Məlumat

Tədqiqatçılar çoxhüceyrəli maya təkamül etdi, yoxsa sadəcə çoxhüceyrəliliyi işə saldılar?

Tədqiqatçılar çoxhüceyrəli maya təkamül etdi, yoxsa sadəcə çoxhüceyrəliliyi işə saldılar?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ars Technica vasitəsilə tapılan "Çoxhüceyrəliliyin eksperimental təkamülü" adlı bu yeni məqalədə tədqiqatçılar birhüceyrəli maya növündən 60 gün ərzində çoxhüceyrəlilik və apoptozu inkişaf etdirdiklərini təsvir edirlər.

Mümkündürmü ki, onların etdikləri bu növün əvvəllər təkamül etmiş və sadəcə olaraq hərəkətsiz qalan qabiliyyətini işə salmaqdır? O maya növlərinin və onun bütün əcdadlarının heç vaxt çoxhüceyrəli olmadığını bilirikmi? Qəzet hətta bunun mümkünlüyünü qeyd etmir.


Sən haqlısan:

Göbələklər daxilində hiflərin sadə xətti çoxhüceyrəliliyi bütün əsas qruplarda baş verir (aşağıya bax), lakin yalnız Ascomycota və Basidomycota cinsi sporlar əmələ gətirən meyvə cisimləri şəklində daha mürəkkəb iki və üç ölçülü çoxhüceyrəlilik nümayiş etdirir. Bu qrupların hər ikisində birhüceyrəli həyat formalarına dönüş baş verdi, misal üçün, Sakkaromislər və bir çox digər əlaqəli mayalar Saccharomycotina (Ascomycota) və ya Cryptococcus albidus və Basidiomycota'nın hymenomycete cinsində əlaqəli növlər (de Hoog et al. 2000, s. 130).

Medina, M., A. G. Collins, J. W. Taylor, J. W. Valentine, J. H. Lipps, L. A. Amaral Zettler və M. L. Sogin (2003). "Opisthokonta filogeniyası və göbələklər və metazoalarda çoxhüceyrəlilik və mürəkkəbliyin təkamülü". Beynəlxalq Astrobiologiya Jurnalı 2(3): 203-211. doi: 10.1017/S1473550403001551 (PDF)

Yeniləmə: Müəlliflər The Loom-da bu kimi tənqidlərə cavab verdilər, burada bir parça var:

Mayamız "gizli" çoxhüceyrəli genlərdən istifadə etmir və öz vəhşi vəziyyətinə qayıdır. Qar dənəciyi mayasının ilkin təkamülü normal mitotik reproduktiv prosesi pozan mutasiyaların nəticəsidir və bölünmə tamamlandıqda qız hüceyrələrinin normal olaraq sərbəst buraxılmasına mane olur. Yenə də nokaut kitabxanalarından bilirik ki, bu fenotip bir çox fərqli mutasiyaların nəticəsi ola bilər. Bu funksiyanın itirilməsidir, funksiya qazanması deyil. Yəqin ki, siz demək olar ki, hər hansı bir mikrobda oxşar fenotip inkişaf etdirə bilərsiniz (bakteriyalardan başqa, ikili parçalanma əsaslı şəkildə fərqli bir prosesdir). Qar dənəciyi mayası təkamül etdikdən sonra birhüceyrəliliyə qayıtmağın əslində daha çətin olduğunu görürük, çünki mutasiya yolu ilə bir şeyi sındırmağın onu düzəltməkdən daha çox yolu var.


Yerin oksigenlə erkən qalxması çoxhüceyrəli həyatın təkamülünə kömək etdimi? (Yer Elmi)

Alimlər uzun müddətdir ki, 2,5 milyard il əvvəl Böyük Oksigenləşmə hadisəsi ilə başlayan atmosfer oksigeninin artması ilə iri, mürəkkəb çoxhüceyrəli orqanizmlərin yüksəlişi arasında birbaşa əlaqənin olduğunu düşünürdülər.

Bu nəzəriyyə, “Oksigenə Nəzarət Fərziyyəsi”, bu erkən çoxhüceyrəli orqanizmlərin ölçüsünün oksigenin bədənlərinə yayıla biləcəyi dərinliklə məhdudlaşdığını göstərir. Bu fərziyyə həm təkamül biologiyasında, həm də geoelmlərdə yüksək təsirə malik olan sadə bir proqnoz verir: Atmosfer oksigeninin artması həmişə çoxhüceyrəli orqanizmlərin böyüyə biləcəyi ölçüləri artırmalıdır.

Bu, laboratoriyada sınaqdan keçirilməsinin çətin olduğu sübut edilən bir fərziyyədir. Bununla belə, Georgia Tech tədqiqatçılarından ibarət bir qrup yönləndirilmiş təkamül, sintetik biologiya və riyazi modelləşdirmədən istifadə edərək bir yol tapdılar — — — bütün sadə çoxhüceyrəli həyat forması ‘“qar dənəciyi mayası’” adlanır. Nəticələr? Erkən Yer kürəsinin oksigenləşməsi ilə böyük çoxhüceyrəli orqanizmlərin yüksəlişi arasındakı əlaqəyə dair əhəmiyyətli yeni məlumatlar — — və bu, bizim ən erkən çoxhüceyrəli əcdadlarımızın bəziləri üçün tam olaraq nə qədər O2 mövcud olduğu ilə bağlıdır.

“Oksigenin çoxhüceyrəliliyin təkamülünə müsbət təsiri tamamilə dozadan asılıdır — planetimizin ilk oksigenləşməsi çoxhüceyrəli həyatın təkamülünü güclü şəkildə məhdudlaşdırardı, təşviq etməzdi”, G. Ozan Bozdağ, araşdırmanı izah edir. Biologiya Elmləri Məktəbinin alimi və tədqiqatın aparıcı müəllifi. “Oksigenin çoxhüceyrəli ölçüyə müsbət təsiri yalnız yüksək səviyyələrə çatdıqda həyata keçirilə bilər.”

“Makroskopik çoxhüceyrəliliyin oksigenlə basdırılması”” jurnalın 14 may 2021-ci il sayında dərc edilmişdir. Təbiət Əlaqələri. Bozdağın məqalədə həmmüəllifləri arasında Georgia Tech tədqiqatçıları Will Ratcliff, Biologiya Elmləri Məktəbinin dosenti Chris Reinhard, Yer və Atmosfer Elmləri Məktəbinin dosenti Rozenn Pineau, Ph.D. İsveçdəki Umea Universitetində və Nyu Meksikodakı Santa Fe İnstitutunda dosent Eric Libby ilə birlikdə Biologiya Elmləri Məktəbinin və Kəmiyyət Bioelmləri üzrə Fənlərarası Məzun Proqramının (QBioS) tələbəsi.

Mayanın rekord müddətdə təkamülə yönəldilməsi

“Biz oksigenin təsirinin əvvəllər təsəvvür ediləndən daha mürəkkəb olduğunu göstəririk. Ratcliff qeyd edir ki, qlobal oksigenin erkən artımı əslində daha böyük və daha mürəkkəb orqanizmlər üçün seçim etməkdənsə, makroskopik çoxhüceyrəliliyin təkamülünü güclü şəkildə məhdudlaşdırmalıdır.

“İnsanlar çoxdan Yerin səthinin oksigenləşməsinin faydalı olduğuna inanırdılar — — bəziləri bunun böyük, mürəkkəb çoxhüceyrəli orqanizmlərin təkamülü üçün ilkin şərt olduğunu söyləyirlər—”, o əlavə edir. “Lakin heç kim bunu birbaşa sınaqdan keçirməmişdir, çünki bizdə həm çoxlu təkamül nəsillərini sürətlə keçə bilən, həm də anaerob şəraitdən oksigen şəraitinin tam spektrində inkişaf edə bilən bir model sistemimiz yoxdur. müasir səviyyələrə qədər.

Tədqiqatçılar bunu qar dənəciyi mayası ilə, sürətli təkamül dəyişikliyinə qadir olan sadə çoxhüceyrəli orqanizmlərlə bacardılar. Böyümə mühitini dəyişdirərək, laboratoriyada 800-dən çox nəsil üçün qar dənəciyi mayasını daha böyük ölçüdə seçimlə təkamül etdirdilər.

Nəticələr Bozdağı təəccübləndirib. “Mən çoxhüceyrəli mayaların oksigendən istifadə edə bilməyəndə çox sürətlə ölçülərini ikiqat artırdıqlarını, orta oksigenli mühitdə təkamül edən populyasiyaların isə heç bir ölçü artımı göstərmədiyini görəndə heyrətləndim”. “Bu təsir daha uzun müddətlərdə belə güclüdür.”

