La mutación genética puede impulsar la evolución, pero no por sí sola. La física puede ser un copiloto poderoso, a veces incluso marcando el rumbo.
En un nuevo estudio, físicos y biólogos evolutivos del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado cómo el estrés físico puede haber avanzado significativamente en la trayectoria evolutiva de organismos unicelulares a organismos multicelulares. En experimentos con grupos de células de levadura llamadas levadura de copo de nieve, las fuerzas enLas estructuras físicas de los cúmulos empujaron a los copos de nieve a evolucionar.
"La evolución de la multicelularidad es tanto una cuestión de física como de biología", dijo el biólogo Will Ratcliff, profesor asistente de la Facultad de Ciencias Biológicas de Georgia Tech.
Cuanto más grandes son ...
Al igual que los primeros ancestros de los organismos multicelulares, en este estudio la levadura del copo de nieve se encontró en un acertijo: a medida que crecía, las tensiones físicas la desgarraban en pedazos más pequeños. Entonces, cómo sostener el crecimiento necesario para evolucionar hacia un organismo multicelular complejo?
En el laboratorio, esas fuerzas de cizallamiento jugaron directamente en las manos de la evolución, estableciendo una pista para dirigir la evolución de la levadura hacia copos de nieve más grandes y resistentes.
"En solo ocho semanas, la levadura del copo de nieve desarrolló cuerpos más grandes y robustos al descubrir la física de la materia blanda que los humanos tardaron cientos de años en aprender", dijo Peter Yunker, profesor asistente en la Escuela de Física de Georgia Tech. Él y Ratcliffcolaboró en la investigación que documentó la evolución y midió las propiedades físicas de la levadura de copo de nieve mutada.
Publicaron sus resultados el 27 de noviembre de 2017, en la revista Física de la naturaleza . El trabajo fue financiado por el programa de exobiología de la NASA, la National Science Foundation y una beca de la Fundación Packard para Ratcliff.
Preguntas y respuestas
Aquí hay algunas preguntas y respuestas para iluminar el estudio y su importancia.
Pero primero, algunos antecedentes: la levadura de panadería, que se utilizó en estos experimentos, suele ser un organismo unicelular. Las células de levadura con una mutación bien conocida se unen en grupos llamados copos de nieve.
Ese no fue el enfoque de los experimentos, pero los copos de nieve de levadura fueron el punto de partida en este estudio sobre la evolución de la multicelularidad.
¿Por qué es importante este estudio?
Un grupo de células como un copo de nieve de levadura no es un organismo multicelular bien integrado todavía. Llegar incluso a una multicelularidad simple como la de algunas algas es un recorrido evolutivo muy largo.
"Es un viaje de mil pasos", dijo Ratcliff. "El cambio clave es que este grupo de células no evolucione como una pandilla de células individuales, sino como un individuo multicelular".
En este trabajo, los investigadores mostraron cómo la levadura del copo de nieve dio los primeros pasos en esa dirección al desarrollar cuerpos multicelulares más resistentes que sostenían el crecimiento. El proceso fue impulsado principalmente por fuerzas físicas, ya que los copos de nieve simples no tenían complejos mecanismos biológicos internos que fuerancapaces de ser los principales impulsores.
"Este es un ejemplo asombroso de adaptación multicelular alrededor de las limitaciones físicas mucho antes de la evolución de un programa de desarrollo celular", dijo Yunker.
¿Cómo funciona esta evolución a través del estrés físico?
"Los copos de nieve de levadura crecieron agregando células de extremo a extremo para formar ramas como las de un arbusto", dijo Yunker. "Pero las ramas se apiñaron entre sí, y las tensiones que resultaron hicieron que algunas se rompieran".
La rotura redujo el tamaño de los copos de nieve de levadura individuales, pero después de varias generaciones, los copos de nieve evolucionaron para reducir el apiñamiento de ramas alargando sus células individuales.
Como resultado, los copos de nieve en general estaban menos estresados y podrían crecer más y más robustos.
Además, los investigadores de Georgia Tech descubrieron que la física hizo que los copos de nieve básicamente tuvieran bebés. Específicamente, las piezas que se rompieron se convirtieron en propágulos que se convirtieron en copos de nieve propios.
Esta reproducción fue creada por la fuerza física y no por un programa biológico. Ratcliff publicó un estudio separado sobre el aspecto de la reproducción el 23 de octubre de 2017, en la revista Transacciones filosóficas de la Royal Society B .
"La física hace mucho por la multicelularidad", dijo Ratcliff. "También le da un ciclo de vida". El ciclo de vida se refiere al nacimiento, crecimiento, reproducción y muerte.
"Se está formando un consenso de que para que algo realmente evolucione hacia la multicelularidad, muy pronto, se debe desarrollar un ciclo de vida multicelular".
¿Cómo seleccionaron los experimentos para estas adaptaciones específicas?
Ratcliff y Yunker optimizaron la evolución en el laboratorio al crear un régimen de selección consistente para que evolucionen los copos de nieve de levadura. En este caso, seleccionaron los copos de nieve que eran mejores para hundirse.
Los copos de nieve que se hundieron mejor fueron más pesados, porque crecieron más que otros de la manera descrita anteriormente, lo que les dio más masa. "Por lo tanto, los grupos que evolucionaron para crecer eran también más pesados", dijo Ratcliff.
Esta configuración de selección experimental se adecuaba a la evolución natural, que también tuvo que seleccionar el tamaño para llegar a cuerpos multicelulares complejos, que son mucho, mucho más grandes que las células individuales.
La mutación de las ramas es genética. ¿Es la física realmente tan importante aquí?
Eso es correcto: las mutaciones genéticas aleatorias dieron como resultado ramas mejores y más largas en algunos copos de nieve de levadura, lo que les dio una ventaja de peso acumulativo.
Pero la propagación de las mutaciones superiores del copo de nieve fue el resultado de tensiones físicas que no rompieron los copos de nieve hasta que crecieron.
Las piezas que finalmente se rompieron, debido puramente a la fuerza física, fueron los propágulos. Algunos de ellos llevaron mutaciones hacia adelante que hicieron que los nuevos copos de nieve se hundieran aún mejor.
Y ese fue un paso crítico en la evolución multicelular.
¿Cómo se corroboró el estrés como la causa de la división de los copos de nieve?
Los investigadores pusieron a prueba las propiedades materiales de los copos de nieve bajo un microscopio de fuerza atómica. "Aplastamos los cúmulos y medimos cuánta fuerza y energía se necesitaba para romperlos", dijo Yunker.
"La medición física indicó de cerca el tamaño que alcanzarían los grupos antes de que se rompieran una rama debido al estrés", dijo Ratcliff.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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