Les humains aiment penser qu’être multicellulaire (et plus grand) est un avantage définitif, même si 80% de la vie sur Terre se compose d’organismes unicellulaires – certains prospérant dans des conditions mortelles à n’importe quelle bête.
En fait, pourquoi et comment la vie multicellulaire a évolué a longtemps perplexe les biologistes. Le premier exemple connu de multicellularité était il y a environ 2,5 milliards d’années, lorsque les cellules marines (cyanobactéries) se sont connectées pour former des colonies filamenteuses. Cependant, la façon dont cette transition s’est produite et les avantages qu’il a accumulés aux cellules est loin d’être clair.
Une étude provenant du laboratoire biologique marin (MBL) présente un exemple frappant d’organisation coopérative parmi les cellules comme force potentielle dans l’évolution de la vie multicellulaire. Sur la base de la dynamique des fluides de l’alimentation coopérative par Stentor, un organisme unicellulaire relativement géant, le rapport est publié dans Physique de la nature.
« Nous avons pris un pas en arrière dans l’évolution, quand les organismes étaient indépendants. Pourquoi s’étaient-ils même réunis dans une colonie avant qu’ils ne deviennent fixés en position les uns par rapport aux autres? » dit John Costello de Providence College, auteur principal de l’étude et scientifique du MBL Whitman Center, ainsi que le co-auteur Sean Colin de l’Université Roger Williams.
« Tant de travail sur l’origine de la vie multicellulaire se concentre sur la chimie. Nous voulions enquêter sur le rôle des forces physiques dans le processus », a déclaré l’auteur principal Shashank Shekhar, professeur adjoint de physique à l’Université Emory et un ancien lauréat en début de carrière de Whitman Center à MBL.
Un film Flowtrace montrant les pistes de particules représentant le champ d’écoulement du stentor individuel. Le film se compose d’images de projection Z de l’intensité maximale sur une fenêtre mobile de 1,5 s. Crédit: Shekhar et al., Physique de la nature2025.
Beaucoup de bouches valent mieux qu’un
Stentor est un organisme à simple cellule en forme de trompette qui peut atteindre 2 mm de long. Dans son habitat indigène des étangs ou des lacs, Stentor attache sa fin (appelée le maintien) aux feuilles ou aux brindilles tandis que l’extrémité de la trompette se balance librement, créant un vortex d’eau pour sucer des aliments, comme les bactéries, avec sa bouche doublée de cilia.
Dans le laboratoire, les scientifiques ont noté que lorsque les stentors sont tombés dans un plat d’eau de l’étang, ils forment rapidement une colonie dynamique où les cellules ne se fixent pas réellement, mais leurs retirs se touchent ensemble sur le verre.
En quantifiant les flux de liquide, l’équipe a montré que deux stentors voisins dans une colonie peuvent doubler le débit d’eau dans leur bouche, par rapport à leur capacité individuelle. Cela leur permet de sucer plus de proies et de proies à raideur plus rapide, en créant des vortex plus forts qui balayent l’eau à une plus grande distance.
FlowTrace Movie montrant les pistes de particules représentant le champ d’écoulement résultant d’une paire d’individus de stentor. Le film se compose d’une intensité maximale des images de projection Z sur une fenêtre mobile de 0,5 s. Crédit: Shashank Shekhar, Université Emory
‘Elle m’aime, elle ne m’aime pas’
Cependant, les avantages d’alimentation accumulés par deux stentor voisins ne sont pas égaux, a constaté l’équipe. Le stentor plus faible gagne plus en faisant équipe que le plus fort. Et, curieusement, ils affichent ce que Shekhar appelle « elle m’aime, elle ne m’aime pas ». Lorsque les stentors appariés se balancent, leur trompette se termine ensemble, leurs flux de liquide augmentent, mais ils oscillent invariablement, se séparant à nouveau la bouche. Pourquoi?
Pour répondre à cela, ils se sont tournés vers la modélisation mathématique de la dynamique des fluides à travers la colonie, dirigée par les co-auteurs Hanliang Guo de l’Ohio Wesleyan University et Eva Kanso de l’Université de Californie du Sud.
Guo et Kanso ont confirmé une « promiscuité » dans la colonie, où les individus continuent de basculer entre les partenaires voisins. Et le résultat est que toutes les cellules d’une colonie de stentor, en moyenne, gagnent en moyenne des flux d’alimentation plus forts.
« Dans une colonie, même si un individu peut sembler s’éloigner d’un voisin, il se rapproche en fait d’un autre voisin », écrit l’équipe. Cela a du sens d’un point de vue évolutif: « Comme les individus devraient rechercher le gain énergétique le plus favorable en s’associant à un individu voisin qui leur profite le plus. »
« Vous pourriez les regarder comme essayant toujours d’optimiser leurs revenus », explique Costello. Et la colonie dans son ensemble récolte plus de nourriture.
Un film Flowtrace montrant les pistes de particules représentant le champ d’écoulement du stentor individuel. Le film se compose d’images de projection Z de l’intensité maximale sur une fenêtre mobile de 1,5 s. Crédit: Shashank Shekhar, Université Emory.
Juste une phase
Mais attendez. Le stentor que nous connaissons et aimons aujourd’hui n’est pas multicellulaire. Les colonies qu’elle forme sont éphémères; Ils se dispersent juste en heurtant la table de laboratoire. Si les individus bénéficient collectivement de travailler ensemble, pourquoi se séparent-ils à nouveau?
Les scientifiques ne savent pas avec certitude. Mais ils ont noté que lorsqu’ils donnent à des stentors beaucoup de nourriture, ils sont heureux de rester attachés au verre et de se nourrir dans les colonies. Mais lorsque la nourriture est enlevée et devient rare, les stentors se détachent et passent en mode de recherche de nourriture individuel.
« Les humains font cela aussi », dit Shekhar. « Lorsqu’il y a beaucoup de ressources et de proies, nous collaborons et coopérons. Mais lorsque les ressources réduisent, c’est chacun à lui-même. »
Nous ne sommes pas des clones
Dans d’autres modèles de la vie multicellulaire précoce, tels que les algues vertes Volvox Cateri, les cellules qui n’ont pas réussi à diviser correctement ont finalement évolué une matrice entre elles, formant une colonie de cellules génétiquement identiques qui se différenciaient plus tard. Mais les colonies éphémères du stentor ne se forment pas de clones, mais d’individus génétiquement distincts.
C’est pourquoi les scientifiques pensent que leur modèle de stentor précède d’autres modèles de multicellularité précoce (qui aurait évolué au moins 25 fois dans différentes lignées).
« Ceci est plus tôt, beaucoup plus tôt dans l’évolution où les cellules uniques heureuses ont dit, OK, passons ensemble et bénéficions, mais revenons à nouveau à être célibataire. La multicellularité n’a pas encore été réalisée de façon permanente », explique Shekhar.
Shekhar a commencé cette étude En tant qu’étudiant dans le cours de physiologie MBL 2014 avec le codirecteur de cours, Wallace Marshall de l’Université de Californie à San Francisco, un expert de Stentor.
Plus d’informations:
L’hydrodynamique coopérative accompagne l’organisation coloniale de type multicellulaire dans le stentor cilié unicellulaire, Physique de la nature (2025). Doi: 10.1038 / s41567-025-02787-y