Çoxhüceyrəli böyümə üçün ölçü — və oksigen səviyyələri —-dir

Ratcliff deyir ki, komandanın araşdırmasında “böyük ölçülər ya mayalarımızda oksigen olmadıqda və ya çox olduqda asanlıqla təkamül edirdi, lakin oksigen aşağı səviyyədə olduqda deyil”. “Biz bunun əslində tamamilə proqnozlaşdırıla bilən və başa düşülən nəticəsi olduğunu göstərmək üçün daha çox iş gördük ki, oksigen məhdudlaşdırarkən resurs rolunu oynayır — hüceyrələr ona daxil ola bilsələr, onlar böyük metabolik fayda əldə edirlər. Oksigen qıt olduqda, orqanizmlərə çox yayıla bilməz, buna görə də çoxhüceyrəli orqanizmlərin kiçik olması üçün təkamül stimulu var, bu da onların hüceyrələrinin əksəriyyətinin oksigenə çıxışına imkan verir. mövcud olmadıqda və ya ətrafda toxumalara daha dərindən yayılmaq üçün kifayət qədər miqdarda olduqda.”.

Ratcliff deyir ki, onun qrupunun işi təkcə Oksigenə Nəzarət Fərziyyəsinə meydan oxumur, həm də elmə Böyük Oksigenləşmə Hadisəsindən milyard il sonra çoxhüceyrəli orqanizmlər dünyasında niyə belə az aşkar təkamül innovasiyasının baş verdiyini anlamağa kömək edir. Ratcliff izah edir ki, geoloqlar bu dövrü "Dünyanın tarixində "Darışıq Milyar" adlandırırlar, "Yerin Tarixinin Ən Darıxdırıcı Zamanı" və "Yerin Orta Əsrləri" də oksigenin mövcud olduğu bir dövrdür. atmosfer, lakin aşağı səviyyədə və çoxhüceyrəli orqanizmlər nisbətən kiçik və sadə qaldı.

Bozdağ araşdırmanın bənzərsiz təbiətinə daha bir fikir əlavə edir. “Əvvəlki iş oksigen və çoxhüceyrəli ölçülər arasındakı qarşılıqlı əlaqəni əsasən qaz diffuziyasının fiziki prinsipləri vasitəsilə araşdırdı”. “Bu mülahizə əsas olsa da, planetimizdəki mürəkkəb çoxhüceyrəli həyatın mənşəyini öyrənərkən Darvinin təkamül prinsiplərini də əhatəli şəkildə nəzərə almalıyıq.” Nəhayət, orqanizmləri təkamülün bir çox nəsilləri vasitəsilə irəlilətmək tədqiqatçılara sadəcə olaraq nail olmağa kömək etdi. Bozdağ əlavə edir.

Bu iş Milli Elm Fondunun 1 nömrəli qrantı ilə dəstəkləndi. DEB-1845363, W.C.R, NSF qrant nömrəsi. IOS-1656549, W.C.R., NSF qrant nömrəsi. E.L. üçün IOS-1656849 və WCR üçün Elm və Mühəndislik üzrə Packard Vəqfi Təqaüdü. C.T.R. və W.C.R. NASA Astrobiologiya İnstitutunun maliyyə dəstəyini qəbul edir.

Seçilmiş şəkil: Erkən Yerin rəssam renderi © NASA


Alimlər çoxhüceyrəli orqanizmi təkhüceyrəli orqanizmdən təkamül etdirdilər? Rich Deem tərəfindən

Minnesota Universitetindən olan alim təkhüceyrəli mayanı sadəcə süni seçim yolu ilə çoxhüceyrəli orqanizmlərə çevirdiyini iddia edir. Bu mayalar həqiqətən çoxhüceyrəlidirmi?

Giriş

Milyarlarla ildir ki, yer üzündə həyat yalnız birhüceyrəli mikroorqanizmlərdən ibarət olmuşdur. Əvvəlcə bu mikroorqanizmlər prokaryotlar (bakteriyalar və arxeya), sonra eukaryotlar (nüvəli hüceyrələr) idi. Çoxhüceyrəli eukariotlar 1000-650 milyon il əvvələ qədər meydana çıxmadı. Birhüceyrəli orqanizmlərdən çoxhüceyrəlilərə keçmək üçün təxminən üç milyard il çəkməsi bu keçidin əhəmiyyətsiz olmadığını deməyə əsas verir. Bununla belə, elm adamları eyni vəzifəni cəmi 60 gündə yerinə yetirdiklərini açıqladılar. 1 Yoxsa elədilər?

Maya birhüceyrəlidir?

Tədqiqatın müəllifləri adi pivə mayasından istifadə ediblər (Saccharomyces cerevisiae), adətən fərdi hüceyrələr kimi böyüyür. Hüceyrələr qönçələnmə ilə çoxalır, beləliklə bir hüceyrədən iki qız hüceyrə əmələ gəlir. Müəlliflərin yalnız qısaca qeyd etdikləri və əhəmiyyətsiz olaraq rədd etdikləri faktdır ki, Saccharomyces cerevisiae əlverişsiz şəraitdə böyüdükdə "pseudohyphae" meydana gətirərək yığılmış şəkildə böyüyəcək. Əslində, ammonium çatışmazlığı olan orta SLAD-da yetişdirildikdə, 56% Saccharomyces cerevisiae ştammlar filamentvari fenotip 2 göstərdi (şəklin sol tərəfi sağa). Beləliklə, bu mayaların ola biləcəyi olduqca aydındır artıq hətta "çoxhüceyrəli" strukturları kimi böyüyürlər əvvəl alimlər bu xüsusiyyət üçün seçim etməyə başladılar.

Eksperimental üsullar və nəticələr

Araşdırmanın müəllifləri aldı Saccharomyces cerevisiae və onları sürətli sedimentasiya tələbindən ibarət sadə seçim protokoluna tabe etdi. Mədəniyyətlər hər zamanki kimi çalkalanmaqla (havalandırma üçün) bulyonda yetişdirilirdi, lakin gündə bir dəfə mədəniyyətlərin çökməsinə icazə verilirdi (əvvəlcə daha böyük yığınlar çökür) və mədəniyyətin alt 1%-i yenidən yeni mədəniyyətə əkilirdi. Bir neçə nəsil ərzində mədəniyyətlər demək olar ki, yalnız "qar dənələrindən" ibarət idi (tez yerləşəcək budaqlanan hüceyrə yığınları, yuxarıdakı şəklə baxın). Hüceyrələrin "çoxhüceyrəli" olmasının iki əsas mexanizmi var. Biri qönçələnmədən sonra yığılmanın artması, digəri isə qönçələnmədən sonra ayrılmanın olmamasıdır. Vizual müşahidə mexanizmin qönçələnmədən sonra ayrılma olmaması olduğunu ortaya qoydu. Onların qənaətinə görə, çoxhüceyrəlilik iki ay ərzində inkişaf edə bilər!

Fərqləndirmə?

