Генетическая мутация может управлять эволюцией, но не сама по себе. Физика может быть мощным вторым пилотом, иногда даже задающим курс.
В новом исследовании физики и биологи-эволюционисты из Технологического института Джорджии показали, как физический стресс мог значительно продвинуть эволюционный путь от одноклеточных к многоклеточным организмам. В экспериментах с кластерами дрожжевых клеток, называемыми дрожжами-снежинками, силы в физической структуре кластеров подталкивали снежинки к эволюции.
«Эволюция многоклеточности - это вопрос как физики, так и биологии», - сказал биолог Уилл Рэтклифф, доцент Школы биологических наук Технологического института Джорджии.
Чем больше они…
Как и первые предки многоклеточных организмов, в этом исследовании дрожжи-снежинки оказались в загадке: по мере того, как они становились больше, физические нагрузки разрывали их на более мелкие части. Итак, как поддерживать рост, необходимый для эволюции в сложный многоклеточный организм?
В лаборатории эти силы сдвига сыграли прямо на руку эволюции, проложив путь, по которому эволюция дрожжей направилась к более крупным и крепким снежинкам.
«Всего за восемь недель снежные дрожжи развили более крупные и крепкие тела, разобравшись в физике мягкой материи, на изучение которой у людей ушли сотни лет», - сказал Питер Юнкер, доцент в Школе физики Технологического института Джорджии. Он и Рэтклифф совместно работали над исследованием, в ходе которого задокументировали эволюцию и измерили физические свойства мутировавших снежных дрожжей.
Они опубликовали свои результаты 27 ноября 2017 года в журнале Nature Physics. Работа финансировалась программой экзобиологии НАСА, Национальным научным фондом и стипендией Фонда Паккарда для Рэтклиффа.
Вопросы и ответы
Вот несколько вопросов и ответов, чтобы пролить 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 хорошо 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?
Такое скопление клеток, как дрожжевая снежинка, еще не является хорошо интегрированным многоклеточным организмом. Чтобы достичь даже простой многоклеточности, как у некоторых водорослей, требуется очень долгий эволюционный путь.
«Это путешествие в тысячу шагов», - сказал Рэтклифф. «Ключевое изменение заключается в том, что эта группа клеток эволюционирует не как группа отдельных клеток, а как одна многоклеточная особь».
В этой работе исследователи показали, как снежные дрожжи сделали первые шаги в этом направлении, развивая более устойчивые многоклеточные тела, способные поддерживать рост. Движущей силой процесса в основном были физические силы, так как простые снежинки не имели сложной внутренней биологической работы, которая могла бы быть главной движущей силой.
«Это удивительный пример многоклеточной адаптации к физическим ограничениям задолго до появления программы клеточного развития», - сказал Юнкер.
Как работает эта эволюция посредством физического стресса?
«Дрожжевые снежинки вырастали, добавляя клетки один за другим, чтобы сформировать ветви, похожие на ветви куста», - сказал Юнкер. «Но ветки теснили друг друга, и возникающие напряжения заставили некоторых обломиться».
Ломка уменьшила размер отдельных дрожжевых снежинок, но после нескольких поколений снежинки эволюционировали, чтобы уменьшить скученность ветвей за счет удлинения отдельных клеток.
В результате снежинки в целом были менее подвержены стрессу и могли расти больше и крепче.
Кроме того, исследователи из Технологического института Джорджии обнаружили, что снежинки в основном имеют детей благодаря физике. В частности, отколовшиеся кусочки превратились в побеги, которые превратились в собственные снежинки.
Это воспроизведение было создано физической силой, а не биологической программой. Рэтклифф опубликовал отдельное исследование об аспекте воспроизводства 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 включает рождение, рост, размножение и смерть.
"Формируется консенсус в отношении того, что для того, чтобы что-то действительно превратилось в многоклеточное, на очень раннем этапе должен развиться многоклеточный жизненный цикл."
Как эксперименты отбирали эти конкретные адаптации?
Рэтклифф и Юнкер упростили эволюцию в лаборатории, создав последовательный режим отбора для дрожжевых снежинок. В этом случае они отобрали снежинки, которые лучше всего тонули.
Снежинки, которые тонули лучше, были тяжелее, потому что они становились больше других описанным выше образом, что придавало им большую массу. «Скопления, которые эволюционировали, чтобы стать больше, были поэтому и тяжелее», - сказал Рэтклифф.
Эта экспериментальная схема отбора соответствовала естественной эволюции, которая также должна была выбирать размер, чтобы получить сложные многоклеточные тела, которые намного, намного больше, чем отдельные клетки.
Мутация ветвей является генетической. Неужели физика здесь так важна?
Верно: случайные генетические мутации привели к появлению более качественных и длинных ветвей у некоторых дрожжевых снежинок, что дало им совокупное преимущество в весе.
Но распространение высших мутаций снежинок было результатом физических нагрузок, которые не ломали снежинки до тех пор, пока они не становились больше.
Кусочки, которые в конце концов оторвались исключительно под действием физической силы, были пропагулами. Некоторые из них привнесли мутации, благодаря которым новые снежинки стали еще лучше тонуть.
И это был важный шаг в многоклеточной эволюции.
Как было подтверждено, что стресс является причиной расщепления снежинок?
Исследователи проверили свойства материала снежинок под атомно-силовым микроскопом. «Мы раздавили кластеры и измерили, сколько силы и энергии потребуется, чтобы их разбить», - сказал Юнкер.
«Физические измерения точно показали размер, которого грозди достигнут до того, как они оторвутся от ветки из-за стресса», - сказал Рэтклифф..