Crescimento simulado e quebra de aglomerados de leveduras multicelulares, em que as tensões físicas criam um ciclo de vida no lugar de um programa biológico para fazê-lo. Crédito:Georgia Tech / Yunker, Ratcliff
A mutação genética pode impulsionar a evolução, mas não por si só. A física pode ser um co-piloto poderoso, às vezes até definindo o curso.
Em um novo estudo, físicos e biólogos evolucionistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia mostraram como o estresse físico pode ter avançado significativamente o caminho evolutivo de organismos unicelulares para organismos multicelulares. Em experimentos com grupos de células de levedura chamados de levedura do floco de neve, forças nas estruturas físicas dos aglomerados empurraram os flocos de neve para evoluir.
"A evolução da multicelularidade é tanto uma questão de física quanto de biologia, "disse o biólogo Will Ratcliff, professor assistente na Escola de Ciências Biológicas da Georgia Tech.
Quanto maiores eles são ...
Como os primeiros ancestrais de organismos multicelulares, neste estudo, a levedura do floco de neve se encontrou em um enigma:à medida que ficava maior, o estresse físico o rasgou em pedaços menores. Então, como sustentar o crescimento necessário para evoluir para um organismo multicelular complexo?
No laboratório, essas forças de cisalhamento caíram nas mãos da evolução, estabelecendo um caminho para direcionar a evolução da levedura para uma maior, flocos de neve mais resistentes.
"Em apenas oito semanas, a levedura do floco de neve evoluiu maior, corpos mais robustos descobrindo a física da matéria mole que os humanos levaram centenas de anos para aprender, "disse Peter Yunker, professor assistente na Escola de Física da Georgia Tech. Ele e Ratcliff colaboraram na pesquisa que documentou a evolução e mediu as propriedades físicas da levedura do floco de neve mutante.
Eles publicaram seus resultados em 27 de novembro, 2017, no jornal Física da Natureza . O trabalho foi financiado pelo programa de Exobiologia da NASA, a National Science Foundation, e uma bolsa da Packard Foundation para Ratcliff.
Perguntas e respostas
Aqui estão algumas perguntas e respostas para iluminar o estudo e seu significado.
Mas primeiro, alguns antecedentes:fermento de padeiro, que foi usado nesses experimentos, geralmente é um organismo unicelular. Células de levedura com uma mutação bem conhecida se unem em grupos chamados flocos de neve.
Esse não foi o foco dos experimentos, mas os flocos de neve de levedura foram o ponto de partida neste estudo sobre a evolução da multicelularidade.
Por que este estudo é significativo?
Esse agrupamento de células, como um floco de neve de levedura, ainda não é um organismo multicelular bem integrado. Alcançar até a multicelularidade simples, como a de algumas algas, é um longo percurso evolutivo.
"É uma jornada de mil passos, "Ratcliff disse." A mudança fundamental é que esse grupo de células não evolua como uma gangue de células únicas, mas como um indivíduo multicelular. "
Nesse trabalho, os pesquisadores mostraram como a levedura do floco de neve deu os primeiros passos nessa direção ao desenvolver corpos multicelulares mais resistentes que sustentaram o crescimento. O processo foi impulsionado principalmente por forças físicas, já que os flocos de neve simples não tinham trabalhos biológicos internos complexos que eram capazes de ser os principais impulsionadores.
"Este é um exemplo incrível de adaptação multicelular em torno de restrições físicas muito antes da evolução de um programa de desenvolvimento celular, "Yunker disse.
O físico Peter Yunker e o biólogo evolucionário Will Ratcliff no laboratório de Yunker na Georgia Tech. Yunker mantém uma amostra de grupos de leveduras multicelulares nascentes usados nos experimentos. Crédito:Georgia Tech / Rob Felt
Como funciona essa evolução via estresse físico?
"Flocos de neve de levedura cresceram adicionando células ponta a ponta para formar ramos como os de um arbusto, "Yunker disse." Mas os galhos se aglomeraram, e as tensões resultantes causaram uma quebra de alguns. "
A quebra reduziu o tamanho de flocos de neve de levedura individuais, mas depois de várias gerações, os flocos de neve evoluíram para reduzir o aglomerado de ramos, alongando suas células individuais.
Como resultado, os flocos de neve em geral eram menos estressados e podiam ficar maiores e mais robustos.
Além disso, Pesquisadores da Georgia Tech descobriram que a física fazia com que os flocos de neve basicamente tivessem bebês. Especificamente, as peças que se quebraram tornaram-se propágulos que se transformaram em flocos de neve próprios.
Esta reprodução foi criada por força física e não por um programa biológico. Ratcliff publicou um estudo separado sobre o aspecto da reprodução em 23 de outubro de 2017, no jornal Transações filosóficas da Royal Society B .
"A física faz muito pela multicelularidade, "Ratcliff disse." Também dá um ciclo de vida. "Ciclo de vida se refere ao nascimento, crescimento, reprodução, e morte.
"Um consenso está se formando para que algo realmente evolua para a multicelularidade, muito cedo, um ciclo de vida multicelular precisa se desenvolver. "
O físico Peter Yunker e o biólogo evolucionário Will Ratcliff examinam como as tensões físicas forçam a evolução a progredir no laboratório de Yunker na Georgia Tech. Crédito:Georgia Tech / Rob Felt
Como os experimentos selecionaram essas adaptações específicas?
Ratcliff e Yunker simplificaram a evolução no laboratório, criando um regime de seleção consistente para a evolução dos flocos de neve de levedura. Neste caso, eles selecionaram os flocos de neve que eram os melhores para afundar.
Os flocos de neve que afundaram melhor eram mais pesados, porque eles ficaram maiores do que outros da maneira descrita acima, dando-lhes mais massa. "Os clusters que evoluíram para crescer eram, portanto, também mais pesados, "Ratcliff disse.
Esta configuração de seleção experimental se adequou à evolução natural, que também teve que selecionar o tamanho para chegar a corpos multicelulares complexos, que são muito, muito maior do que uma única célula.
A mutação dos ramos é genética. A física é realmente tão importante aqui?
Isso é correto:mutações genéticas aleatórias resultaram em melhor, ramos mais longos em alguns flocos de neve de fermento, dando-lhes uma vantagem de peso cumulativa.
Mas a propagação das mutações superiores do floco de neve era o resultado de estresses físicos que não rompiam os flocos de neve até que eles crescessem.
As peças que eventualmente se quebraram, devido puramente à força física, foram os propágulos. Alguns deles carregavam mutações que tornavam os novos flocos de neve ainda melhores em afundar.
E essa foi uma etapa crítica na evolução multicelular.
Como o estresse foi corroborado como a causa da divisão dos flocos de neve?
Os pesquisadores testaram as propriedades materiais dos flocos de neve em um microscópio de força atômica. "Esmagamos os aglomerados e medimos quanta força e energia você precisava para quebrá-los, "Yunker disse.
"A medição física indicou de perto o tamanho que os aglomerados atingiriam antes de quebrar um galho devido ao estresse, "Ratcliff disse.
