Informatie

Hoe is het meercellige leven ontstaan?


Ik kan me voorstellen dat verschillende gespecialiseerde eencellige wezens samenwerken. Maar hoe komt het leven van dat punt tot een uniek meervoudig wezen dat zich voortplant in een ander meervoudig wezen?


De sleutel is specialisatie: b.v. sommige cellen zijn gespecialiseerd in het verkrijgen van voedsel, andere in het produceren van iets plakkerigs om ze bij elkaar te houden. Welke cel wat doet, wordt meestal bepaald door chemische signalen: afhankelijk van hun specialisatie produceren ze bepaalde chemische verbindingen. Dus als een niet-gespecialiseerde cel merkt dat één verbinding nogal laag is omdat het gespecialiseerde type cel dat het produceert weinig aanbod heeft, dan specialiseert het zich op die manier.

Hoewel aanvankelijk alle cellen tot reproductie in staat zijn, zullen er op een gegeven moment ook cellen zijn die gespecialiseerd zijn in reproductie, terwijl de anderen het vermogen tot reproductie verliezen om zich beter te kunnen concentreren op hun gespecialiseerde taak. De andere cellen hebben dus geen zelfstandig bestaan ​​meer, maar bestaan ​​alleen als onderdeel van het grotere organisme. Wanneer zo'n organisme dan als een afzonderlijke meercellige entiteit moet worden beschouwd, is een kwestie van definitie: als het een entiteit is die onafhankelijk is van het origineel (bijvoorbeeld in staat om weg te gaan)? als seksuele voortplanting plaatsvindt?

Wikipedia heeft ook het een en ander te zeggen.


Hoe is het meercellige leven geëvolueerd?

Niemand weet nog zeker hoe het meercellige leven is geëvolueerd. Er zijn drie prominente theorieën over hoe het gebeurde, met één een sterke favoriet onder wetenschappers.

Over de hele wereld leven veel organismen in symbiose. Symbiose is een associatie van twee verschillende soorten waarvan (hoewel niet altijd) elk lid evenveel voordeel kan hebben. Korstmossen bestaan ​​bijvoorbeeld uit een schimmel die voor steun en beschutting zorgt en een alg of cyanobacteriën die door fotosynthese voor voedsel zorgt. Een ander voorbeeld is zooxanthella, dat leeft in bepaalde koralen, kwallen en zeeanemonen, en hen via fotosynthese tot 90% van hun voedsel voorziet.

In eukaryote cellen, cellen met een kern in een membraan, dienen de mitochondriën als energiecentrales en produceren ze een chemische verbinding die energie opslaat voor elke cel. In plantencellen zijn de chloroplasten de motoren die de fotosynthese uitvoeren. Zowel het mitochondrion als de chloroplast zijn waarschijnlijk begonnen als endosymbionten, voorheen uitheemse soorten die in symbiose leefden in de cel, die er nu deel van uitmaakt.

Het mitochondrion en de chloroplast dragen echter hun eigen DNA, gescheiden van het hoofd-DNA van de omringende cel. Als de vereniging van symbionten is hoe meercellig leven begon, zouden de symbionten DNA moeten delen, maar dat doen ze niet.

Syncytal betekent meer dan één kern hebben. Sommige slijmzwammen en ciliaten zijn syncytaal. De syncytale theorie stelt dat afzonderlijke cellen membranen ontwikkelden tussen hun afzonderlijke kernen en zo meercellig werden.

Hoewel syncytale organismen meer dan één kern lijken te hebben, lijkt elke kern een andere rol te spelen. Niet alleen zou elke kern zijn eigen cel moeten vormen, hij zou ook functies moeten overnemen die worden uitgevoerd door de andere kernen in zijn vorige cel. Biologen hebben geen organismen gevonden die dit doen.

Veel eencellige organismen scheiden zich niet na reproductie. Bepaalde bacteriën zijn voorbeelden. Sommige vormen kettingen of zelfs vlotten van cellen. De meeste wetenschappers geloven dat meercellig leven is ontstaan ​​uit deze celkolonies.

Volvox is daar een voorbeeld van. Een groene alg, het vormt holle bolvormige kolonies van maximaal 10.000 cellen. De cellen zijn verbonden door strengen cytoplasma waardoor ze in formatie kunnen blijven. Elke cel heeft twee flagella, zweepachtige extensies die ze gebruiken om te bewegen. De meeste cellen van een Volvox-kolonie zijn vegetatief, aseksueel, zoals de meeste cellen van planten en dieren. Ongeveer acht cellen in een kolonie planten zich ongeslachtelijk voort en 15 tot 25 kunnen zich seksueel voortplanten.

Bij ongeslachtelijke voortplanting produceert Volvox in zichzelf dochterkolonies. Als ze volwassen zijn, valt de ouderkolonie uiteen en keren de dochterkolonies binnenstebuiten. Ze vormen al hun eigen dochterkolonies in zichzelf. Om zich seksueel voort te planten, sturen mannelijke kolonies sperma het water in om de eieren van vrouwelijke Volvox-kolonies te vinden. Sommige soorten Volvox zijn echter hermafrodiet en bevruchten zichzelf.

Aangezien er soorten als Volvox bestaan, die een tussenstap vormen tussen kolonies van soortgelijke cellen en organismen van verschillende cellen met hetzelfde DNA, geven wetenschappers de voorkeur aan de koloniale theorie over hoe meercellig leven zich heeft ontwikkeld.

Meercellige organismen zijn niet alleen cellen die zich groeperen. Ze moeten hetzelfde genetische materiaal delen. Ze moeten ook functies verdelen over verschillende groepen cellen.

Symbionten hebben cellen met verschillende functies, maar delen niet hetzelfde genetische materiaal. Syncytale organismen hebben meerdere kernen, maar elke kern lijkt niet in staat te zijn zijn eigen cel te runnen. Koloniale organismen lijken het pad te zijn dat de evolutie nam, omdat ze gemeenschappelijk DNA hebben en cellen met verschillende functies.


Hoe is het meercellige leven ontstaan?

Cellen van Dictyostelium purpureum, een veel voorkomende bodemmicrobe, die stromen om een ​​meercellig vruchtlichaam te vormen. Krediet: Natasha Mehdiabadi/Rice University

Wetenschappers ontdekken manieren waarop afzonderlijke cellen eigenschappen kunnen hebben ontwikkeld die hen in groepsgedrag hebben verankerd, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor meercellig leven. Deze ontdekkingen zouden licht kunnen werpen op hoe complex buitenaards leven zou kunnen evolueren op buitenaardse werelden.

Onderzoekers hebben deze bevindingen gedetailleerd beschreven in het nummer van 24 oktober van het tijdschrift Wetenschap.

De eerste bekende eencellige organismen verschenen ongeveer 3,5 miljard jaar geleden op aarde, ongeveer een miljard jaar nadat de aarde was gevormd. Meer complexe levensvormen duurden langer om te evolueren, waarbij de eerste meercellige dieren pas ongeveer 600 miljoen jaar geleden verschenen.

De evolutie van meercellig leven uit eenvoudiger, eencellige microben was een cruciaal moment in de geschiedenis van de biologie op aarde en heeft de ecologie van de planeet drastisch hervormd. Een mysterie over meercellige organismen is echter waarom cellen niet terugkeerden naar eencellig leven.

"Eencelligheid is duidelijk succesvol - eencellige organismen zijn veel overvloediger dan meercellige organismen en bestaan ​​​​al minstens 2 miljard jaar extra", zegt hoofdonderzoeksauteur Eric Libby, een wiskundig bioloog aan het Santa Fe Institute in New Mexico. "Dus wat is het voordeel om meercellig te zijn en zo te blijven?"

