Når fysikken giver evolutionen et ben ved at bryde et

Genetisk mutation kan drive evolutionen, men ikke helt af sig selv. Fysik kan være en stærk andenpilot, nogle gange endda sætte kursen.

I en ny undersøgelse, fysikere og evolutionære biologer ved Georgia Institute of Technology har vist, hvordan fysisk stress kan have markant fremme den evolutionære vej fra encellede til flercellede organismer. I eksperimenter med klynger af gærceller kaldet snefnuggær, kræfter i klyngernes fysiske strukturer skubbede snefnuggene til at udvikle sig.

"Udviklingen af ​​multicellularitet er lige så meget et spørgsmål om fysik, som det er biologi, " sagde biolog Will Ratcliff, en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Biological Sciences.

Jo større de er...

Ligesom de første forfædre til flercellede organismer, i denne undersøgelse befandt snefnuggæren sig i en gåde:Efterhånden som den blev større, fysiske belastninger rev det i mindre stykker. Så, hvordan opretholder man den vækst, der er nødvendig for at udvikle sig til en kompleks flercellet organisme?

I laboratoriet, disse forskydningskræfter spillede evolutionens hænder lige ind, fastlægge et spor for at lede gærudviklingen mod større, hårdere snefnug.

"På kun otte uger snefnuggæren udviklede sig større, mere robuste kroppe ved at finde ud af blød stoffysik, som det tog mennesker hundreder af år at lære, sagde Peter Yunker, en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Physics. Han og Ratcliff samarbejdede om den forskning, der dokumenterede udviklingen og målte de fysiske egenskaber af muteret snefnuggær.

De offentliggjorde deres resultater den 27. november, 2017, i journalen Naturfysik . Arbejdet blev finansieret af NASA Exobiologi-programmet, National Science Foundation, og et Packard Foundation Fellowship til Ratcliff.

Spørgsmål og svar

Her er nogle spørgsmål og svar for at belyse undersøgelsen og dens betydning.

Men først, lidt baggrund:bagegær, som blev brugt i disse eksperimenter, er normalt en enkeltcellet organisme. Gærceller med en velkendt mutation klæber sammen i grupper kaldet snefnug.

Det var ikke fokus for eksperimenterne, men gærsnefnugene var udgangspunktet i denne undersøgelse om udviklingen af ​​flercellethed.

Hvorfor er denne undersøgelse vigtig?

Sådan en celleklynge som et gærsnefnug er endnu ikke en velintegreret flercellet organisme. Det er et meget langt evolutionært træk at nå frem til selv simpel flercellethed som hos nogle alger.

"Det er en rejse på tusinde skridt, " sagde Ratcliff. "Nøgleændringen er, at denne gruppe af celler ikke udvikler sig som en gruppe af enkeltceller, men som et flercellet individ."

I dette arbejde, forskerne viste, hvordan snefnuggær tog de første skridt i den retning ved at udvikle mere modstandsdygtige flercellede kroppe, der holdt væksten i gang. Processen var hovedsageligt drevet af fysiske kræfter, da de simple snefnug ikke havde komplekse indre biologiske funktioner, der var i stand til at være de vigtigste drivkræfter.

"Dette er et fantastisk eksempel på multicellulær tilpasning omkring fysiske begrænsninger længe før udviklingen af ​​et cellulært udviklingsprogram, " sagde Yunker.

Hvordan fungerer denne udvikling via fysisk stress?

"Gærsnefnug voksede ved at tilføje celler ende mod ende for at danne grene, der ligner dem på en busk, " sagde Yunker. "Men grenene overfyldte hinanden, og de stressede resultater fik nogle til at bryde af."

Bruddet huggede størrelsen af ​​individuelle gærsnefnug ned, men efter flere generationer, snefnuggene udviklede sig for at reducere trængslen af ​​grene ved at forlænge dens individuelle celler.

Som resultat, de samlede snefnug var mindre stressede og kunne vokse sig større og mere robuste.

Ud over, Georgia Tech-forskere opdagede, at fysikken gjorde, at snefnugene grundlæggende fik babyer. Specifikt, de stykker, der brækkede af, blev udbredelser, der voksede til deres egne snefnug.

Denne reproduktion blev skabt af fysisk kraft og ikke af et biologisk program. Ratcliff offentliggjorde en separat undersøgelse om reproduktionsaspektet den 23. oktober, 2017, i journalen Philosophical Transactions of the Royal Society B .

"Fysik gør meget for multicellularitet, " sagde Ratcliff. "Det giver det også en livscyklus." Livscyklus refererer til fødsel, vækst, reproduktion, og døden.

"Der er ved at blive enighed om, at for at noget virkelig skal udvikle sig til multicellularitet, meget tidligt, en flercellet livscyklus skal udvikles."

Hvordan valgte eksperimenterne disse specifikke tilpasninger?

Ratcliff og Yunker strømlinede evolutionen i laboratoriet ved at skabe et konsekvent udvælgelsesregime for gærsnefnugene at udvikle sig i. I dette tilfælde, de udvalgte snefnug, der var bedst til at synke.

De snefnug, der sank bedre, var tungere, fordi de voksede sig større end andre på den måde, der er beskrevet ovenfor, giver dem mere masse. "De klynger, der udviklede sig til at vokse sig større, var derfor også tungere, " sagde Ratcliff.

Denne eksperimentelle selektionsopsætning passede naturlig evolution, som også skulle vælge størrelse for at nå frem til komplekse flercellede legemer, som er meget, meget større end enkeltceller.

Mutation af grene er genetisk. Er fysik virkelig så vigtig her?

Det er korrekt:Tilfældige genetiske mutationer resulterede i det bedre, længere grene i nogle gærsnefnug, hvilket giver dem en kumulativ vægtfordel.

Men udbredelsen af ​​de overlegne snefnugmutationer var resultatet af fysiske belastninger, der ikke brød snefnugene, før de var blevet større.

De stykker, der til sidst knækkede af, udelukkende på grund af fysisk kraft, var udbredelsen. Nogle af dem førte mutationer frem, der gjorde de nye snefnug endnu bedre til at synke.

Og det var et kritisk skridt i den flercellede evolution.

Hvordan blev stress bekræftet som årsagen til, at snefnug splittede fra hinanden?

Forskerne satte snefnuggenes materialeegenskaber på prøve under et atomkraftmikroskop. "Vi klemte klyngerne og målte, hvor meget kraft og energi du skulle bruge for at bryde dem, " sagde Yunker.

"Den fysiske måling viste nøje den størrelse, klyngerne ville opnå, før de brækkede en gren af ​​på grund af stress, " sagde Ratcliff.