Una vez, la vida unicelular reclamó el dominio exclusivo sobre la tierra. Durante unos tres mil millones de años, generaciones insondables de organismos unicelulares comieron, crecieron y se reprodujeron entre sí. Evolucionaron en depredadores y presas, prosperaron y se extendieron por las aguas primordiales.y tierra, y formaron ecosistemas complejos y dinámicos en cada nicho ecológico del planeta. Hace unos 600 millones de años, algunos incluso cruzaron el umbral hacia la multicelularidad.
Hoy, sin embargo, los organismos unicelulares son sinónimos de nociones como primitivas y simples. Sin embargo, una nueva investigación sugiere que pueden ser capaces de mucho más de lo que sus primos humanos distantes podrían sospechar.
En un esfuerzo por replicar un experimento realizado hace más de un siglo, los biólogos de sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard ahora presentan pruebas convincentes que confirman al menos un organismo unicelular: la llamativa forma de trompeta Stentor roeselii - exhibe una jerarquía de conductas de evitación.
Expuestos repetidamente a la misma estimulación, en este caso un pulso de partículas irritantes, el organismo puede "cambiar de opinión" sobre cómo responder, dijeron los autores, lo que indica una capacidad para procesos de toma de decisiones relativamente complejos.
Los resultados se publican en línea en Biología actual el 5 de diciembre
"Nuestros hallazgos muestran que las células individuales pueden ser mucho más sofisticadas de lo que generalmente les damos crédito", dijo el autor del estudio correspondiente Jeremy Gunawardena, profesor asociado de biología de sistemas en el Instituto Blavatnik en HMS.
Los investigadores dicen que tal sofisticación tiene sentido evolutivo.
"Organismos como S. roeselii dijo que eran depredadores superiores antes de la vida multicelular, y están extremadamente extendidos en muchos ambientes acuáticos diferentes ", dijo." Tienen que ser "inteligentes" para saber qué evitar, dónde comer y todas las otras cosas que los organismostienen que hacer para vivir. Creo que está claro que pueden tener formas complejas de hacerlo "
Fascinante pero olvidado
Hace una década, en una conferencia del biólogo inglés Dennis Bray, Gunawardena fue presentada al trabajo del destacado zoólogo estadounidense Herbert Spencer Jennings, quien, en 1906, publicó el influyente texto Comportamiento de los organismos inferiores. Un experimento particular atrapóOjo de Gunawardena.
Jennings estaba estudiando S. roeselii , miembro de un género extenso de protistas de agua dulce. Estas células individuales son notables por su tamaño relativamente grande y cuerpos únicos en forma de trompeta. Sus superficies y "campanas" de trompeta están forradas con proyecciones similares a pelos llamados cilios, que se usan para nadar y parageneran un vórtice en el fluido circundante, que barre los alimentos en sus "bocas". En el otro extremo de sus cuerpos, secretan una retención, que los une a los detritos para permanecer estacionarios mientras se alimentan.
Con un microscopio, una pipeta y una mano firme, Jennings documentó meticulosamente el comportamiento de S. roeselii cuando se expone a un irritante ambiental en forma de polvo de carmín.
Jennings observó una serie ordenada de comportamientos. Señaló que, típicamente, S. roeselii doblaría repetidamente su cuerpo para evitar el polvo. Si la irritación persistiera, revertiría el movimiento de sus cilios para expulsar las partículas de su boca. Si esto también fallara, entonces se contraería, bajando rápidamente hacia su agarre comoun percebe que se retira a su caparazón. Finalmente, si todos los esfuerzos anteriores fallaron S. roeselii se despegaría y se alejaría nadando
Estos comportamientos formaron una jerarquía, una escalada de acciones que el organismo llevó a cabo en función de una preferencia clasificada. Esta observación sugirió que poseía algunos de los comportamientos más complejos conocidos para una sola célula con un solo núcleo.
El experimento atrajo un interés generalizado, pero los esfuerzos posteriores para replicarlo, en particular, un estudio publicado en 1967, no tuvieron éxito. Como resultado, los hallazgos de Jennings fueron en gran medida desacreditados y olvidados por la ciencia moderna.
proyecto Skunkworks
Al igual que el polvo de carmín en un charco de agua de otra manera perfectamente habitable, esto molestó a Gunawardena, por lo que rastreó el estudio de 1967. Para su sorpresa, descubrió que los autores, que no pudieron encontrar S. roeselii , había usado una especie diferente para replicar el experimento de Jennings: Stentor coeruleus, que prefiere nadar en lugar de unirse para alimentarse.
Poco sorprendente, entonces, de que no pudieron reproducir los resultados, pensó Gunawardena. Se enamoró de tratar de replicar con precisión el experimento de Jennings. Pero como matemático al entrenar un laboratorio de la escuela de medicina centrado en el procesamiento de información molecular, lo encontródifícil de convencer a los demás.
"Seguí planteando esta idea en la reunión de mi grupo de laboratorio, diciendo que nos dice algo sobre las capacidades de las células individuales. Ya no pensamos de esta manera sobre cómo funcionan las células", dijo. "Y, como era de esperar,nadie estaba interesado. Es historia antigua, es biología descriptiva, todas las cosas que los alumnos jóvenes y brillantes no tocarían "
Pero él persistió. Uno de sus becarios posdoctorales, Sudhakaran Prabakaran, ahora líder de grupo en la Universidad de Cambridge en Inglaterra, se interesó. Y hace unos ocho años, Joseph Dexter, un pasante universitario que luego se convirtió en estudiante de doctorado de Gunawardena y quienahora es miembro del Instituto Neukom de Ciencias Computacionales en Dartmouth, también se sintió atraído por la idea.