Çoxhüceyrəliliyin əsas əlaməti hüceyrələrin xüsusi funksiyaları yerinə yetirən fərqli hüceyrə tiplərinə diferensiallaşmasıdır. Məqalədə müəlliflər iddia edirdilər ki, "the qar dənəciyi fenotipi yetkinlik yaşına çatmayanlar/yetkinlik yaşına çatmayanlar arasında diferensiasiya nümayiş etdirir"." Bunu göstərmək üçün nəzərdə tutulan Şəkil 3b, sadəcə olaraq, klaster ölçülərini məskunlaşma seçim protokolunun funksiyası kimi göstərmişdir. Məqalədə heç vaxt "yetkinlik yaşına çatmayanlar" və "yetkinlik yaşına çatmayanlar" arasında biokimyəvi və ya genetik/epigentik fərqlər göstərilməyib (açıqcası, "yetkinlik yaşına çatmayanlar" daha kiçik idi). Bundan əlavə, onların "diferensiasiya" işarəsi apoptoz (proqramlaşdırılmış hüceyrə ölümü) idi. Çoxhüceyrəli orqanizmlərdə bəzi hüceyrələr ölmək üçün proqramlaşdırılmışdır, çünki digərləri xüsusi hüceyrə fenotiplərinə diferensiasiya olunur. Ancaq apoptozdur yox apoptoza məruz qalan hüceyrələr öldüyündən (ölüm və differensiasiya) fərqləndirmə markeridir. Əslində, tədqiqatçılar heç vaxt apoptozu ölçməmişlər. Onlar sadəcə olaraq koloniyaları reaktiv oksigen növlərinin mövcudluğu üçün ləkələyən dihidrorodamin 123 (DHR) ilə boyadılar. Beləliklə, onlar proqramlaşdırılmış hüceyrə ölümünün (apoptoza aparan kimyəvi yolları ölçməklə) olduğundan əmin deyildilər. Belə "qar dənələri"nin içərisində olan hüceyrələrin stresə girib ölməsinin birdən çox yolu var. Xatırlayacaqsınız ki, bütün bu mədəniyyətlər böyüməsi zamanı titrəyirdi. Adətən, bu, ən azı 200 rpm sürətlə mədəniyyətlərdə medianı "spins" edən orbital çalkalayıcıdan istifadə etməklə edilir. Əlavə üsullar 3 deyir ki, mədəniyyətlər 250°-də "salkalanırdı g" (Aydındır ki, bu bir səhvdir, çox güman ki, 250 rpm deməkdir). Bu cür sarsıntı, sürətlə hərəkət edən mədəniyyət mühitinin qüvvələri tərəfindən büküldüyü üçün "qar dənəsinin" ortasına yaxın olan hüceyrələrə zərər verəcək şəffaf qüvvələrlə nəticələnir. Koloniyalar nə qədər böyük olarsa, ona təsir edəcək sərrast qüvvələr bir o qədər güclü olar. Zədələnmiş hüceyrələr öləcək və nəticədə "yetkinlik yaşına çatmayan qar dənəciyi" buraxılacaq. Bu fərziyyəni yoxlamaq üçün müəlliflər kulturları silkələmədən, səthin həcminə nisbəti böyük olan qablarda yetişdirməli idilər (kulturanın aerasiyasını təmin etmək üçün). Belə mədəniyyətlər sarsılmış mədəniyyətlərlə müqayisədə azalmış "apoptoz" göstərməlidir. Əgər belədirsə, hüceyrə ölümünün səbəbinin belə sarsıntı olduğunu yoxlamaq üçün onları qısaca silkələmək olar. Beləliklə, mən inanıram ki, onların "qar dənələrində" real apoptoz çox az idi, əgər varsa.

Genotiplər

Tədqiqatın müəllifləri "genotiplər" sözünü ən azı bir neçə onlarla dəfə işlətsələr də sıfır genetik analiz. Onların tədqiqini təsvir edən düzgün termin "fenotiplər" (genotipik fərqliliklərə görə ola və ya olmaya bilən müşahidə olunan əlamətlər) olardı ki, onlar da bir neçə dəfə istifadə etdilər. Demək olar ki, məqalənin hissələri müxtəlif insanlar tərəfindən yazılmışdır&mdashone "genotip" sözünün əslində nə demək olduğunu anlamamışdır. Yalnız onların fərdi qar dənəciklərini təcrid etmələri onların "genotiplərinin olması demək deyil." Tamamilə mümkündür ki, orijinal fenotip genetik cəhətdən qar dənəciyi fenotipi ilə eynidir (fərqlər epigenetik dəyişikliklər və ya RNT ifadəsindəki dəyişikliklərlə bağlı ola bilər). Hər hansı bir genetik analiz olmadan, hər hansı bir genetik dəyişikliyin müşahidə olunan fenotipik dəyişikliklərdən məsul olduğu qənaətinə gəlmək mümkün deyil.

Alternativ şərhlər

Tədqiqatın müəllifləri makrotəkamülə inandıqları üçün o qədər kor oldular ki, müşahidə etdikləri nəticələrin ən bariz izahını nəzərdən keçirə bilmədilər. Vəhşi tip Saccharomyces cerevisiae onsuz da psevdohifa əmələ gətirərək yığılmış şəkildə böyümək qabiliyyətinə malikdirlər. Düzdür, "qar dənələrinin" morfologiyası psevdohipada müşahidə olunandan tamamilə fərqlidir. Lakin bu o demək deyil Saccharomyces cerevisiae Psevdohiflərin əmələ gəlməsində iştirak edən genlərin heç olmasa bəzilərini "qar dənələri yaratmaq üçün mənimsəyə bilməzdi". Saccharomyces cerevisiae. 4 Nəticə çıxarmaq üçün Saccharomyces cerevisiae Bir neçə gün ərzində təkamül edən yeni genlərin laboratoriyada seçilməsi inandırıcılığın xaricindədir.

Nəticə

Minnesota Universitetinin alimləri bizdən inanmağımızı istəyirlər ki, yer üzündə görünməsi milyardlarla il çəkmiş çoxhüceyrəlilik sadə laboratoriya seçimi ilə bir neçə gün ərzində təkamül edə bilər. Müasir genetik ardıcıllıq və gen massivinin ifadə analizi üsullarından istifadə etmək əvəzinə, bu elm adamları sadəcə olaraq, Saccharomyces cerevisiae belə nəticəyə gəlmək olar ki, onlar "adult" və "juvenil" populyasiyalarına "differensiasiya etmişlər". Onlar faktiki olaraq reaktiv oksigen növlərinin mövcudluğunu yoxlayan DHR ilə boyanaraq "apoptozu" ölçmək iddiasında idilər. Çox güman ki, kulturaların sarsıdılması zamanı mövcud olan kəskin qüvvələrin koloniyaların ortasına yaxın hüceyrə ölümünə cavabdeh olduğu, çünki budaqlar irəli-geri əyilmişdir. Belə bir ssenari hüceyrə ölümü və nəticədə koloniyanın hissələrinin sərbəst buraxılması ilə nəticələnəcəkdi. Bu alternativ izahatlar asanlıqla sınaqdan keçirilə bilər və çox güman ki, tədqiqatı dərc edən elm adamları tərəfindən təklif olunan məlumatların şərhini etibarsız edə bilər.

Əlaqədar Səhifələr

Əlaqədar Materiallar

Həyatın Mənşəyi: Bibliya və Təkamül Modelləri Üz-üzə gəlir Fazale Rana və Hugh Ross tərəfindən. Yəqin ki, ateizmə qarşı yeganə ən güclü elmi dəlil həyatın təbii mənşəyi problemidir. Bu problem məni 1970-ci illərin əvvəllərində USC-də biologiya ixtisası üzrə deist olmağa vadar etdi. Ateistlərin problemləri o vaxtdan bəri yaxşılaşmayıb. Əslində, son 30+ illik tədqiqatlar nəzəriyyələri ilk dəfə öyrəndiyim zaman mövcud olan problemlərdən daha çox problem ortaya çıxardı. Fuz Rana (biokimyaçı) və Hugh Ross (astrofizik) yazmaq üçün birləşdilər. the həyatın mənşəyinin qəti müasir təhlili. Kitab həyatın mənşəyini kimya, biokimya, astronomiya və İncil nöqteyi-nəzərindən araşdırır. Oxucuya hansının məlumatlara daha yaxşı uyğun gəldiyini qərara almağa kömək etmək üçün naturalistik modellərlə yanaşı biblical yaradılış modeli təqdim olunur.


Test Borusu Mayası Təkamül Çoxhüceyrəlilik

Təkhüceyrəli orqanizmlərdən çoxhüceyrəlilərə keçid Yer kürəsində həyatın yaranması tarixində ən mühüm hadisələrdən biri idi. Bu olmasaydı, bütün canlılar hələ də mikroskopik və sadə olardılar, nə bitki, nə beyin, nə də insan kimi bir şey olmazdı. Çoxhüceyrəliliyin tam olaraq necə yarandığı hələ də sirr olaraq qalır, lakin yanvarın 16-da dərc edilən yeni bir araşdırma Milli Elmlər Akademiyasının materiallarıs, bunun bir çox elm adamının gözlədiyindən daha sürətli və asan ola biləcəyini aşkar etdi.

"Bu, təkamül və inkişaf biologiyasının ən fundamental suallarından birinə toxunan əhəmiyyətli bir məqalədir" dedi, Kaliforniya Universitetində, Davisdə təkamülçü bioloq, tədqiqatda iştirak etməyən Rik Qrosberq.

Təkamül ayrı-ayrı hüceyrələrə təsir etdiyi üçün hüceyrənin eqoist olması öz bəhrəsini verir. Resursları oğurlamaq və qonşulara mane olmaq, bir hüceyrə öz genlərinin daha çoxunun gələcək nəslə keçmə ehtimalını artıra bilər. Bu məntiq onun çoxhüceyrəliliyin necə yarandığını təsəvvür etməkdə çətinlik çəkməsinin səbəblərindən biridir ki, o, qrupun sağ qalması lehinə şəxsi maraqların tabe edilməsini tələb edir.