Het antwoord op deze vraag is meestal samenwerking, aangezien cellen meer baat hebben bij samenwerking dan bij alleen wonen. In scenario's van samenwerking zijn er echter voortdurend verleidelijke mogelijkheden "voor cellen om hun taken te ontlopen - dat wil zeggen vals spelen", zei Libby.

"Beschouw als voorbeeld een mierenkolonie waar alleen de koningin eieren legt en de werksters, die zich niet kunnen voortplanten, zich moeten opofferen voor de kolonie," zei Libby. "Wat verhindert de mierenwerker om de kolonie te verlaten en een nieuwe kolonie te vormen? Het is duidelijk dat de mierenwerker zich niet kan voortplanten, dus kan hij zijn eigen kolonie niet stichten. Maar als hij een mutatie heeft die hem in staat stelt om dat te doen, dan zou dit een echt probleem voor de kolonie. Dit soort strijd komt veel voor in de evolutie van meercelligheid omdat de eerste meercellige organismen slechts een mutatie verwijderd waren van strikt eencellig te zijn."

Wanneer de sociale amoebe Dictyostelium discoideum verhongert, vormt het een meercellig lichaam. Krediet: Scott Solomon

Experimenten hebben aangetoond dat een groep microben die nuttige moleculen afscheidt waarvan alle leden van de groep kunnen profiteren, sneller kan groeien dan groepen die dat niet doen. Maar binnen die groep groeien freeloaders die geen middelen of energie verbruiken om deze moleculen uit te scheiden het snelst van allemaal. Een ander voorbeeld van cellen die groeien op een manier die andere leden van hun groep schaadt, zijn kankercellen, die een potentieel probleem vormen voor alle meercellige organismen.

Inderdaad, veel primitieve meercellige organismen hebben waarschijnlijk zowel eencellige als meercellige toestanden ervaren, wat kansen biedt om af te zien van een groepslevensstijl. De bacterie Pseudomonas fluorescens evolueert bijvoorbeeld snel om meercellige matten op oppervlakken te genereren om betere toegang tot zuurstof te krijgen. Echter, zodra een mat is gevormd, hebben eencellige cheats een prikkel om de lijm die verantwoordelijk is voor matvorming niet te produceren, wat uiteindelijk leidt tot de vernietiging van de mat.

Om het mysterie op te lossen van hoe meercellig leven voortduurde, suggereren wetenschappers wat zij 'ratelmechanismen' noemen. Ratels zijn apparaten die beweging in slechts één richting mogelijk maken. Naar analogie zijn ratelende mechanismen eigenschappen die voordelen bieden in een groepscontext, maar schadelijk zijn voor eenlingen, waardoor uiteindelijk een terugkeer naar een eencellige staat wordt voorkomen, zei Libby en co-auteur William Ratcliff van het Georgia Institute of Technology in Atlanta.

Over het algemeen geldt dat hoe meer een eigenschap cellen in een groep onderling afhankelijk maakt, hoe meer het als een ratel dient. Groepen cellen kunnen bijvoorbeeld arbeid verdelen, zodat sommige cellen één vitaal molecuul laten groeien terwijl andere cellen een andere essentiële verbinding laten groeien, zodat deze cellen het beter samen doen dan apart, een idee dat wordt ondersteund door recente experimenten met bacteriën.

Ratcheting kan ook de symbiose verklaren tussen oude microben die leidden tot symbionten die in cellen leefden, zoals de mitochondriën en chloroplasten die respectievelijk hun gastheren helpen gebruik te maken van zuurstof en zonlicht. De eencellige organismen die bekend staan ​​​​als Paramecia doen het slecht wanneer ze experimenteel zijn afgeleid van fotosynthetische symbionten, en op hun beurt verliezen symbionten typisch genen die nodig zijn voor het leven buiten hun gastheren.

Deze ratelende mechanismen kunnen leiden tot schijnbaar onzinnige resultaten. Bijvoorbeeld, apoptose, of geprogrammeerde celdood, is een proces waarbij een cel in wezen zelfmoord ondergaat. Experimenten tonen echter aan dat hogere percentages apoptose daadwerkelijk voordelen kunnen hebben. In grote clusters van gistcellen gedragen apoptotische cellen zich als zwakke schakels waarvan de dood ervoor zorgt dat kleine klompjes gistcellen loskomen en zich elders verspreiden waar ze meer ruimte en voedingsstoffen hebben om te groeien.

Groepen gistcellen. Als sleutelcellen een geprogrammeerde dood sterven, kunnen deze groepen scheiden. Credit: E. Libby et al., PLOS Computational Biology

"Dit voordeel werkt niet voor afzonderlijke cellen, wat betekende dat elke cel die de groep verliet een nadeel zou ondervinden", zei Libby. "Dit werk laat zien dat een cel die in een groep leeft een fundamenteel andere omgeving kan ervaren dan een cel die alleen leeft. De omgeving kan zo verschillend zijn dat eigenschappen die rampzalig zijn voor een solitair organisme, zoals verhoogde sterftecijfers, voordelig kunnen worden voor cellen in een groep."

Als het gaat om wat deze bevindingen betekenen in de zoektocht naar buitenaards leven, zei Libby dat dit onderzoek suggereert dat buitenaards gedrag vreemd kan lijken totdat men beter begrijpt dat een organisme lid kan zijn van een groep.

"Organismen in gemeenschappen kunnen gedrag aannemen dat bizar of contra-intuïtief zou lijken zonder de juiste aandacht voor hun gemeenschappelijke context," zei Libby. "Het is in wezen een herinnering dat een puzzelstuk een puzzel is totdat je weet hoe het in een grotere context past."

Een fossiel van een 600 miljoen jaar oud meercellig organisme vertoont onverwacht bewijs van complexiteit. Krediet: Virginia Tech

Libby en zijn collega's zijn van plan andere ratelmechanismen te identificeren.

"We hebben ook enkele experimenten in de maak om de stabiliteit te berekenen die wordt geboden door enkele mogelijke ratelende eigenschappen," zei Libby.


Hoe is het meercellige leven geëvolueerd?

Wetenschappers ontdekken manieren waarop afzonderlijke cellen eigenschappen kunnen hebben ontwikkeld die hen in groepsgedrag hebben verankerd, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor meercellig leven. Deze ontdekkingen zouden licht kunnen werpen op hoe complex buitenaards leven zou kunnen evolueren op buitenaardse werelden.

Onderzoekers hebben deze bevindingen gedetailleerd beschreven in het 24 oktober nummer van het tijdschrift Wetenschap.

De eerste bekende eencellige organismen verschenen ongeveer 3,5 miljard jaar geleden op aarde, ongeveer een miljard jaar nadat de aarde was gevormd. Meer complexe levensvormen duurden langer om te evolueren, waarbij de eerste meercellige dieren pas ongeveer 600 miljoen jaar geleden verschenen. [Meer nieuws over de zoektocht naar het leven]

De evolutie van meercellig leven uit eenvoudiger, eencellige microben was een cruciaal moment in de geschiedenis van de biologie op aarde en heeft de ecologie van de planeet drastisch hervormd. Een mysterie over meercellige organismen is echter waarom cellen niet terugkeerden naar eencellig leven.

