Körperliche Kräfte ermutigten die Entwicklung des mehrzelligen Lebens, Wissenschaftler schlagen vor

Der Mensch glaubt gerne, dass es ein deutlicher Vorteil ist, vielzelliger (und größer) zu sein, obwohl 80% des Lebens auf der Erde aus einzelzelligen Organismen bestehen-einige florieren unter Bedingungen, die für jedes Tier tödlich sind.

Warum und wie sich das mehrzellige Leben entwickelt hat, hat sich die Biologen seit langem verwirrt. Das erste bekannte Beispiel der Mehrzelligkeit vor etwa 2,5 Milliarden Jahren, als Meereszellen (Cyanobakterien) zu filamentösen Kolonien angeschlossen wurden. Wie dieser Übergang auftrat und die Vorteile, die er den Zellen erbrachte, ist jedoch weniger als klar.

Eine Studie, die aus dem marinen biologischen Labor (MBL) stammt, zeigt ein auffälliges Beispiel für kooperative Organisation unter Zellen als potenzielle Kraft bei der Entwicklung des mehrzelligen Lebens. Basierend auf der Flüssigkeitsdynamik der kooperativen Fütterung durch Stentor, einem relativ riesigen einzelligen Organismus, wird der Bericht in veröffentlicht Naturphysik.

„Wir haben einen Schritt in der Evolution zurückgegangen, als Organismen unabhängig waren. Warum kamen sie überhaupt in einer Kolonie zusammen, bevor sie jemals in Bezug auf einander in Position geraten?“ sagt John Costello vom Providence College, Senior Autor der Studie und ein Wissenschaftler des MBL Whitman Center sowie Co-Autor Sean Colin von der Roger Williams University.

„So viel Arbeit über den Ursprung des mehrzelligen Lebens konzentriert sich auf Chemie. Wir wollten die Rolle der physischen Kräfte in diesem Prozess untersuchen“, sagt Shashank Shekhar, Assistenzprofessor für Physik an der Emory University und ein ehemaliger Whitman Center Early Career Awarde bei MBL.

Viele Münder sind besser als einer

Stentor ist ein trompetenförmiger, einzelner Zell Organismus, der bis zu 2 mm lang werden kann. In seinem einheimischen Lebensraum von Teichen oder Seen fügt Stentor sein schlankes Ende (als Holdfast bezeichnet) an Blätter oder Zweige an, während das Trompetenende frei schwankt und einen Wirbel aus Wasser erzeugt, um Nahrung wie Bakterien mit dem Mund mit kiliengekleidetem Mund zu saugen.

Im Labor stellten die Wissenschaftler fest, dass die Stentoren, wenn sie in ein Teichwasserschale fallen, schnell eine dynamische Kolonie bilden, in der die Zellen sich nicht wirklich aneinander befinden, sondern ihre Holdfasts zusammen auf dem Glas berühren.

Durch die Quantifizierung von Flüssigkeitsströmen zeigte das Team, dass zwei benachbarte Stentoren in einer Kolonie im Vergleich zu ihrer individuellen Kapazität die Wasserflussrate in den Mund verdoppeln können. Dies ermöglicht es ihnen, mehr Beute und schneller schwimmende Beute einzusaugen, indem sie stärkere Wirbel herstellen, die aus mehreren Entfernungen Wasser in Wasser fegen.

„Sie liebt mich, sie liebt mich nicht“

Die von zwei benachbarten Stentor erbrachten Fütterungsvorteile sind jedoch nicht gleich, wie das Team festgestellt hat. Der schwächere Stentor gewinnt mehr durch die Zusammenarbeit als die stärkere. Und seltsamerweise zeigen sie das, was Shekhar „sie liebt mich, sie liebt mich, nicht“ nicht „Verhalten. Wenn sie Stentoren verprügeln, schwankt ihre Trompete zusammen, steigen ihre Flüssigkeitsströme, aber dann schwanken sie ausnahmslos und ziehen den Mund wieder auseinander. Warum?

Um dies zu beantworten, wandten sie sich der mathematischen Modellierung der Flüssigkeitsdynamik in der gesamten Kolonie zu, angeführt von der Co-Autoren Hanliang Guo von der Ohio Wesleyan University und Eva Kanso von der University of Southern California.

Guo und Kanso bestätigten eine „Promiskuität“ in der Kolonie, bei der Einzelpersonen immer wieder zwischen benachbarten Partnern wechseln. Und das Ergebnis ist, dass alle Zellen in einer Stentorkolonie im Durchschnitt stärkere Fütterungsströme gewinnen.

„In einer Kolonie, obwohl sich eine Person von einem Nachbarn wegbewegt scheint, rückt es tatsächlich näher an einen anderen Nachbarn“, schreibt das Team. Dies ist aus evolutionärer Sicht sinnvoll: „Da von Individuen erwartet werden, dass sie die günstigste energetische Auszahlung suchen, indem sie sich mit einem benachbarten Individuum verbinden, das ihnen am meisten zugute kommt.“

„Sie könnten sie wie immer versuchen, ihr Einkommen zu optimieren“, sagt Costello. Und die Kolonie als Ganzes erntet mehr Nahrung.

Nur eine Phase

Aber warte. Der Stentor, den wir heute kennen und lieben, ist nicht mehrzellig. Die Kolonien, die es bildet, sind kurzlebig; Sie zerstreuen sich nur, indem sie den Labortisch stoßen. Wenn die Personen gemeinsam von der Zusammenarbeit profitieren, warum trennen sie sich dann wieder?

Die Wissenschaftler wissen es nicht genau. Aber sie haben festgestellt, dass sie, wenn sie Stentoren viel Essen geben, gerne am Glas befestigt und in Kolonien füttern. Aber wenn das Essen weggenommen und knapp wird, lösen sich die Stentoren ab und gehen in den individuellen Futtermodus.

„Menschen tun das auch“, sagt Shekhar. „Wenn es viele Ressourcen und Beute gibt, arbeiten wir zusammen und kooperieren zusammen. Wenn sich die Ressourcen jedoch verringern, ist es jeweils für sich selbst.“

Wir sind keine Klone

In anderen Modellen des frühen mehrzelligen Lebens, wie den grünen Algen -Volvox -Cateri, entwickelten Zellen, die sich nicht richtig teilen konnten, eine Matrix zwischen ihnen und bildeten eine Kolonie genetisch identischer Zellen, die später differenzierten. Aber die kurzlebigen Stentorkolonien werden nicht aus Klonen, sondern von genetisch unterschiedlichen Individuen gebildet.

Aus diesem Grund geht die Wissenschaftler der Meinung, dass ihr Stentormodell anderen Modellen der frühen Mehrzelligkeit vorausgeht (was angenommen wird, dass sie sich in verschiedenen Abstammungslinien mindestens 25 Mal entwickelt haben).

„Dies ist früher, viel früher in der Evolution, in der glückliche einzelne Zellen sagte: OK, lasst uns zusammen abhängen und profitieren, aber dann werden wir wieder Single sein. Mehrzellularität wurde noch nicht dauerhaft gemacht“, sagt Shekhar.

Shekhar begann diese Studie Als Student im MBL Physiology-Kurs 2014 mit dem damaligen Kurs Co-Direktor Wallace Marshall von der University of California, San Francisco, Experte für Stentor.