Berlindəki für Naturkunde Muzeyinin paleobioloqu Karl Simpson deyir ki, “Ənənəvi nəzəriyyələr bunu çətin bir keçid hesab edir, çünki ayrı-ayrı hüceyrələrdə seçimi birtəhər söndürməli və kollektiv üçün işə salmalısan”. tədqiqatda. "Burada böyük nəticə odur ki, bu keçidlər çox asan ola bilər"

Yeni məqalədə Minnesota Universitetinin tədqiqatçıları mayada çoxhüceyrəliliyi süni şəkildə seçmək üçün sadə, lakin zərif bir texnikadan istifadə ediblər. Onlar birhüceyrəli mayanı maye qida borusuna atdılar və hüceyrələrin yerləşməsini bir neçə dəqiqə gözlədilər. Sonra mayenin ən aşağı hissəsini çıxardılar və tərkibində olan hər hansı hüceyrələrin gələcək nəslin əmələ gəlməsinə icazə verdilər. Hüceyrələr dibinə çökmək və sağ qalmaq üçün bir araya toplaşmalı olduqlarından, süni seçim mayanın tək qalmaqdansa əməkdaşlıq etməsini daha sərfəli etdi.

Cəmi 60 nəsildən sonra sağ qalan bütün maya populyasiyaları qar dənəciyi formalı çoxhüceyrəli qruplar əmələ gətirdilər. "Buna görə də biz bilirik ki, çoxhüceyrəliliyi seçmək üçün sadə şərtlər kifayətdir" - tədqiqata rəhbərlik edən bioloq Maykl Travisano deyir.

Bəs hansı anda maya hüceyrələr toplusundan başqa bir şeyə çevrilir? Nə vaxt özlərini bir orqanizm kimi aparmağa başlayırlar?

Dovşan kimi əsl çoxhüceyrəli orqanizmdə təkamül onu yaradan milyardlarla hüceyrənin hər birinə deyil, dovşana təsir edir. Beləliklə, tədqiqatçılar süni seçmənin qar dənəciyi mayasına çoxhüceyrəli orqanizmlər kimi təsir edib-etməyəcəyini müəyyən etməyə başladılar. Bunu yoxlamaq üçün çoxhüceyrəli mayanın bir partiyasının boruda çökməsinə cəmi beş dəqiqə icazə verildi (güclü seçim təzyiqini təmsil edir), digər partiyaya isə 25 dəqiqə (daha zəif seçmə təzyiqi) verildi. 35 nəsildən sonra daha güclü seleksiyaya məruz qalan mayalar təkamül edərək daha böyük klaster ölçülərinə sahib oldular, halbuki zəif seleksiya qrupunda olanların ölçüləri əslində kiçildi. Bu, hər bir hüceyrə çoxluğunun bir orqanizm kimi təkamül etdiyini göstərirdi.

Bundan əlavə, time-lapse fotoqrafiya (aşağıdakı video) çoxhüceyrəli mayaların çoxalmaq üçün özünü çoxhüceyrəli formaya çevirən budaqlara bölündüyünü ortaya qoydu. Qız qrupları valideynləri ilə eyni ölçüyə çatana qədər öz nəsillərini yaratmadılar. Bu gənclik mərhələsinin mövcudluğu, qar dənəciyi mayasının çoxhüceyrəli həyat tərzini mənimsədiyini göstərir, Travisano laboratoriyasında doktoranturadan sonrakı tələbə William Ratcliff deyir.

Tədqiqatçılar, həmçinin daha mürəkkəb çoxhüceyrəli həyat formaları üçün vacib xüsusiyyət olan ibtidai əmək bölgüsünün sübutunu tapdılar. Məsələn, bir insanda bəzi hüceyrələr qan hüceyrələrinə, digərləri immun hüceyrələrə fərqlənə bilər, lakin yalnız seçilmiş yumurta və ya sperma hüceyrələri gələcək nəslin formalaşmasına kömək edir.

Çoxhüceyrəli mayada əmək bölgüsü daha incə idi. Təcrübənin süni seçimi böyük klasterlərə üstünlük versə də, böyük klasterin çoxalması üçün böyümək üçün daha çox vaxt tələb olunur. Bu o demək idi ki, yarıya daha tez bölünən kiçik klasterlər tezliklə daha böyük qrupları üstələyə bilər. Lakin bir çox seleksiya nəsillərindən sonra böyük qruplar bir həll yolu inkişaf etdirdilər: nəslin ana çoxluqdan ayrıla biləcəyi nöqtələr kimi xidmət edən qeyri-reproduktiv hüceyrələr. Daha çox qırılma nöqtəsi təmin etməklə, bu ixtisaslaşmış hüceyrələr çoxluqların daha çox hissələrə bölünməsinə və daha çox sayda nəsillərin sürətlə meydana gəlməsinə imkan verdi.

&ldquoQrosberq deyir ki, strukturun çoxalması üçün ölmək üçün ixtisaslaşan hüceyrələrin olması hüceyrə diferensiasiyası istiqamətində atılan ilk addımlardan xəbər verir.

Tədqiqatçılar maya qruplarının həqiqətən çoxhüceyrəli orqanizmlər sayıla biləcəyi ilə razılaşsalar da, onlar nisbətən sadə olaraq qalırlar. "Tədqiqatçılar bu yanaşma ilə süngərləri təkmilləşdirmək fikrində deyillər, lakin onların bu qədər tez edə bildikləri heyrətamizdir" dedi Simpson.

Sürətli təkamül çoxhüceyrəliliyin inkişaf etdirilməsinin nisbətən asan olması lazım olduğunu iddia edən məqalələr yazan Qrosberq üçün o qədər də təəccüblü deyildi. Digər tədqiqatçılar çoxhüceyrəliliyin həyat tarixi boyunca ən azı 25 fərqli vəziyyətdə müstəqil olaraq yarandığını təxmin ediblər. Ancaq heç kim bunun necə yarandığını və ya prosesə hansı addımların daxil olduğunu bilmirdi. Təkamülün gedişatını izləməklə, yeni tədqiqat bu nəzəriyyələr üçün eksperimental sübutlar üzə çıxardı və çoxhüceyrəliliyin necə təkamül edə biləcəyinin mümkün bir ssenarisini ortaya qoydu.

"Bizim çoxhüceyrəliliyin necə təkamül edə biləcəyi ilə bağlı fərziyyələrimiz var idi, lakin indiyə qədər heç kim onları həqiqətən sınaqdan keçirə bilməyib&rdquo Ratcliff deyir. "İndi bizdə bu eksperimental sistem var, biz çoxlu həqiqətən maraqlı suallar verə bilərik."


Yaradılış Araşdırmaları İnstitutu

Son başlıqlar iddia edir ki, &ldquoAlimlər təkhüceyrəli yosunların çoxhüceyrəli orqanizmə çevrilməsinin şahidi olublar.&rdquo 1 Əslində təcrübə göstərdi ki, ayrı-ayrı hüceyrələrin kobud yığılmasından başqa heç nə baş verməmişdir. Yeni çoxhüceyrəli orqanizm yaradılmadı və heç bir real təkamül müşahidə olunmadı.

Molekulların insan təkamülünün böyük hekayəsində əsas maneələrdən biri həyatın ilk dəfə birhüceyrəli orqanizmlərdən çoxhüceyrəlilərə necə keçdiyidir. Bitkilər və heyvanlar toxumaları, strukturları və bütöv bədənləri əmələ gətirən bir-birinə bağlı hüceyrələrdən ibarət mürəkkəb sistemlərdir. Bakteriya və ya yosun kimi canlılar böyük təkamül maneəsini mürəkkəb çoxhüceyrəli canlılara necə çevirə bilər? Fosil qeydlərində bunun baş verdiyinə dair heç bir dəlil yoxdur və biz indi belə bir şeyin baş verdiyini görmürük.

Real dünya məlumatlarını izah etmək üçün təkamül paradiqmasının mənasızlığına baxmayaraq, Allahı inkar edən elm adamları faktiki olaraq hər hansı təbiət hadisəsinə qapanacaq və sonra öz paradiqmalarını dəstəkləmək üçün ona qəribə bir bükülmə tətbiq edəcəklər. adlı birhüceyrəli yosun növü ilə bağlı yeni bir araşdırmada belədir Chlamydomonas reinhardtii. Bu növ məxluq adətən iki flagellumun (qamçıya bənzər quyruq) köməyi ilə təzə və ya duzlu suda sərbəst üzgüçü kimi tapılır. Bununla belə, o, jelatinli bir örtük əmələ gətirmək və daha sonra palmelloidlər adlanan kiçik hüceyrə qruplarını yaratmaq üçün digər yosun hüceyrələri ilə birlikdə toplaşmaq qabiliyyəti ilə də məşhurdur. 2 Bu toplaşma davranışı onun ətraf mühitlə qarşılıqlı əlaqəsi nəticəsində yaranan uyğunlaşma reaksiyasıdır.

2006-cı ildə alimlər bunu kəşf etdilər C. reinhardtii rotifer və onları yeməyi sevən başqa bir mikroskopik canlı ilə becərildikdə bu çoxluqları meydana gətirərdi. 2 Birlikdə qruplaşma onlara yeməkdən qaçmağa kömək edərdi. İndi, bu cari araşdırmada eyni hadisələr bir qədər daha mürəkkəb bir təcrübədə müşahidə edilmişdir. 3 Bu yeni araşdırmada, bir inbred gərginlik C. reinhardtii böyük miqdarda genetik dəyişkənliyə malik yeni populyasiyalar yaratmaq üçün digər genetik müxtəlif növlərlə çarpazlaşdı. Sonra tədqiqatçılar bu xaçlardan götürülmüş izolatları paramecium adlanan birhüceyrəli yırtıcıya məruz qoydular. Beş təcriddən ikisində yosunlar bir-birinə çoxalma meylini daimi olaraq ifadə etdi. Yırtıcıya məruz qalan genetik cəhətdən müxtəlif populyasiyalarda bu, heç vaxt baş verməmişdir.

Tədqiqatçılar təkcə çoxhüceyrəliliyin təkamülünü müşahidə etdiklərinə dair ekstravaqant iddia ilə kifayətlənmədilər, həm də iddia etdilər ki, bir yırtıcı heyvanın varlığının &ldquseçim təzyiqi&rdquo təkamül prosesinə səbəb oldu. Ancaq yeni inkişaf etmiş çoxhüceyrəli varlıq heç vaxt müşahidə edilməmişdir və digər tədqiqatlarda olduğu kimi əvvəllər sənədləşdirilmiş yosun kürələri də müşahidə edilməmişdir. Bəzi təcridlərin bu xüsusiyyəti daimi olaraq ifadə etməsi, ehtimal ki, məlumat itkisinin baş verdiyi anlamına gəlir. Ola bilsin ki, adaptiv reaksiya yolunda bir gen mutasiyası baş verib ki, bu da onlara yığılma və sərbəst yaşama arasında irəli-geri hərəkət etməyə imkan verir. Genetik cəhətdən müxtəlif populyasiyalarda bu heç vaxt baş verməyib. Tipik olaraq, bu kimi mutasiyalar belə canlıların vəhşi təbiətdə sağ qalmasına imkan vermir, çünki onlar əlildirlər və çevik şəkildə uyğunlaşa bilirlər.

Əvvəlki araşdırmada tədqiqatçılar müdrikcəsinə qeyd etmişdilər ki, yosunların ölçülərini və yığılma xüsusiyyətlərini ətraf mühitə dinamik şəkildə uyğunlaşdırmaq qabiliyyəti onların &ldquotetraf mühitdəki dəyişiklikləri izləyə və müvafiq şəkildə reaksiya verə bildiklərinin sübutudur.&rdquo 2 Bu yeni tədqiqat yalnız başqa bir nümunədir. ICR alimi Dr. Rendi Quliuzzanın sənədləşdirdiyinə dair sübutlar &ldquodavamlı ətraf mühitin izlənilməsi&rdquo&mdasha daxili mühəndis uyğunlaşma qabiliyyətinin əlamətidir. 4 Bu kimi tədqiqatlar təkamül mifinin məntiqsizliyini deyil, bu canlıların əvvəlcədən proqramlaşdırılmış uyğunlaşma qabiliyyətini yaradan Yaradanı izzətləndirməlidir.


Yer kürəsinin oksigenlə erkən yüksəlişi çoxhüceyrəli həyatın təkamülünə kömək etdimi? — ScienceDaily

Tədqiqatçılar əslində 2,5 milyard il əvvəl Böyük Oksigenləşmə hadisəsi ilə başlayan iqlim oksigeninin artması ilə böyük, mürəkkəb çoxhüceyrəli orqanizmlərin artması arasında birbaşa əlaqə olduğuna inanırdılar.

Bu nəzəriyyə, “Oksigenə Nəzarət Hipotezi” tövsiyə edir ki, bu erkən çoxhüceyrəli orqanizmlərin ölçüləri oksigenin bədənlərinə yayıla biləcəyi dərinliklə məhdudlaşır. Bu fərziyyə, həm təkamül biologiyasında, həm də geoelmlərdə olduqca əhəmiyyətli olan asan bir proqnoz verir: Daha böyük iqlim oksigeni çoxhüceyrəli orqanizmlərin böyüyə biləcəyi ölçüləri daim artırmalıdır.

Bu, laboratoriyada qiymətləndirmək çətin olan bir fərziyyədir. Bununla belə, bir qrup Georgia Tech alimi, “qar dənəciyi mayası” adlı asan çoxhüceyrəli həyat forması üçün təklif olunan istiqamətləndirilmiş inkişaf, süni biologiya və riyazi modelləşdirmədən istifadə edən bir üsul kəşf etdi. Nəticələr? Erkən Yer kürəsinin oksigenləşməsi ilə böyük çoxhüceyrəli orqanizmlərin artması arasındakı əlaqələrə dair əhəmiyyətli yepyeni məlumat və bu, bizim ən qədim çoxhüceyrəli əcdadlarımızdan bir neçəsi üçün dəqiq olaraq nə qədər O2 əldə edə bildiyinə dair hər şeydir.

” Çoxhüceyrəliliyin inkişafı üzərində oksigenin müsbət nəticəsi tamamilə dozadan asılıdır–– Dünyamızın ilk oksigenləşməsi çoxhüceyrəli həyatın inkişafını çox məhdudlaşdırırdı, təşviq etməzdi”, G. Ozan Bozdağ müzakirə edir, Biologiya Elmləri Məktəbində tədqiqat işinin tədqiqatçısı və tədqiqat işinin aparıcı müəllifidir. “Oksigenin çoxhüceyrəli ölçüdə əlverişli nəticəsi yüksək səviyyələrə çatdıqda məlum ola bilər.”.

” Makroskopik çoxhüceyrəliliyin oksigenlə bastırılması”” jurnalın 14 may 2021-ci il sayında dərc edilmişdir. Təbiət Əlaqələri Bozdağın məqalədəki həmmüəllifləri Gürcüstan texnologiya alimləri Will Ratcliff, Biologiya Elmləri Məktəbinin dosenti Chris Reinhard, Yer və Atmosfer Elmləri Məktəbinin köməkçi müəllimi Rozenn Pineau, Ph.D. İsveçdəki Umea Universitetində və Nyu Meksikodakı Santa Fe İnstitutunda köməkçi müəllim olan Eric Libby ilə yanaşı Biologiya Elmləri Məktəbində və Kəmiyyət Bioelmləri üzrə Fənlərarası Məzun Proqramında (QBioS) stajyer.

Mayanın rekord müddətdə irəliləməsinə yönəldilməsi

” Biz oksigenin nəticəsinin əvvəllər təsvir ediləndən daha mürəkkəb olduğunu ortaya qoyuruq. Dünya miqyasında oksigenin erkən artımı əslində daha böyük və mürəkkəb orqanizmləri seçmək əvəzinə, makroskopik çoxhüceyrəliliyin inkişafını çox məhdudlaşdırmalıdır, - Ratcliff xatırlayır.

” Fərdlər əslində çoxdan Yerin səthinin oksigenləşməsinin praktiki olduğunu düşünürdülər–, bəziləri vəziyyətlə bağlı bunun böyük, mürəkkəb çoxhüceyrəli orqanizmlərin inkişafı üçün ilkin şərt olduğunu güman edirdilər”. “Lakin bizdə həm çoxlu inkişaf nəsillərindən sürətlə keçə bilən, həm də tam müxtəlif oksigen şəraiti üzərində inkişaf edə bilən bir dizayn sistemimiz olmadığına görə heç kim bunu heç vaxt düzgün qiymətləndirməyib. ,” anaerob şəraitdən təxminən müasir səviyyələrdə.

Alimlər buna baxmayaraq, sürətli təkamül modifikasiyasında effektiv olan əsas çoxhüceyrəli orqanizmlər olan qar dənəciyi mayası ilə bunu edə bildilər. İnkişaf mühitlərini fərqləndirərək, laboratoriyada 800-dən çox nəsil üçün qar dənəciyi mayasını daha böyük ölçüdə seçimlə hazırladılar.