"Eencelligheid is duidelijk succesvol - eencellige organismen zijn veel overvloediger dan meercellige organismen, en bestaan ​​al minstens 2 miljard jaar extra", zegt hoofdonderzoeksauteur Eric Libby, een wiskundig bioloog aan het Santa Fe Institute in New Mexico. "Dus wat is het voordeel om meercellig te zijn en dat te blijven?"

Het antwoord op deze vraag is meestal samenwerking, aangezien cellen meer baat hebben bij samenwerking dan bij alleen wonen. In scenario's van samenwerking zijn er echter voortdurend verleidelijke mogelijkheden "voor cellen om hun plichten te ontlopen - dat wil zeggen vals spelen", zei Libby.

"Beschouw als voorbeeld een mierenkolonie waar alleen de koningin eieren legt en de werksters, die zich niet kunnen voortplanten, zich moeten opofferen voor de kolonie," zei Libby. "Wat weerhoudt de mierenwerker ervan de kolonie te verlaten en een nieuwe kolonie te vormen? Het is duidelijk dat de mierenwerker zich niet kan voortplanten, dus kan hij geen eigen kolonie stichten. Maar als het een mutatie zou krijgen die het mogelijk maakte om dat te doen, dan zou dit een echt probleem zijn voor de kolonie. Dit soort strijd komt veel voor in de evolutie van meercelligheid, omdat de eerste meercellige organismen slechts een mutatie verwijderd waren van strikt eencellig te zijn."

Experimenten hebben aangetoond dat een groep microben die nuttige moleculen afscheidt waarvan alle leden van de groep kunnen profiteren, sneller kan groeien dan groepen die dat niet doen. Maar binnen die groep groeien freeloaders die geen middelen of energie verbruiken om deze moleculen uit te scheiden het snelst van allemaal. Een ander voorbeeld van cellen die groeien op een manier die andere leden van hun groep schaadt, zijn kankercellen, die een potentieel probleem vormen voor alle meercellige organismen.

Inderdaad, veel primitieve meercellige organismen hebben waarschijnlijk zowel eencellige als meercellige toestanden ervaren, wat kansen biedt om af te zien van een groepslevensstijl. Bijvoorbeeld de bacterie Pseudomonas fluorescens evolueert snel om meercellige matten op oppervlakken te genereren om betere toegang tot zuurstof te krijgen. Echter, zodra een mat is gevormd, hebben eencellige cheats een prikkel om de lijm die verantwoordelijk is voor de matvorming niet te produceren, wat uiteindelijk leidt tot de vernietiging van de mat.

Om het mysterie op te lossen van hoe meercellig leven voortduurde, suggereren wetenschappers wat zij 'ratelmechanismen' noemen. Ratels zijn apparaten die beweging in slechts één richting mogelijk maken. Naar analogie zijn ratelende mechanismen eigenschappen die voordelen bieden in een groepscontext, maar schadelijk zijn voor eenlingen, waardoor uiteindelijk een terugkeer naar een eencellige staat wordt voorkomen, zei Libby en co-auteur William Ratcliff van het Georgia Institute of Technology in Atlanta. [10 mogelijk bewoonbare buitenaardse planeten]

Over het algemeen geldt dat hoe meer een eigenschap cellen in een groep onderling afhankelijk maakt, hoe meer het als een ratel dient. Groepen cellen kunnen bijvoorbeeld arbeid verdelen, zodat sommige cellen één vitaal molecuul laten groeien terwijl andere cellen een andere essentiële verbinding laten groeien, zodat deze cellen het beter samen doen dan apart, een idee dat wordt ondersteund door recente experimenten met bacteriën.

Ratcheting kan ook de symbiose verklaren tussen oude microben die leidden tot symbionten die in cellen leefden, zoals de mitochondriën en chloroplasten die respectievelijk hun gastheren helpen gebruik te maken van zuurstof en zonlicht. De eencellige organismen die bekend staan ​​als Paramecia doen het slecht wanneer ze experimenteel zijn afgeleid van fotosynthetische symbionten, en op hun beurt verliezen symbionten doorgaans genen die nodig zijn voor het leven buiten hun gastheren.

Deze ratelende mechanismen kunnen leiden tot schijnbaar onzinnige resultaten. Bijvoorbeeld, apoptose, of geprogrammeerde celdood, is een proces waarbij een cel in wezen zelfmoord ondergaat. Experimenten tonen echter aan dat hogere percentages apoptose daadwerkelijk voordelen kunnen hebben. In grote clusters van gistcellen gedragen apoptotische cellen zich als zwakke schakels waarvan de dood ervoor zorgt dat kleine klompjes gistcellen loskomen en zich elders verspreiden waar ze mogelijk meer ruimte en voedingsstoffen hebben om te groeien.

"Dit voordeel werkt niet voor afzonderlijke cellen, wat betekende dat elke cel die de groep zou verlaten een nadeel zou ondervinden", zei Libby. "Dit werk laat zien dat een cel die in een groep leeft een fundamenteel andere omgeving kan ervaren dan een cel die alleen leeft. De omgeving kan zo verschillend zijn dat eigenschappen die rampzalig zijn voor een solitair organisme, zoals verhoogde sterftecijfers, gunstig kunnen worden voor cellen in een groep.”

Als het gaat om wat deze bevindingen betekenen in de zoektocht naar buitenaards leven, zei Libby dat dit onderzoek suggereert dat buitenaards gedrag vreemd kan lijken totdat men beter begrijpt dat een organisme lid kan zijn van een groep.

"Organismen in gemeenschappen kunnen gedrag aannemen dat bizar of contra-intuïtief zou lijken zonder de juiste aandacht voor hun gemeenschappelijke context," zei Libby. "Het is in wezen een herinnering dat een puzzelstuk een puzzel is totdat je weet hoe het in een grotere context past."

Libby en zijn collega's zijn van plan andere ratelmechanismen te identificeren.

"We hebben ook enkele experimenten in de maak om de stabiliteit te berekenen die wordt geboden door enkele mogelijke ratelende eigenschappen", zei Libby.


Hoe is het meercellige leven geëvolueerd?

Wetenschappers ontdekken manieren waarop afzonderlijke cellen eigenschappen kunnen hebben ontwikkeld die hen in groepsgedrag hebben verankerd, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor meercellig leven. Deze ontdekkingen zouden licht kunnen werpen op hoe complex buitenaards leven zou kunnen evolueren op buitenaardse werelden.

Onderzoekers hebben deze bevindingen gedetailleerd beschreven in het nummer van 24 oktober van het tijdschrift Wetenschap.

De eerste bekende eencellige organismen verschenen ongeveer 3,5 miljard jaar geleden op aarde, ongeveer een miljard jaar nadat de aarde was gevormd. Meer complexe levensvormen duurden langer om te evolueren, waarbij de eerste meercellige dieren pas ongeveer 600 miljoen jaar geleden verschenen.

De evolutie van meercellig leven uit eenvoudiger, eencellige microben was een cruciaal moment in de geschiedenis van de biologie op aarde en heeft de ecologie van de planeet drastisch hervormd. Een mysterie over meercellige organismen is echter waarom cellen niet terugkeerden naar eencellig leven.

"Eencelligheid is duidelijk succesvol - eencellige organismen zijn veel overvloediger dan meercellige organismen en bestaan ​​al minstens 2 miljard jaar extra", zei hoofdonderzoeksauteur Eric Libby, een wiskundig bioloog aan het Santa Fe Institute in New York. Mexico. “Dus wat is het voordeel om meercellig te zijn en zo te blijven?”

Het antwoord op deze vraag is meestal samenwerking, aangezien cellen meer baat hebben bij samenwerking dan bij alleen wonen. In scenario's van samenwerking zijn er echter voortdurend verleidelijke mogelijkheden voor cellen om hun taken te ontlopen, dat wil zeggen vals spelen, zei Libby.

Wanneer de sociale amoebe Dictyostelium discoideum verhongert, vormt het een meercellig lichaam. Krediet: Scott Solomon

'Beschouw als voorbeeld een mierenkolonie waar alleen de koningin eieren legt en de werksters, die zich niet kunnen voortplanten, zich moeten opofferen voor de kolonie', zei Libby. “Wat weerhoudt de mierenwerker ervan de kolonie te verlaten en een nieuwe kolonie te vormen? Het is duidelijk dat de mierenwerker zich niet kan voortplanten, dus kan hij geen eigen kolonie stichten. Maar als het een mutatie zou krijgen die het mogelijk maakte om dat te doen, dan zou dit een echt probleem zijn voor de kolonie. Dit soort strijd komt veel voor in de evolutie van meercelligheid, omdat de eerste meercellige organismen slechts een mutatie verwijderd waren van strikt eencellig zijn.'

Experimenten hebben aangetoond dat een groep microben die nuttige moleculen afscheidt waarvan alle leden van de groep kunnen profiteren, sneller kan groeien dan groepen die dat niet doen. Maar binnen die groep groeien freeloaders die geen middelen of energie verbruiken om deze moleculen uit te scheiden het snelst van allemaal. Een ander voorbeeld van cellen die groeien op een manier die andere leden van hun groep schaadt, zijn kankercellen, die een potentieel probleem vormen voor alle meercellige organismen.

Inderdaad, veel primitieve meercellige organismen hebben waarschijnlijk zowel eencellige als meercellige toestanden ervaren, wat kansen biedt om af te zien van een groepslevensstijl. Bijvoorbeeld de bacterie Pseudomonas fluorescens evolueert snel om meercellige matten op oppervlakken te genereren om betere toegang tot zuurstof te krijgen. Echter, zodra een mat is gevormd, hebben eencellige cheats een prikkel om de lijm die verantwoordelijk is voor de matvorming niet te produceren, wat uiteindelijk leidt tot de vernietiging van de mat.

Groepen gistcellen. Als sleutelcellen een geprogrammeerde dood sterven, kunnen deze groepen scheiden. Credit: E. Libby et al., PLOS Computational Biology

Om het mysterie op te lossen van hoe meercellig leven voortduurde, suggereren wetenschappers wat zij 'ratelmechanismen' noemen. Ratels zijn apparaten die beweging in slechts één richting mogelijk maken. Naar analogie zijn ratelende mechanismen eigenschappen die voordelen bieden in een groepscontext, maar schadelijk zijn voor eenlingen, waardoor uiteindelijk een terugkeer naar een eencellige staat wordt voorkomen, zei Libby en co-auteur William Ratcliff van het Georgia Institute of Technology in Atlanta.

Over het algemeen geldt dat hoe meer een eigenschap cellen in een groep onderling afhankelijk maakt, hoe meer het als een ratel dient. Groepen cellen kunnen bijvoorbeeld arbeid verdelen, zodat sommige cellen één vitaal molecuul laten groeien terwijl andere cellen een andere essentiële verbinding laten groeien, zodat deze cellen het beter samen doen dan apart, een idee dat wordt ondersteund door recente experimenten met bacteriën.

Ratcheting kan ook de symbiose verklaren tussen oude microben die leidden tot symbionten die in cellen leefden, zoals de mitochondriën en chloroplasten die respectievelijk hun gastheren helpen gebruik te maken van zuurstof en zonlicht. De eencellige organismen die bekend staan ​​als Paramecia doen het slecht wanneer ze experimenteel zijn afgeleid van fotosynthetische symbionten, en op hun beurt verliezen symbionten doorgaans genen die nodig zijn voor het leven buiten hun gastheren.

Deze ratelende mechanismen kunnen leiden tot schijnbaar onzinnige resultaten. Bijvoorbeeld, apoptose, of geprogrammeerde celdood, is een proces waarbij een cel in wezen zelfmoord ondergaat. Experimenten tonen echter aan dat hogere percentages apoptose daadwerkelijk voordelen kunnen hebben. In grote clusters van gistcellen gedragen apoptotische cellen zich als zwakke schakels waarvan de dood ervoor zorgt dat kleine klompjes gistcellen loskomen en zich elders verspreiden waar ze mogelijk meer ruimte en voedingsstoffen hebben om te groeien.

Een fossiel van een 600 miljoen jaar oud meercellig organisme vertoont onverwacht bewijs van complexiteit. Krediet: Virginia Tech

“Dit voordeel werkt niet voor afzonderlijke cellen, wat betekende dat elke cel die de groep zou verlaten een nadeel zou ondervinden,” Libby. Dit werk laat zien dat een cel die in een groep leeft een fundamenteel andere omgeving kan ervaren dan een cel die alleen leeft. De omgeving kan zo verschillend zijn dat eigenschappen die rampzalig zijn voor een solitair organisme, zoals verhoogde sterftecijfers, gunstig kunnen worden voor cellen in een groep.”

Als het gaat om wat deze bevindingen betekenen in de zoektocht naar buitenaards leven, zei Libby dat dit onderzoek suggereert dat buitenaards gedrag vreemd kan lijken totdat men beter begrijpt dat een organisme lid kan zijn van een groep.

“Organismen in gemeenschappen kunnen gedrag aannemen dat bizar of contra-intuïtief zou lijken zonder de juiste aandacht voor hun gemeenschappelijke context,” Libby. “Het is in wezen een herinnering dat een puzzelstukje een puzzel is totdat je weet hoe het in een grotere context past.'8221

Libby en zijn collega's zijn van plan andere ratelmechanismen te identificeren.

“We hebben ook enkele experimenten in de maak om de stabiliteit te berekenen die wordt geboden door enkele mogelijke ratelende eigenschappen,” Libby.


Heeft de vroege opkomst van zuurstof op aarde bijgedragen aan de ontwikkeling van meercellig leven? — WetenschapDagelijks

Onderzoekers hebben lang geloofd dat er een direct verband was tussen de toename van klimatologische zuurstof, die begon met de Great Oxygenation Occasion 2,5 miljard jaar eerder, en de toename van grote, gecompliceerde meercellige organismen.

Die theorie, de 'Oxygen Control Hypothesis', beveelt aan dat de grootte van deze vroege meercellige organismen werd beperkt door de diepte tot waar zuurstof in hun lichaam zou kunnen diffunderen. De hypothese maakt een gemakkelijke voorspelling die in feite buitengewoon prominent is geweest binnen zowel de evolutionaire biologie als de geowetenschappen: meer klimatologische zuurstof zou voortdurend de omvang moeten vergroten tot waar meercellige organismen kunnen groeien.

Het is een hypothese die moeilijk te beoordelen is in een laboratorium. Toch ontdekte een groep Georgia Tech-wetenschappers een methode die gebruik maakt van gerichte ontwikkeling, kunstmatige biologie en wiskundige modellering, allemaal aangeboden op een gemakkelijke meercellige levensvorm die een 'sneeuwvlokgist'8217 wordt genoemd. De uitkomsten? Aanzienlijke gloednieuwe informatie over de verbanden tussen zuurstofvoorziening van de vroege aarde en de toename van grote meercellige organismen.

” Het gunstige resultaat van zuurstof op de ontwikkeling van multicellulariteit is volledig dosisafhankelijk.– De allereerste oxygenatie van onze wereld zou de ontwikkeling van meercellig leven sterk hebben beperkt, niet bevorderd,”8221 bespreekt G. Ozan Bozdag, onderzoek onderzoek onderzoeker in de School of Biological Sciences en de hoofdauteur van het onderzoek. “Het gunstige resultaat van zuurstof op meercellige grootte wordt misschien herkend wanneer het hoge niveaus bereikt.”

” Zuurstofonderdrukking van macroscopische multicellulariteit'8221 wordt gepubliceerd in de Might 14, 2021-editie van het tijdschrift Natuurcommunicatie De co-auteurs van Bozdag op het papier zijn de Georgia Tech-wetenschappers Will Ratcliff, universitair hoofddocent aan de School of Biological Sciences Chris Reinhard, universitair hoofddocent aan de School of Earth and Atmospheric Sciences Rozenn Pineau, Ph.D. stagiair in de School of Biological Sciences en het Interdisciplinair Graduate Program in Quantitative Biosciences (QBioS) naast Eric Libby, assistent-leraar aan de Umea University in Zweden en het Santa Fe Institute in New Mexico.

Gist aansturen om in recordtijd vooruitgang te boeken

” We onthullen dat het resultaat van zuurstof ingewikkelder is dan voorheen werd voorgesteld. De vroege toename van wereldwijde zuurstof zou in werkelijkheid de ontwikkeling van macroscopische meercelligheid in hoge mate moeten beperken, in plaats van te kiezen voor grotere en meer gecompliceerde organismen,' houdt Ratcliff in gedachten.

'Individuen hebben lang gedacht dat de zuurstofvoorziening van het aardoppervlak praktisch was', sommigen veronderstellen dat het een voorwaarde is voor de ontwikkeling van grote, gecompliceerde meercellige organismen', voegt hij eraan toe. “Niemand heeft dit echter ooit beoordeeld, vanwege het feit dat we geen ontwerpsysteem hebben gehad dat zowel in staat is om snel een groot aantal generaties van ontwikkeling te doorlopen, en dat in staat is om te groeien over de volledige verscheidenheid aan zuurstofomstandigheden ,” van anaërobe omstandigheden op ongeveer moderne niveaus.

De wetenschappers waren in staat om dat te doen, niettemin met sneeuwvlokgist, elementaire meercellige organismen die efficiënt zijn in snelle evolutionaire modificatie. Door hun ontwikkelomgeving te verschillen, ontwikkelden ze meer dan 800 generaties sneeuwvlokgist in het laboratorium met keuze voor grotere maten.

De uitkomsten schokten Bozdag. "Ik was verbaasd om te zien dat meercellige gisten hun omvang extreem snel verdubbelden als ze geen zuurstof gebruikten, terwijl populaties die zich ontwikkelden in de redelijk zuurstofrijke omgeving helemaal geen toename in grootte vertoonden," stelt hij. “Dit resultaat is robuust–, zelfs over een veel langere tijdschaal.”

Grootte'8211 en zuurstofgehalte'8211 zijn van belang voor meercellige ontwikkeling

In de onderzoeksstudie van de groep ontwikkelde zich snel 'plus size' ofwel wanneer onze gist geen of veel zuurstof had, maar niet wanneer zuurstof op lage niveaus bestond,' stelt Ratcliff. “We hebben veel meer werk verzet om te onthullen dat dit een volledig te voorzien en gemakkelijk te begrijpen resultaat is van de realiteit dat zuurstof, wanneer het wordt beperkt, als een hulpbron fungeert.– Als cellen er toegang toe hebben, krijgen ze een enorm metabool voordeel. Wanneer zuurstof beperkt is, kan het niet extreem ver in organismen diffunderen, dus er is een evolutionaire beloning voor meercellige organismen om klein te zijn. #8217 niet aanwezig, of wanneer er voldoende van is om dieper in weefsels te diffunderen.'8221

Ratcliff stelt dat het werk van zijn groep niet alleen de Zuurstofbeheersingshypothese moeilijk maakt, maar ook de wetenschap helpt te begrijpen waarom er wereldwijd zo weinig duidelijke evolutionaire ontwikkeling plaatsvond van meercellige organismen in de miljard jaar na de Grote Oxygenatie-aangelegenheid. Ratcliff bespreekt dat geologen deze duur de '8220saaie miljard'8221 in de geschiedenis van de aarde noemen, ook wel de saaiste tijd in de geschiedenis van de aarde genoemd, en de middeleeuwen van de aarde een tijdsduur waarin zuurstof in de omgeving bestond. op lage niveaus, en meercellige organismen bleven redelijk klein en basisch.

Bozdag geeft nog een inzicht in het bijzondere karakter van het onderzoek. “In eerder werk werd gekeken naar de interactie tussen zuurstof en meercellige grootte, voornamelijk door middel van de fysische concepten van gasdiffusie,”, stelt hij. 'Hoewel dat denken noodzakelijk is, hebben we ook een inclusieve factor nodig om concepten van darwinistische ontwikkeling in overweging te nemen bij het bestuderen van de oorsprong van gecompliceerd meercellig leven op onze wereld.' de wetenschappers bereiken eenvoudig dat, inclusief Bozdag.


Hebben bacteriën de evolutie van meercellig leven veroorzaakt?

Bacteriën hebben een slechte reputatie als ziekteverwekkers, maar wetenschappers ontdekken steeds meer hun vele voordelen, zoals het behouden van een gezonde darm.

Getriggerd door de aanwezigheid van bacteriën, de eencellige choanoflagellate Salpingoeca rosetta verdeelt en blijft bij zijn zusters om een ​​kolonie te vormen. Een reden kan zijn dat de kolonie een efficiëntere manier is om voedsel te vangen, zoals een '8220Death Star'8221 die tussen de bacteriën zit te eten. De kolonie is ongeveer 15 micron in diameter, of minder dan een duizendste van een inch breed. Scanning electron microscope image courtesy of Nicole King.

A new study now suggests that bacteria may also have helped kick off one of the key events in evolution: the leap from one-celled organisms to many-celled organisms, a development that eventually led to all animals, including humans.

Published this month in the inaugural edition of the new online journal eLife, the study by University of California, Berkeley, and Harvard Medical School scientists involves choanoflagellates (aka “choanos”), the closest living relatives of animals. These microscopic, one-celled organisms sport a long tail or flagellum, tentacles for grabbing food and are members of the ocean’s plankton community. As our closest living relative, choanos offer critical insights into the biology of their last common ancestor with animals, a unicellular or colonial organism that lived and died over 650 million years ago.

“Choanoflagellates evolved not long before the origin of animals and may help reveal how animals first evolved,” said senior author Nicole King, UC Berkeley associate professor of molecular and cell biology.

Since first starting to study choanoflagellates as a post-doc, King has been trying to figure out why some choanoflagellates live their lives as single cells, while others form colonies. After years of dead ends, King and undergraduate researcher Richard Zuzow discovered accidentally that a previously unknown species of bacteria stimulates one choanoflagellate, Salpingoeca rosetta, to form colonies. Because bacteria were abundant in the oceans when animals first evolved, the finding that bacteria influence choano colony formation means it is plausible that bacteria also helped to stimulate multicellularity in the ancestors of animals.

“I would be surprised if bacteria did not influence animal origins, since most animals rely on signals from bacteria for some part of their biology,” King said. “The interaction between bacteria and choanos that we discovered is interesting for evolutionary reasons, for understanding how bacteria interact with other organisms in the oceans, and potentially for discovering mechanisms by which our commensal bacteria are signaling to us.”