Impulsados solo por un sentido incontenible de curiosidad e historia, sin apoyo formal de subvenciones, los tres se involucraron en un proyecto paralelo de un año.
"Fue un proyecto completamente skunkworks", dijo Gunawardena. "No era el trabajo de nadie".
Dexter y Prabakaran diseñaron y emprendieron los experimentos, y su primer desafío fue encontrar S. roeselii . Cazaron por todas partes, incluso buscando en estanques locales. Finalmente, localizaron un proveedor en Inglaterra, que obtuvo los organismos de un estanque de campo de golf y los envió al otro lado del Atlántico.
El equipo instaló un aparato experimental equipado con video microscopía y un sistema de microposicionamiento para administrar con precisión un irritante cerca de su boca S. roeselii sujetos de prueba. Inicialmente usaron polvo de carmín, pero vieron poca respuesta, y por ensayo y error, encontraron que las cuentas de plástico microscópicas eran efectivas
acechando en las matemáticas
Para su deleite, el trío logró obtener, y reproducir, todos los comportamientos que Jennings una vez describió.
Sin embargo, no vieron la jerarquía ordenada y ordenada de los comportamientos que Jennings había documentado. Más bien, parecía haber una variación considerable entre los sujetos: un espécimen podría doblarse y alterar sus cilios antes de contraerse, pero otro podría contraerse repetidamente,mientras que otro alternaría flexión y contracción.
Entonces, los tres recurrieron a su experiencia principal como biólogos cuantitativos. Desarrollaron un método para codificar los diferentes comportamientos que vieron en una serie de símbolos, y luego usaron análisis estadísticos para buscar patrones.
Cuando la observación falló, las matemáticas triunfaron. Había, de hecho, una jerarquía de comportamiento, reveló el análisis. Cuando se enfrentó a un irritante S. roeselii la mayoría de las veces, comenzará doblando y alterando sus cilios, a menudo simultáneamente. Si la irritación continúa, se contraerá o se desprenderá y se alejará. Los últimos comportamientos casi siempre ocurren después de los primeros, y los organismos nunca se desprenden sinprimera contratación, indicando un orden de acciones preferido.
"Primero hacen las cosas simples, pero si sigues estimulando," deciden "intentar otra cosa. S. roeselii no tiene cerebro, pero parece haber algún mecanismo que, en efecto, le permite "cambiar de opinión" una vez que siente que la irritación ha durado demasiado ", dijo Gunawardena.
"Esta jerarquía da un sentido vívido de alguna forma de cálculo de toma de decisiones relativamente complejo dentro del organismo, sopesando si es mejor ejecutar un comportamiento frente a otro", dijo.
lanzamiento de moneda justo
Al replicar con éxito el experimento de Jennings e iluminar nuevas observaciones cuantitativas sobre las capacidades de comportamiento de S. roeselii , el equipo espera que haya resuelto la confusión histórica sobre la precisión de sus hallazgos.
Pero los resultados ahora plantean numerosas preguntas nuevas.
Los análisis mostraron que existe una posibilidad casi perfecta de que cualquier individuo S. roeselii elegirá contraerse o separarse, una pista que es particularmente tentadora para los científicos que estudian cómo las células procesan la información a nivel molecular. La decisión entre los dos comportamientos es consistente, con cada organismo lanzando una moneda imparcial independientemente, independientemente de las acciones anteriores, dijeron los autores.
"De alguna manera está basando sus decisiones, a nivel molecular, en un lanzamiento de moneda justo", dijo Gunawardena. "No se me ocurre ningún mecanismo conocido que les permita implementar esto. Es increíblemente fascinante y algo que Jennings nunca observó"porque necesitábamos mediciones cuantitativas para revelarlo "
En términos más generales, dicen los autores, la observación de que las células individuales pueden ser capaces de comportamientos complejos podría informar otras áreas de la biología.
En biología del desarrollo o investigación del cáncer, por ejemplo, los procesos que sufren las células a menudo se denominan programas, dijo Gunawardena, sugiriendo que las células están "programadas" para hacer lo que hacen ". Pero las células existen en un ecosistema muy complejo, yen cierto modo, hablan y negocian entre sí, responden a las señales y toman decisiones "
"Creo que este experimento nos obliga a pensar en la existencia de, muy especulativamente, alguna forma de 'cognición' celular, en la que las células individuales pueden ser capaces de procesar información compleja y tomar decisiones en respuesta", continuó ".Toda la vida tiene los mismos fundamentos, y nuestros resultados nos dan al menos una evidencia de por qué deberíamos ampliar nuestra visión para incluir este tipo de pensamiento en la investigación de biología moderna ".
"También ilustra cómo, a veces, tendemos a ignorar las cosas no porque no existan, sino porque no creemos que sea importante mirarlas", agregó. "Creo que eso es lo que hace que este estudio sea taninteresante."
Como parte de sus estudios de posgrado, Joseph Dexter recibió el apoyo de una Beca Nacional de Investigación de Graduados en Ciencias DGE1144152.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Medicina de Harvard . Original escrito por Kevin Jiang. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :