe meercellige lichamen te komen, die veel zijn, veel groter dan enkele cellen.

Mutatie van takken is genetisch bepaald. Is natuurkunde hier echt zo belangrijk?

Dat klopt:willekeurige genetische mutaties resulteerden in de betere, langere takken in sommige gistsneeuwvlokken waardoor ze een cumulatief gewichtsvoordeel hebben.

Maar de verspreiding van de superieure sneeuwvlokmutaties was het resultaat van fysieke spanningen die de sneeuwvlokken niet deden breken totdat ze groter waren geworden.

De stukjes die uiteindelijk afbraken, puur door fysieke kracht, waren de propagandisten. Sommigen van hen droegen mutaties naar voren waardoor de nieuwe sneeuwvlokken nog beter konden zinken.

En dat was een cruciale stap in de meercellige evolutie.

Hoe werd stress bevestigd als de oorzaak van het uiteenspatten van sneeuwvlokken?

De onderzoekers testten de materiaaleigenschappen van de sneeuwvlokken onder een atoomkrachtmicroscoop. "We hebben de clusters geplet en gemeten hoeveel kracht en energie je nodig had om ze te breken, ' zei Yunker.

"De fysieke meting gaf nauwkeurig de grootte aan die de clusters zouden bereiken voordat ze een tak afbraken als gevolg van stress, ' zei Ratcliff.