No one is sure why choanoflagellates form colonies, said one of the study’s lead authors, UC Berkeley post-doctoral fellow Rosanna Alegado. It may be an effective way of exploiting an abundant food source: instead of individual choanoflagellates rocketing around in search of bacteria to eat, they can form an efficient bacteria-eating “Death Star” that sits in the middle of its food source and chows down.

Whatever the reasons, colonies of unicellular organisms may have led the way to more permanent multicellular conglomerations, and eventually organisms comprised of different cell types specialized for specific functions.

Sequencing the choanoflagellate genome

King’s 12-year search for the trigger of choanoflagellate colony development was reignited in 2005 when she started to prime cultures of the choanoflagellate S. rosetta for a genome sequencing project. The sequencing of another choanoflagellate, the one-celled Monosiga brevicollis, gave some clues into animal origins, but she needed to compare its genome to that of a colony-forming choanoflagellate.

Surprisingly, when Zuzow tried to isolate the colony-forming choanoflagellate by adding antibiotics to the culture dish to kill off residual bacteria, strange things happened, said King.

“When he treated the culture with one cocktail of antibiotics, he saw a bloom of rosette colony formation,” she said, referring to the rose petal-shaped colonies that were floating in the culture media. “When he treated with a different cocktail of antibiotics, that got rid of colony formation altogether.”

That “rather mundane but serendipitous observation” led Zuzow and Alegado to investigate further and discover that only one specific bacterial species in the culture was stimulating colony formation. When other bacteria outnumbered it, or when antibiotics wiped it out, colony formation stopped. Alegado identified the colony-inducing bacteria as the new species, Algoriphagus machipongonensis. While she found that other bacteria in the Algoriphagus genus can also stimulate colony formation, other bacteria like E coli, common in the human gut, cannot.

Single choanoflagellates (left) and the rosetta colonies they form in the presence of a newly discovered species of bacteria. Image courtesy of Nicole King.

Working with Jon Clardy of Harvard Medical School, a natural products chemist, the two labs identified a molecule – a fatty acid combined with a lipid that they called RIF-1 – that sits on the surface of bacteria and is the colony development cue produced by the bacteria.

“This molecule may be betraying the presence of bacteria,” Alegado said. “Bacteria just sit around blebbing off little membrane bubbles, and if one of them has this molecule, the choanoflagellates all of a sudden say, ‘Aha, there are some bacteria around here.’”

The signal sets off a predetermined program in the choanoflagellate that leads to cell division and the development of rosettes, she said. The molecule RIF-1 is remarkably potent choanos detect and respond to it at densities that are about one billionth that of the lowest concentration of sugar that humans can taste in water.

“We are investigating this molecule from many sides. How and why do bacteria make it? How do choanoflagellates respond to it, and why?” zei koning. She and her team also are analyzing the genome of the colony-forming choanoflagellate and the colony-inducing bacteria for clues to their interaction.

King hopes that this unexpected signaling between choanoflagellates and bacteria can yield insights into other ways in which bacteria influence biology, particularly the biology of the gut.

Coauthors with King, Alegado and Clardy are Zuzow, now a graduate student at Stanford University Laura Brown, now a faculty member at Indiana University Shugeng Cao and Renee Dermenjian of Harvard Medical School and Stephen Fairclough of UC Berkeley. Dermenjian is now at Merck.


Inhoud

Because the first multicellular organisms would have lacked hard body parts, they are not well preserved in fossil records [1] . Until recently phylogenetic reconstruction has been through anatomical (particularly embryological) similarities. This is very inexact, as current multicellular organisms such as animals and plants are 500 million years removed from their single celled ancestors. This allows both divergent and convergent evolutionary processes a huge amount of time to mimic similarities and differences between groups of modern and ancestral species that don't actually exist. While modern phylogenetics uses more sophisticated techniques such as alloenzymes, satellite DNA and other molecular markers, they are still rather imprecise over such huge timescales. Nevertheless, it is hypothesized that the evolution of multicellularity in most, if not all, extant clades could have happened in one of three distinct ways:

Symbiotic Theory

This theory suggests that the first multicellular organisms occurred from symbiosis (cooperation) of different species of single celled organisms, each with different roles. Over time these organisms would become so dependent on each other they would not be able to survive independently, eventually leading to their genomes being incorporated into one, multicellular, organism. each respective organism would become a separate lineage of differentiated cells within the newly created species.

This kind of severely co-dependent symbiosis can be seen frequently, such as in the relationship between clown fish and Riterri sea anemones. In these cases it is extremely doubtful if either species would survive very long if the other became extinct. However, the problem with this theory is that it is still not known how each organism's DNA could be incorporated into one single genome to constitute them as a single species. Although such symbiosis is known to have occurred (e.g. mitochondria and chloroplasts in animal and plant cells - endosymbiosis) it has only happened extremely rarely and, even then, the genomes of the endosymbionts have retained an element of distinction, separately replicating their DNA during mitosis of the host species. For instance, the two or three symbiotic organisms forming the composite lichen, while dependent on each other for survival, have to separately reproduce and then re-form to create one individual organism once more.

Cellularisation (Syncytial) Theory

This theory states that a single unicellular organism could have developed internal membrane partitions around each of its nuclei. Many protists such as the ciliates or slime moulds can have several nuclei, lending support to this hypothesis. However, simple presence of multiple nuclei is not enough to support the theory. Multiple nuclei of ciliates are dissimilar and have clear differentiated functions: the macronucleus serves the organism's needs while the micronucleus is used for sexual-like reproduction with exchange of genetic material. Slime molds syncitia form from individual amoeboid cells, like syncitial tissues of some multicellular organisms, not the other way round. To be deemed valid, this theory needs a demonstrable example and mechanism of generation of a multicellular organism from a pre-existing syncytium.

The Colonial Theory

The third explanation of multicellularisation is the Colonial Theory which was proposed by Haeckel in 1874. The theory claims that the symbiosis of many organisms of the same species (unlike the symbiotic theory, which suggests the symbiosis of different species) led to a multicellular organism. At least some, presumably land-evolved, multicellularity occurs by cells separating and then rejoining (e.g., cellular slime molds) whereas for the majority of multicellular types (those which evolved within aquatic environments), multicellularity occurs as a consequence of cells failing to separate following division [2] . The mechanism of this latter colony formation can be as simple as incomplete cytokinesis, though multicellularity is also typically considered to involve cellular differentiation [3]

The advantage of the Colonial Theory hypothesis is that it has been seen to occur independently numerous times (in 16 different protoctistan phyla). For instance, Dictyostelium is an amoeba which groups together during times of food shortage, forming a colony that moves as one to a new location. Some of these amoeba then become slightly differentiated from each other. Other examples of colonial organisation in protozoa are Eudorina and Volvox (the latter of which consists of around 10,000 cells, only about 25-35 of which reproduce - 8 asexually and around 15-25 sexually). It can often be hard to tell, however, what is a colonial protist and what is a multicellular organism in its own right, as the two concepts are usually indistinguishable, and this problem plagues most hypotheses of how multicellularisation could have occurred.

However, most scientists accept that is by the Colonial theory that Multicellular organisms, from all phyla, evolved.


Multicellular Life may have ‘cheated’ its way into Existence

One of the most fundamental question evolutionary biologists are trying to answer is how did multicellular life evolve from single celled organisms. Researchers from New Zealand, Germany and the USA believe they have found a counter-intuitive hint after studying organisms evolve in real time: cheating, non-cooperative cells may have pressured evolution to work on a program that would integrate two cell states.