Nəticələr Bozdağı şoka salıb. “I was amazed to see that multicellular yeast doubled their size extremely quickly when they might not utilize oxygen, while populations that developed in the reasonably oxygenated environment revealed no size boost at all,” he states. “This result is robust– even over a lot longer timescales.”

Size– and oxygen levels– matter for multicellular development

In the group’s research study, “plus size quickly developed either when our yeast had no oxygen or lots of it, however not when oxygen existed at low levels,” Ratcliff states. “We did a lot more work to reveal that this is really a completely foreseeable and easy to understand result of the reality that oxygen, when restricting, functions as a resource– if cells can access it, they get a huge metabolic advantage. When oxygen is limited, it can’t diffuse extremely far into organisms, so there is an evolutionary reward for multicellular organisms to be little– enabling the majority of their cells access to oxygen– a restraint that is not there when oxygen just isn’t present, or when there suffices of it around to diffuse more deeply into tissues.”

Ratcliff states not just does his group’s work difficulty the Oxygen Control Hypothesis, it likewise assists science comprehend why so little evident evolutionary development was occurring worldwide of multicellular organisms in the billion years after the Great Oxygenation Occasion. Ratcliff discusses that geologists call this duration the “Dull Billion” in Earth’s history– likewise called the Dullest Time in Earth’s History, and Earth’s Middle Ages– a duration when oxygen existed in the environment, however at low levels, and multicellular organisms remained reasonably little and basic.

Bozdag includes another insight into the special nature of the research study. “Previous work took a look at the interaction in between oxygen and multicellular size primarily through the physical concepts of gas diffusion,” he states. “While that thinking is necessary, we likewise require an inclusive factor to consider of concepts of Darwinian development when studying the origin of complicated multicellular life on our world.” Lastly having the ability to advance organisms through lots of generations of development assisted the scientists achieve simply that, Bozdag includes.


Did Earth’s early rise in oxygen help multicellular life evolve?

A new study is taking the air out of a hypothesis linking early Earth’s oxygenation to larger, more complex organisms. Georgia Tech researchers report a more complex effect.

Scientists have long thought that there was a direct connection between the rise in atmospheric oxygen, which started with the Great Oxygenation Event 2.5 billion years ago, and the rise of large, complex multicellular organisms.

ŞƏKİL: ARTIST RENDERING OF EARLY EARTH CREDIT: NASA

That theory, the “Oxygen Control Hypothesis,” suggests that the size of these early multicellular organisms was limited by the depth to which oxygen could diffuse into their bodies. The hypothesis makes a simple prediction that has been highly influential within both evolutionary biology and geosciences: Greater atmospheric oxygen should always increase the size to which multicellular organisms can grow.

It’s a hypothesis that’s proven difficult to test in a lab. Yet a team of Georgia Tech researchers found a way — using directed evolution, synthetic biology, and mathematical modeling — all brought to bear on a simple multicellular lifeform called a ‘snowflake yeast’. Nəticələr? Significant new information on the correlations between oxygenation of the early Earth and the rise of large multicellular organisms — and it’s all about exactly how much O2 was available to some of our earliest multicellular ancestors.

“The positive effect of oxygen on the evolution of multicellularity is entirely dose-dependent — our planet’s first oxygenation would have strongly constrained, not promoted, the evolution of multicellular life,” explains G. Ozan Bozdag, research scientist in the School of Biological Sciences and the study’s lead author. “The positive effect of oxygen on multicellular size may only be realized when it reaches high levels.”

“Oxygen suppression of macroscopic multicellularity” is published in the May 14, 2021 edition of the journal Təbiət Əlaqələri. Bozdag’s co-authors on the paper include Georgia Tech researchers Will Ratcliff, associate professor in the School of Biological Sciences Chris Reinhard, associate professor in the School of Earth and Atmospheric Sciences Rozenn Pineau, Ph.D. student in the School of Biological Sciences and the Interdisciplinary Graduate Program in Quantitative Biosciences (QBioS) along with Eric Libby, assistant professor at Umea University in Sweden and the Santa Fe Institute in New Mexico.

Directing yeast to evolve in record time

“We show that the effect of oxygen is more complex than previously imagined. The early rise in global oxygen should in fact strongly constrain the evolution of macroscopic multicellularity, rather than selecting for larger and more complex organisms,” notes Ratcliff.

“People have long believed that the oxygenation of Earth’s surface was helpful — some going so far as to say it is a precondition — for the evolution of large, complex multicellular organisms,” he adds. “But nobody has ever tested this directly, because we haven’t had a model system that is both able to undergo lots of generations of evolution quickly, and able to grow over the full range of oxygen conditions,” from anaerobic conditions up to modern levels.

The researchers were able to do that, however, with snowflake yeast, simple multicellular organisms capable of rapid evolutionary change. By varying their growth environment, they evolved snowflake yeast for over 800 generations in the lab with selection for larger size.

The results surprised Bozdag. “I was astonished to see that multicellular yeast doubled their size very rapidly when they could not use oxygen, while populations that evolved in the moderately oxygenated environment showed no size increase at all,” he says. “This effect is robust — even over much longer timescales.”

Size — and oxygen levels — matter for multicellular growth

In the team’s research, “large size easily evolved either when our yeast had no oxygen or plenty of it, but not when oxygen was present at low levels,” Ratcliff says. “We did a lot more work to show that this is actually a totally predictable and understandable outcome of the fact that oxygen, when limiting, acts as a resource — if cells can access it, they get a big metabolic benefit. When oxygen is scarce, it can’t diffuse very far into organisms, so there is an evolutionary incentive for multicellular organisms to be small — allowing most of their cells access to oxygen — a constraint that is not there when oxygen simply isn’t present, or when there’s enough of it around to diffuse more deeply into tissues.”

Ratcliff says not only does his group’s work challenge the Oxygen Control Hypothesis, it also helps science understand why so little apparent evolutionary innovation was happening in the world of multicellular organisms in the billion years after the Great Oxygenation Event. Ratcliff explains that geologists call this period the “Boring Billion” in Earth’s history — also known as the Dullest Time in Earth’s History, and Earth’s Middle Ages — a period when oxygen was present in the atmosphere, but at low levels, and multicellular organisms stayed relatively small and simple.

Bozdag adds another insight into the unique nature of the study. “Previous work examined the interplay between oxygen and multicellular size mainly through the physical principles of gas diffusion,” he says. “While that reasoning is essential, we also need an inclusive consideration of principles of Darwinian evolution when studying the origin of complex multicellular life on our planet.” Finally being able to advance organisms through many generations of evolution helped the researchers accomplish just that, Bozdag adds.


Əlavə 1

Collective integration of spatial information drives the evolution of multicellularity

Collective chemotaxis

1.1 Diffusive exponent approximation

Main text Figure 3d shows the diffusion exponent for adhering and single cells in a cluster. Here we show how the figure is generated. In general, it is known that estimating single diffusion exponents from mean square displacement plots of anomalous diffusion is challenging (Kepten et al., 2015). Moreover, the diffusion exponent changes at different time interval. We therefore estimated the derivative of the log-log mean square displacement plot after interpolation with a polynomial, as shown in Appendix 1—figure 1.

Diffusion exponent approximation.

(a) We log-log transformed the data (the shaded area is the relative error Var ⁢ ( MSD ⁢ ( Δ ⁢ t ) ) / MSD ⁢ ( Δ ⁢ t ) ). (b) We fitted a polynomial function to the data, then took the derivative of the polynomial function. (c,d) Magnifications of respectively (a) and (b).

1.2 Saturation of cluster speed with respect to cluster size

Appendix 1—figure 2 shows that a sublinear and saturating increase of the average speed of a cluster of cells for larger number of cells in the cluster. The average speed of the cluster is obtained through linear fit of the displacement/time plot, where displacement is measured as the movement of the centre of mass of the cluster towards the peak of the gradient.

The speed of a cluster towards the peak of the gradient saturates with larger cluster sizes.

For each cluster size, we ran five independent simulations. Each dot corresponds to one simulation. Their average (per cluster size) generates the line. All other parameters as in main text.

1.3 Indistinguishable relative movement of cells with and without a chemotactic gradient

Here we investigate whether cells in a cluster move differently when they are performing chemotaxis or not. Appendix 1—figure 3 shows the flow field around moving cells in a cluster with or without a gradient, as devised by Szabó et al., 2010. In short, the flow field is calculated by taking each cell as a reference, and then rotating all other cells and their displacement vectors such that the reference cell displacement points to the right ( d → = [ x 0 ] ). Then the rotated displacement vectors are summed in bins at defined points in the neighbourhood (using all the cells as a reference, and using different time points) to obtain the average displacements in the neighbourhood (Szabó et al., 2010). In this case, the flow field shows that the relative movement of cells in a cluster is the same whether there is a gradient or not.

