Genetisk mutation kan driva utvecklingen, men inte helt av sig själv. Fysik kan vara en kraftfull styrpilot, ibland även kursen.

I en ny studie, fysiker och evolutionära biologer vid Georgia Institute of Technology har visat hur fysisk stress kan ha väsentligt avancerat den evolutionära vägen från encelliga till flercelliga organismer. I experiment med kluster av jästceller som kallas snöflingjäst, krafter i klungornas fysiska strukturer drev snöflingorna att utvecklas.

"Utvecklingen av multicellularitet är lika mycket en fråga om fysik som biologi, "sa biologen Will Ratcliff, en biträdande professor vid Georgia Tech's School of Biological Sciences.

Ju större de är ...

Liksom de första förfäderna till flercelliga organismer, i denna studie befann sig snöflingans jäst i en gåta:När den blev större, fysiska påfrestningar slet det i mindre bitar. Så, hur upprätthålla den tillväxt som behövs för att utvecklas till en komplex flercellig organism?

I labbet, dessa skjuvkrafter spelade rakt in i evolutionens händer, lägga ett spår för att styra jästutvecklingen mot större, tuffare snöflingor.

"På bara åtta veckor, snöflingans jäst utvecklades större, mer robusta kroppar genom att ta reda på mjuk materiefysik som tog människor hundratals år att lära sig, "sa Peter Yunker, en biträdande professor vid Georgia Tech's School of Physics. Han och Ratcliff samarbetade kring forskningen som dokumenterade utvecklingen och mätte de fysiska egenskaperna hos muterad snöflingjäst.

De publicerade sina resultat den 27 november, 2017, i tidningen Naturfysik . Arbetet finansierades av NASA Exobiology -programmet, National Science Foundation, och en Packard Foundation Fellowship till Ratcliff.

Frågor och svar

Här är några frågor och svar för att belysa studien och dess betydelse.

Men först, lite bakgrund:Bakersjäst, som användes i dessa experiment, är vanligtvis en encellad organism. Jästceller med en välkänd mutation håller ihop i grupper som kallas snöflingor.

Det var inte i fokus för experimenten, men jästsnöflingorna var utgångspunkten i denna studie om utvecklingen av multicellularitet.

Varför är denna studie signifikant?

Ett sådant cellkluster som en jästsnöflinga är ännu inte en välintegrerad flercellig organism. Att göra det till en enkel multicellularitet som hos vissa alger är ett mycket långt evolutionärt drag.

"Det är en resa på tusen steg, "Ratcliff sa." Den viktigaste förändringen är att denna grupp av celler inte ska utvecklas som ett gäng enstaka celler utan som en flercellig individ. "

I det här arbetet, forskarna visade hur snöflinga jäst tog första steg i den riktningen genom att utveckla mer motståndskraftiga flercelliga kroppar som upprätthöll tillväxt. Processen drivs huvudsakligen av fysiska krafter, eftersom de enkla snöflingorna inte hade komplexa inre biologiska funktioner som kunde vara de främsta drivkrafterna.

"Detta är ett fantastiskt exempel på multicellulär anpassning kring fysiska begränsningar långt innan utvecklingen av ett cellulärt utvecklingsprogram, "Sa Yunker.

Hur fungerar denna utveckling via fysisk stress?

"Jästsnöflingor växte genom att lägga till celler från ände till ände för att bilda grenar ungefär som en buske, "Sa Yunker." Men grenarna trängde varandra, och påfrestningarna som resulterade gjorde att några avbröts. "

Brottet huggade ner storleken på enskilda jästsnöflingor, men efter flera generationer, snöflingorna utvecklades för att minska trängseln av grenar genom att förlänga dess individuella celler.

Som ett resultat, de övergripande snöflingorna var mindre stressade och kunde växa sig större och mer robusta.

Dessutom, Georgia Tech -forskare upptäckte att fysiken gjorde att snöflingorna i princip fick barn. Specifikt, bitarna som gick sönder blev propagler som växte till egna snöflingor.

Denna reproduktion skapades av fysisk kraft och inte av ett biologiskt program. Ratcliff publicerade en separat studie om reproduktionsaspekten den 23 oktober, 2017, i tidningen Filosofiska transaktioner av Royal Society B .

"Fysik gör mycket för multicellularitet, "Ratcliff sa." Det ger det också en livscykel. "Livscykel hänvisar till födelse, tillväxt, fortplantning, och döden.

"Ett samförstånd bildar det för att något verkligen ska utvecklas till multicellularitet, väldigt tidigt, en flercellig livscykel måste utvecklas. "

Hur valde experimenten för dessa specifika anpassningar?

Ratcliff och Yunker effektiviserade utvecklingen i labbet genom att skapa en konsekvent urvalsregim för jästsnöflingorna att utvecklas i. I det här fallet, de valde ut för snöflingor som var bäst på att sjunka.

Snöflingorna som sjönk bättre var tyngre, eftersom de blev större än andra på det sätt som beskrivs ovan, ger dem mer massa. "Klusterna som utvecklades för att bli större var därför också tyngre, "Sa Ratcliff.

Denna experimentella urvalsinställning passade till naturlig utveckling, som också måste välja storlek för att komma fram till komplexa flercelliga kroppar, som är mycket, mycket större än enstaka celler.

Mutation av grenar är genetiskt. Är fysiken verkligen så viktig här?

Det stämmer:Slumpmässiga genetiska mutationer resulterade i det bättre, längre grenar i vissa jästsnöflingor vilket ger dem en kumulativ viktfördel.

Men spridningen av de överlägsna snöflingamutationerna var ett resultat av att fysiska påfrestningar inte krossade snöflingorna förrän de hade blivit större.

De bitar som så småningom gick sönder, enbart på grund av fysisk kraft, var propaglerna. Några av dem bar mutationer framåt som gjorde de nya snöflingorna ännu bättre på att sjunka.

Och det var ett kritiskt steg i den flercelliga utvecklingen.

Hur bekräftades stress som orsaken till att snöflingor splittrades?

Forskarna testade snöflingornas materialegenskaper under ett atomkraftsmikroskop. "Vi klämde klungorna och mätte hur mycket kraft och energi du behövde för att bryta dem, "Sa Yunker.

"Den fysiska mätningen indikerade nära storleken som klustren skulle uppnå innan de bröt av en gren på grund av stress, "Sa Ratcliff.