Cheating in life

Bacterial collectives were bred where cheats were either suppressed or encouraged. Photo: Gayle Ferguson

Cheats are cells that do not contribute to the integrity of the group, but still take advantage of the benefits of being part of a collective. Sounds familiar? Every society has its cheats, and like in the human world, if there are too many cheats in cellular group, then the group collapses. If a group works together, but some decide to slack, it’s not the end of the world, but if everybody slacks society tumbles.

“Cheats are typically viewed as the greatest impediment to the emergence of multicellular life because they collapse cooperating groups—the obvious thing to do is to get rid of them,” said Lead researcher Distinguished Professor Paul Rainey from the New Zealand Institute for Advanced Study (NZIAS)

This wasn’t that obvious, though, so Caroline Rose and Katrin Hammerschmidt from the New Zealand Institute for Advanced Study (NZIAS) tested cell lineages for five years to see whether cheats had any contribution to their evolutionary makeup. Lineages were thus constructed where the cheats were embraced or rejected, beginning with single cells then showing how simple cooperating groups of bacteria can reproduce under various life cycles.

“When cheats were embraced we discovered something surprising,” Dr Rose says. “Evolution saw a new kind of entity—a group comprised of two different cell states: cheating and cooperating cells. Evolution couldn’t focus on just one state or the other for lineages to persist, evolution had to see both types—it had to work on a developmental programme.”

Dr Hammerschmidt explains: “When this happened, the groups became better adapted, but they did so at the expense of the individual cells that made up the groups. This might seem nonsensical, but it is precisely what is thought to happen during major evolutionary transitions: the higher (group) level subsumes the lower (cell) level, with the lower level eventually coming to work for the good of the collective. Nothing so remarkable happened when we performed the same experiment, but with a life cycle in which we got rid of cheats.”

When cheaters were embraced in the life cycle, the life cycle alternated between phenotypic states and selection fostered a development mechanism that bred collectives with a decoupled fitness from the fitness of constituent cells. Biologists use the word fitness to describe how good a particular genotype is at leaving offspring in the next generation relative to how good other genotypes are at it. So if brown beetles consistently leave more offspring than green beetles because of their color, you’d say that the brown beetles had a higher fitness.

“Little is known”, explains Professor Rainey, “but life cycles involving at least two different states are almost universal in the world of multicellular organisms. I suspect that this is because multiphase life cycles generate an organismal configuration that delivers to natural selection a machine-like entity with which it can really work.

“The emergence of these primordial life cycles holds the key to understanding some of biology’s most profound problems: the origins of multicellularity the origins of soma/germ differentiation, of reproduction, of development—even the origins of cancer.”

The researchers are still experiment, but so far they believe they have stumbled across a key insight that might explain how multicellular life appeared. Findings appeared in Natuur.


Did bacteria spark evolution of multicellular life?

Bacteria have a bad rap as agents of disease, but scientists are increasingly discovering their many benefits, such as maintaining a healthy gut.

Triggered by the presence of bacteria, the single-celled choanoflagellate Salpingoeca rosetta divides and aggregates with its sisters to form a colony. One reason may be that the colony is a more efficient way of capturing food, like a “Death Star” sitting amidst the bacteria and chowing down. The colony is about 15 microns in diameter, or less than one-thousandth of an inch across. Scanning electron microscope image courtesy of Nicole King. A new study now suggests that bacteria may also have helped kick off one of the key events in evolution: the leap from one-celled organisms to many-celled organisms, a development that eventually led to all animals, including humans.

Published this month in the inaugural edition of the new online journal eLife, the study by University of California, Berkeley, and Harvard Medical School scientists involves choanoflagellates (aka “choanos”), the closest living relatives of animals. These microscopic, one-celled organisms sport a long tail or flagellum, tentacles for grabbing food and are members of the ocean’s plankton community. As our closest living relative, choanos offer critical insights into the biology of their last common ancestor with animals, a unicellular or colonial organism that lived and died over 650 million years ago.

“Choanoflagellates evolved not long before the origin of animals and may help reveal how animals first evolved,” said senior author Nicole King, UC Berkeley associate professor of molecular and cell biology.

Since first starting to study choanoflagellates as a post-doc, King has been trying to figure out why some choanoflagellates live their lives as single cells, while others form colonies. After years of dead ends, King and undergraduate researcher Richard Zuzow discovered accidentally that a previously unknown species of bacteria stimulates one choanoflagellate, Salpingoeca rosetta, to form colonies. Because bacteria were abundant in the oceans when animals first evolved, the finding that bacteria influence choano colony formation means it is plausible that bacteria also helped to stimulate multicellularity in the ancestors of animals.

“I would be surprised if bacteria did not influence animal origins, since most animals rely on signals from bacteria for some part of their biology,” King said. “The interaction between bacteria and choanos that we discovered is interesting for evolutionary reasons, for understanding how bacteria interact with other organisms in the oceans, and potentially for discovering mechanisms by which our commensal bacteria are signaling to us.”

No one is sure why choanoflagellates form colonies, said one of the study’s lead authors, UC Berkeley post-doctoral fellow Rosanna Alegado. It may be an effective way of exploiting an abundant food source: instead of individual choanoflagellates rocketing around in search of bacteria to eat, they can form an efficient bacteria-eating “Death Star” that sits in the middle of its food source and chows down.

Whatever the reasons, colonies of unicellular organisms may have led the way to more permanent multicellular conglomerations, and eventually organisms comprised of different cell types specialized for specific functions.

Sequencing the choanoflagellate genome

King’s 12-year search for the trigger of choanoflagellate colony development was reignited in 2005 when she started to prime cultures of the choanoflagellate S. rosetta for a genome sequencing project. The sequencing of another choanoflagellate, the one-celled Monosiga brevicollis, gave some clues into animal origins, but she needed to compare its genome to that of a colony-forming choanoflagellate.

Surprisingly, when Zuzow tried to isolate the colony-forming choanoflagellate by adding antibiotics to the culture dish to kill off residual bacteria, strange things happened, said King.

“When he treated the culture with one cocktail of antibiotics, he saw a bloom of rosette colony formation,” she said, referring to the rose petal-shaped colonies that were floating in the culture media. “When he treated with a different cocktail of antibiotics, that got rid of colony formation altogether.”

That “rather mundane but serendipitous observation” led Zuzow and Alegado to investigate further and discover that only one specific bacterial species in the culture was stimulating colony formation. When other bacteria outnumbered it, or when antibiotics wiped it out, colony formation stopped. Alegado identified the colony-inducing bacteria as the new species, Algoriphagus machipongonensis. While she found that other bacteria in the Algoriphagus genus can also stimulate colony formation, other bacteria like E coli, common in the human gut, cannot.

Working with Jon Clardy of Harvard Medical School, a natural products chemist, the two labs identified a molecule – a fatty acid combined with a lipid that they called RIF-1 – that sits on the surface of bacteria and is the colony development cue produced by the bacteria.

Single choanoflagellates (left) and the rosetta colonies they form in the presence of a newly discovered species of bacteria. Image courtesy of Nicole King.

“This molecule may be betraying the presence of bacteria,” Alegado said. “Bacteria just sit around blebbing off little membrane bubbles, and if one of them has this molecule, the choanoflagellates all of a sudden say, ‘Aha, there are some bacteria around here.’”

The signal sets off a predetermined program in the choanoflagellate that leads to cell division and the development of rosettes, she said. The molecule RIF-1 is remarkably potent choanos detect and respond to it at densities that are about one billionth that of the lowest concentration of sugar that humans can taste in water.