The flow field of a cluster of cells with and without gradient.

(a) With chemoattractant gradient. (b) Without chemoattractant gradient. In both cases N = 50 cells with γ = 6 are placed at the centre of the field (All other parameters as in main text).

1.4 Chemotaxis with short persistence of migration and small persistence strength

Appendix 1—figure 4 shows that chemotaxis occurs in a rigid cluster of strongly adhering cells, albeit at a slower speed than with default parameter (cf. main text Figure 3a). The lower persistence strength reduces the number of changes in the relative position of cells within the cluster.

Chemotaxis of a rigid cluster.

(a) τ p = 5 . (b) μ p = 0.5 . In both cases N = 50 cells with γ = 6 are placed on the right of the field and move towards higher concentration of the gradient (the semicircle indicates the resource location, where the gradient is highest. All other parameters as in main text).

1.5 Robustness of collective chemotaxis to changes in persistence strength

Persistent migration positively affects collective chemotaxis. Appendix 1—figure 5 shows that this results (main text Figure 3) is robust to changes in the values of μ p , provided that μ p is sufficiently larger than zero and not excessively large. When μ p ∼ 0 persistent migration does not have a large effect on chemotaxis, and the chemotactic advantage of clusters is less pronounced. When μ p > 5 the model begins to break down, as the contribution of persistent migration to the energy function is too large compared to the other energies, and aberrant behaviour ensues (cells move forever in one direction regardless of adhesion or chemotaxis).

Collective vs. individual chemotaxis for different values of persistence strength μ p ∈ [ 0 , 10 ] .

The plots show the displacement over time of the centre of mass of a single cell (indigo) and that of a cluster of 50 cells (green). Note that the x axis is different in different plots. The value of μ p used in main text is indicated by the Default sign. Three simulations are run for each parameter combination, except for the Default, where the same data of main text Figure 3a is shown. (All other parameters as in main text).

1.6 Robustness of collective chemotaxis to changes in chemotactic strength

Results presented in Figure 3 are qualitatively unchanged (and quantitatively largely unaffected) by changes in chemotactic strength μ χ , as shown in Appendix 1—figure 6.

Collective vs. individual chemotaxis for different values of chemotactic strength μ χ ∈ [ 0.1 , 5 ] .

The plots show the displacement over time of the centre of mass of a single cell (indigo) and that of a cluster of 50 cells (green). The value of μ χ used in main text is indicated by the Default sign. Three simulations are run for each parameter combination, except for the Default, where the same data of main text Figure 3a is shown. (All other parameters as in main text).

1.7 Chemotaxis of cells with different A T

We explored the behaviour of different cell sizes and cell number by running simulations where the total area of the cells is kept constant, N ⁢ A T = 5000 . We expect that large cells move with greater persistence towards the peak of the gradient than small cells, because they perceive a larger portion of the gradient, thus averaging out noise. Indeed, Appendix 1—figure 7 shows that larger cells perform chemotaxis more efficiently than smaller cells, given the same chemotactic gradient.

Large cells perform chemotaxis more efficiently than clusters of small cells.

Each line corresponds to one simulation with a given combination of number of cells N and cell size A T , and shows the distance of the centre of mass of the cluster of cells from the peak of the gradient over time. We kept the total volume of the cells constant in all simulations (i.e. N ⁢ A T = 5000 ). All other parameters (including the chemotactic signal) are the same as in main text.

1.8 Extraction of straight segments from cell tracks

For the contour plots in Figure 3 of the main text, we extracted straight segments of the cells’ trajectories, then measured the length of this segment and its angle with the direction of the source of the gradient. To identify these straight segments, we take increasingly longer intervals between the recorded cell positions, and measure how far the intermediate data points are positioned from the line spanning these two data points (Appendix 1—figure 8A). As soon as one of the data points has a distance greater than a threshold, we stop extending the interval and continue from the cell position at which the chosen segment ends (the threshold value is set to three lattice sites this value is chosen because it is the largest integer smaller than the average cell radius, given a cell area = 50 lattice sites). In Appendix 1—figure 8B, the resulting segments are superimposed on cell position data from two simulations: one with a single cell and one with a cluster of adhering cells. While the overlap between the segment and the track itself varies, the length and orientation of the straight parts of the track are generally well-preserved in the segments.

Simple algorithm for segment extraction.

(a) Visual explanation of the algorithm, with a cartoon representation of a cell track with cell positions recorded at regular time intervals. Images 1-4 represent subsequent stages of the algorithm. For 1–3, the maximum distance of intermediate cell positions is still small enough, while for the segment in image 4 two intermediate positions are too far away. So the segment in image 3 will be used in the analysis, and we will start the algorithm from the fourth data point. (b) Two cell tracks from simulations, with the extracted segments superimposed in red.


The Cheshire Cat in Alice’s Adventures in Wonderland is famous for its disappearing act: parts of its body vanish one by one until nothing remains but its ethereal grin. Scientists attempting to retrace the evolution of animals confront something equally curious. One might assume that going ever further back in evolutionary time, recently-evolved animal traits would drop away until a sort of ‘minimal animal’ remained. However, a growing body of data suggests that this minimal animal may not be an animal at all. Instead, sophisticated cellular processes once thought to be exclusive to animals are found across several unicellular eukaryotes: grins without (multicellular) cats!

So how do scientists reconstruct the deep history of multicellularity? The record for the oldest multicellular organism to be studied directly belongs to plants grown from 30,000-year-old seeds preserved in permafrost (Yashina et al., 2012). However, multicellular life is much older than this. Fossils of multicellular red algae have been dated to 1.6 billion years ago (Bengtson et al., 2017), and fossils of multicellular fungi date from about a billion years ago (Loron et al., 2019). The oldest confidently-dated animal fossils are about half a billion years old (Bobrovskiy et al., 2018). Multicellularity arose independently in plants, fungi and animals (Brunet and King, 2017). Scientists are interested in the unicellular ancestors of these groups because they want to know if each transition into multicellularity was driven by similar evolutionary forces. Unfortunately, fossils reveal little about the cell biology of these primordial organisms.

Darwin was well aware of this challenge. To reconstruct the evolutionary history of an organism, he wrote in Növlərin mənşəyi haqqında, “we ought to look exclusively to its lineal ancestors but this is scarcely ever possible and we are forced in each case to look to… the collateral descendants from the same original parent-form.” That is, one must hope the traits of surviving organisms reveal those of their extinct ancestors. Researchers now know that Darwin’s idea of “living fossils” was too simplistic. No organism remains entirely identical to its ancestor: genetic mutations constantly accumulate, driven by conflict, competition, and random chance. Nevertheless, one could hope to reconstruct the ancestor using a patchwork of different ancestral traits preserved across different surviving descendants.

A central theme of the emerging field of evolutionary cell biology is to study organisms that provide as much information as possible about the past. One way to do this is to develop new model organisms based on their position in the tree of life. As the evolution of animals is retraced, an ancestral unicellular species at the very threshold of multicellularity will eventually be reached. It is possible this species has no surviving descendants, other than the animals themselves. To find more collateral descendants, one must push further back in time. The better life’s existing diversity is sampled, the more likely that a species will be found similar to the ancestors scientists want to reconstruct.

The billion-year-old clade known as Holozoa consists of animals and closely related unicellular species, including choanoflagellates, filastereans, and ichthyosporeans. Just a decade ago this was a sparsely sampled region of the eukaryotic tree: for example, the first choanoflagellate genome was only published in 2008 (Brunet and King, 2017). Today dozens of holozoan species have been cultured, sequenced, and studied, and they are a fertile hunting ground for interesting cell biology. Importantly, the non-animal holozoans include species that can become transiently multicellular, at certain times or under certain conditions. Specifically, some choanoflagellates and ichthyosporeans have clonal multicellular life stages, while some filastereans form multicellular aggregates. But are these behaviors homologous to multicellularity in animals, and therefore representative of the ancestral state? Or are they examples of convergent evolution, driven by adaptations to similar environments?

One way to answer these questions is to resolve the molecular mechanisms that enable multicellular behavior across holozoans. Suggestively, holozoan genomes encode transcription factors and cell adhesion genes known to be essential for animal multicellularity, but the roles of these genes had not been directly demonstrated (Grau-Bové et al., 2017 Richter et al., 2018). Now, two independent teams have reported the results of studies on certain animal-like behaviors in unicellular lineages that shed light on the evolution of animal multicellularity (Figure 1).

Non-animal species in the clade Holozoa exhibit coordinated contractions dependent on actomyosin complexes similar to those observed in modern animals.