“We are investigating this molecule from many sides. How and why do bacteria make it? How do choanoflagellates respond to it, and why?” zei koning. She and her team also are analyzing the genome of the colony-forming choanoflagellate and the colony-inducing bacteria for clues to their interaction.

King hopes that this unexpected signaling between choanoflagellates and bacteria can yield insights into other ways in which bacteria influence biology, particularly the biology of the gut.

Coauthors with King, Alegado and Clardy are Zuzow, now a graduate student at Stanford University Laura Brown, now a faculty member at Indiana University Shugeng Cao and Renee Dermenjian of Harvard Medical School and Stephen Fairclough of UC Berkeley. Dermenjian is now at Merck.


Did Scientists Evolve a Multicellular Organism from a Single-Celled Organism? by Rich Deem

Scientist from the University of Minnesota claim to have induced single-celled yeast to become multicellular organisms, simply through artificial selection. Are these yeasts really multicellular?

Invoering

For billions of years, life on earth consisted solely of single-celled microorganisms. Originally these microorganisms were prokaryotes (bacteria and Archaea), followed then by eukaryotes (cells with nuclei). Multicellular eukaryotes did not appear until 1,000 to 650 million years ago. The fact that it took about three billion years to go from unicellular to multicellular organisms suggests that the transition was not a trivial one. However, scientists have announced that they have accomplished the same task in a mere 60 days. 1 Or did they?

Yeast is unicellular?

Authors of the study used common brewer's yeast (Saccharomyces cerevisiae), which normally grows as individual cells. The cells reproduce by budding, so that two daughter cells are produced from one cell. What the authors only briefly mentioned, and cursorily dismissed as being irrelevant, was the fact that Saccharomyces cerevisiae will grow in a clumped manner, forming "pseudohyphae" when grown under adverse conditions. In fact, when grown on the ammonium-deficient medium SLAD, 56% of Saccharomyces cerevisiae strains showed a filamentous phenotype 2 (left side of figure to right). So, it is pretty clear that these yeasts could nu al grow as "multicellular" structures even voordat scientists started selecting for that trait.

Experimental methods and results

Authors of the study took Saccharomyces cerevisiae and subjected them to a simple selection protocol, consisting of a requirement for rapid sedimentation. Cultures were grown as usual in broth with shaking (for aeration), but once a day cultures were allowed to settle (larger clumps settle first) and the bottom 1% of the culture was reseeded into a new culture. Within a few generations, the cultures consisted almost solely of "snowflakes" (branching clumps of cells that would settle quickly, see figure above). There are two basic mechanisms by which the cells might have become "multicellular." One is by increased clumping after budding and the other is a lack of separation after budding. Visual observation revealed that the mechanism was a lack of separation after budding. Their conclusion was that multicellularity could evolve in two months!

Differentiation?

The main hallmark of multicellularity is the differentiation of cells into divergent cell types that accomplish specialized functions. In the article, the authors claimed that "the snowflake phenotype exhibits juvenile/adult life stage differentiation." Figure 3b, which was purported to show this, merely showed cluster sizes as a function of settling selection protocol. The paper never demonstrated any biochemical or genetic/epigentic differences between so called "juveniles" and "adults" (obviously, the "juveniles" were smaller). In addition, their marker of "differentiation" was apoptosis (programmed cell death). In multicellular organisms, some cells are programmed to die as other differentiate into particular cellular phenotypes. However, apoptosis is niet a marker of differentiation, since cells that undergo apoptosis die (death &ne differentiation). In fact, the researchers never really even measured apoptosis. They merely stained the colonies with dihydrorhodamine 123 (DHR), which stains for the presence of reactive oxygen species. So they didn't even make sure that there was programmed cell death (by measuring chemical pathways that lead to apoptosis). There is more than one way in which cells within such "snowflakes" can become stressed and die. You will recall that all these cultures were shaking during their growth. Usually, this is done using an orbital shaker that "spins" the media in the cultures at speeds of at least 200 rpm. The supplemental methods 3 say that the cultures were "shaking at 250 G" (Obviously, this is an error, most likely meaning 250 rpm). Such shaking results in sheer forces, which will damage cells near the middle of the "snowflake" as it is contorted by the forces of the rapidly moving culture medium. The larger the colonies become, the stronger the sheering forces that will act on it. The damaged cells will die, resulting in the release of a "juvenile snowflake." To test this hypothesis, the authors should have grown the cultures without shaking in containers that had a large surface to volume ratio (to enable aeration of the culture). Such cultures should show reduced "apoptosis" compared to shaken cultures. If so, they could be subjected to brief shaking to verify that such shaking was the cause of the cell death. So, I believe there was little, if any, real apoptosis happening in their "snowflakes."

Genotypen

The authors of the study used the word "genotypes" at least a few dozen times, even though they did nul genetic analysis. The proper term that describes their study would be "phenotypes" (observable traits that may or may not be due to genotypic differences), which they also used a couple dozen times. It's almost as if parts of the article were written by different people&mdashone of whom did not understand what the word "genotype" really meant. Just because they isolated individual snowflakes does not mean that they had "genotypes." It is entirely possible that the original phenotype is genetically identical to the snowflake phenotype (differences could be due to epigenetic changes or changes in RNA expression). Without any kind of genetic analysis, it is impossible to conclude that any genetic changes were responsible for the phenotypic changes observed.

Alternative interpretations

Authors of the study were so blinded by their belief in macroevolution that they failed to consider the most obvious explanation for the results they observed. Wildtype Saccharomyces cerevisiae already have the ability to grow in a clumped manner by forming pseudohyphae. Granted, the morphology of the "snowflakes" is quite unlike that observed in pseudohyphae. However, this does not mean that Saccharomyces cerevisiae could not have appropriated at least some of the genes involved in pseudohyphae formation to form "snowflakes." Numerous studies are available in the literature that describe the genes involved in pseudohyphae formation in Saccharomyces cerevisiae. 4 To conclude that Saccharomyces cerevisiae evolved new genes in a few days of selection in the laboratory is beyond credulity.

Conclusie

Scientists from the University of Minnesota want us to believe that multicellularity, which took billions of years to appear on earth, can evolve in a few days under simple laboratory selection. Instead of using modern techniques of genetic sequencing and gene array expression analysis, these scientists merely observed clumps of Saccharomyces cerevisiae to conclude that they had "differentiated" into "adult" and "juvenile" populations. They pretended to measure "apoptosis" through staining with DHR, which actually tests for the presence of reactive oxygen species. It is much more likely that sheering forces present during the shaking of the cultures was responsible for cell death near the middle of colonies as the branches were bent back and forth. Such a scenario would have resulted in cell death and eventual release of portions of the colony. These alternative explanations are easily testable and would likely invalidate the interpretation of the data offered by the scientists who published the study.

Related Pages

Related Materials

Origins of Life: Biblical and Evolutionary Models Face Off by Fazale Rana and Hugh Ross. Probably the single most potent scientific argument against atheism is the problem with a naturalistic origin of life. This very problem led me to become a deist as a biology major at USC in the early 1970's. The problems for atheists have gotten no better since that time. In fact, the last 30+ years of research have turned up even more problems than those that existed when I first studied the theories. Fuz Rana (a biochemist) and Hugh Ross (an astrophysicist) have teamed up to write de definitive up-to-date analysis of the origin of life. The book examines the origins of life from the perspectives of chemistry, biochemistry, astronomy, and the Bible. A biblical creation model is presented along side the naturalistic models to help the reader decide which one fits the data better.


Bekijk de video: Evolutie - het ontstaan van leven - VWO (November 2021).