Phylogenetic tree of the Holozoa showing the position of animals (Metazoa), choanoflagellates (Choanoflagellata), filastereans (Filasterea) and ichthyosporeans (Ichthyosporea) within this clade (left). The choanoflagellates include Choanoeca flexa (top right), which has flagella that point inwards when the organism is in bright light. In the dark, the cells contract in a coordinated manner that causes the flagella to point outwards, a movement reminiscent of the contractions that cause tissues to curve during animal development (figure adapted from Brunet et al., 2019). The ichthyosporean Sphaeroforma arctica (bottom right) also exhibits actomyosin contractility, invaginating its membrane to generate multiple cells out of a polarized epithelial layer. This movement is comparable to processes that occur during embryonic development in flies (Dudin et al., 2019).

In a paper in eLife, Iñaki Ruiz-Trillo and co-workers from Barcelona, Liverpool, Oslo, Shizuoka and Hiroshima – including Omaya Dudin and Andrej Ondracka as joint first authors – report how reproduction in an ichthyosporean called Sphaeroforma arctica involves a stage of growth that is reminiscent of the embryonic development of fruit flies. The nucleus of an initial single cell divides repeatedly to form a polarized epithelial layer, which then gives rise to multiple cells as its membrane undergoes coordinated invaginations (Dudin et al., 2019).

In a second paper in Science, Nicole King and co-workers from Berkeley and Amsterdam – including Thibaut Brunet, Ben Larson and Tess Linden as joint first authors – report the results of a study on a newly isolated choanoflagellate which they name Choanoeca flexa (Brunet et al., 2019). In bright light this organism exists as a cup-shaped colony of cells, with their flagella pointing inwards. In the dark, however, the cup flips inside-out via a collective cellular contraction. This collective contraction is reminiscent of the contractions that generate curvature in developing animal tissues.

Both studies use imaging and pharmacological inhibition to demonstrate that these multicellular processes depend on the same molecular machinery: complexes of actin and myosin that can generate mechanical forces within cells. These results suggest that the last common ancestor of holozoans was an organism that was capable of transient multicellularity, with cells that could contract collectively. Among its descendants, only the animals evolved a permanently multicellular lifestyle, using the power of collective contraction to sculpt tissues and generate the “endless forms most beautiful” that so inspired Darwin.


Did Earth’s early rise in oxygen help multicellular life evolve?

Scientists have long thought that there was a direct connection between the rise in atmospheric oxygen, which started with the Great Oxygenation Event 2.5 billion years ago, and the rise of large, complex multicellular organisms.

That theory, the “Oxygen Control Hypothesis,” suggests that the size of these early multicellular organisms was limited by the depth to which oxygen could diffuse into their bodies. The hypothesis makes a simple prediction that has been highly influential within both evolutionary biology and geosciences: Greater atmospheric oxygen should always increase the size to which multicellular organisms can grow.

It’s a hypothesis that’s proven difficult to test in a lab. Yet a team of Georgia Tech researchers found a way — using directed evolution, synthetic biology, and mathematical modeling — all brought to bear on a simple multicellular lifeform called a ‘snowflake yeast’. Nəticələr? Significant new information on the correlations between oxygenation of the early Earth and the rise of large multicellular organisms — and it’s all about exactly how much O2 was available to some of our earliest multicellular ancestors.

“The positive effect of oxygen on the evolution of multicellularity is entirely dose-dependent — our planet’s first oxygenation would have strongly constrained, not promoted, the evolution of multicellular life,” explains G. Ozan Bozdag, research scientist in the School of Biological Sciences and the study’s lead author. “The positive effect of oxygen on multicellular size may only be realized when it reaches high levels.”

“Oxygen suppression of macroscopic multicellularity” is published in the May 14, 2021 edition of the journal Təbiət Əlaqələri. Bozdag’s co-authors on the paper include Georgia Tech researchers Will Ratcliff, associate professor in the School of Biological Sciences Chris Reinhard, associate professor in the School of Earth and Atmospheric Sciences Rozenn Pineau, Ph.D. student in the School of Biological Sciences and the Interdisciplinary Graduate Program in Quantitative Biosciences (QBioS) along with Eric Libby, assistant professor at Umea University in Sweden and the Santa Fe Institute in New Mexico.

Directing yeast to evolve in record time

“We show that the effect of oxygen is more complex than previously imagined. The early rise in global oxygen should in fact strongly constrain the evolution of macroscopic multicellularity, rather than selecting for larger and more complex organisms,” notes Ratcliff.

“People have long believed that the oxygenation of Earth’s surface was helpful — some going so far as to say it is a precondition — for the evolution of large, complex multicellular organisms,” he adds. “But nobody has ever tested this directly, because we haven’t had a model system that is both able to undergo lots of generations of evolution quickly, and able to grow over the full range of oxygen conditions,” from anaerobic conditions up to modern levels.

The researchers were able to do that, however, with snowflake yeast, simple multicellular organisms capable of rapid evolutionary change. By varying their growth environment, they evolved snowflake yeast for over 800 generations in the lab with selection for larger size.

The results surprised Bozdag. “I was astonished to see that multicellular yeast doubled their size very rapidly when they could not use oxygen, while populations that evolved in the moderately oxygenated environment showed no size increase at all,” he says. “This effect is robust — even over much longer timescales.”

Size — and oxygen levels — matter for multicellular growth

In the team’s research, “large size easily evolved either when our yeast had no oxygen or plenty of it, but not when oxygen was present at low levels,” Ratcliff says. “We did a lot more work to show that this is actually a totally predictable and understandable outcome of the fact that oxygen, when limiting, acts as a resource — if cells can access it, they get a big metabolic benefit. When oxygen is scarce, it can’t diffuse very far into organisms, so there is an evolutionary incentive for multicellular organisms to be small — allowing most of their cells access to oxygen — a constraint that is not there when oxygen simply isn’t present, or when there’s enough of it around to diffuse more deeply into tissues.”

Ratcliff says not only does his group’s work challenge the Oxygen Control Hypothesis, it also helps science understand why so little apparent evolutionary innovation was happening in the world of multicellular organisms in the billion years after the Great Oxygenation Event. Ratcliff explains that geologists call this period the “Boring Billion” in Earth’s history — also known as the Dullest Time in Earth’s History, and Earth’s Middle Ages — a period when oxygen was present in the atmosphere, but at low levels, and multicellular organisms stayed relatively small and simple.

Bozdag adds another insight into the unique nature of the study. “Previous work examined the interplay between oxygen and multicellular size mainly through the physical principles of gas diffusion,” he says. “While that reasoning is essential, we also need an inclusive consideration of principles of Darwinian evolution when studying the origin of complex multicellular life on our planet.” Finally being able to advance organisms through many generations of evolution helped the researchers accomplish just that, Bozdag adds.

Citation: Bozdag, G.O., Libby, E., Pineau, R. et al., “Oxygen suppression of macroscopic multicellularity.” (Nat Commun 12, 2838 2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23104-0

This work was supported by National Science Foundation grant no. DEB-1845363 to W.C.R, NSF grant no. IOS-1656549 to W.C.R., NSF grant no. IOS-1656849 to E.L., and a Packard Foundation Fellowship for Science and Engineering to W.C.R. C.T.R. and W.C.R. acknowledge funding from the NASA Astrobiology Institute.

The Georgia Institute of Technology, or Georgia Tech, is a top 10 public research university developing leaders who advance technology and improve the human condition. The Institute offers business, computing, design, engineering, liberal arts, and sciences degrees. Its nearly 40,000 students, representing 50 states and 149 countries, study at the main campus in Atlanta, at campuses in France and China, and through distance and online learning. As a leading technological university, Georgia Tech is an engine of economic development for Georgia, the Southeast, and the nation, conducting more than $1 billion in research annually for government, industry, and society.


Videoya baxın: DUNYANIN YARANMASI (Iyul 2022).


Şərhlər:

  1. Kazrabar

    It's a shame I can't speak now - I'm rushing to work. But I will be released - I will definitely write that I think on this question.

  2. Aymon

    Sizi maraqlandıran mövzu ilə bağlı çoxlu məlumatla vebsayta baş çəkməyi təklif edə bilərəm.

  3. Tristan

    Bağışlayın, mən qarışıram... Bu sualı başa düşürəm. Müzakirə etmək olar. Buraya və ya PM-ə yazın.

  4. Connell

    Tamam, çox faydalı fikir

  5. Taher

    Hə doğrudan da. Və mən bununla üzləşmişəm. Bu mövzuda ünsiyyət qura bilərik.



Mesaj yazmaq