La mutazione genetica può guidare l'evoluzione, ma non tutto da solo. La fisica può essere un potente co-pilota, a volte anche impostare il corso.

In un nuovo studio, fisici e biologi evoluzionisti del Georgia Institute of Technology hanno dimostrato come lo stress fisico possa aver fatto avanzare significativamente il percorso evolutivo dagli organismi unicellulari a quelli multicellulari. In esperimenti con gruppi di cellule di lievito chiamate lievito fiocco di neve, le forze nelle strutture fisiche degli ammassi hanno spinto i fiocchi di neve ad evolversi.

"L'evoluzione della multicellularità è tanto una questione di fisica quanto di biologia, " ha detto il biologo Will Ratcliff, un assistente professore presso la School of Biological Sciences della Georgia Tech.

Più sono grandi...

Come i primi antenati degli organismi pluricellulari, in questo studio il lievito fiocco di neve si è trovato in un enigma:man mano che diventava più grande, le sollecitazioni fisiche lo hanno strappato in pezzi più piccoli. Così, come sostenere la crescita necessaria per evolvere in un organismo multicellulare complesso?

Nel laboratorio, quelle forze di taglio hanno giocato proprio nelle mani dell'evoluzione, stabilire una pista per dirigere l'evoluzione del lievito verso una maggiore, fiocchi di neve più duri.

"In sole otto settimane, il lievito fiocco di neve si è evoluto più grande, corpi più robusti scoprendo la fisica della materia soffice che gli umani hanno impiegato centinaia di anni per imparare, " ha detto Peter Yunker, un assistente professore presso la School of Physics della Georgia Tech. Lui e Ratcliff hanno collaborato alla ricerca che ha documentato l'evoluzione e misurato le proprietà fisiche del lievito fiocco di neve mutato.

Hanno pubblicato i loro risultati il ​​27 novembre, 2017, nel diario Fisica della natura . Il lavoro è stato finanziato dal programma Exobiology della NASA, la Fondazione Nazionale della Scienza, e una borsa di studio della Fondazione Packard a Ratcliff.

Domande e risposte

Ecco alcune domande e risposte per illuminare lo studio e il suo significato.

Ma prima, un po' di sottofondo:lievito di birra, che è stato utilizzato in questi esperimenti, è di solito un organismo unicellulare. Le cellule di lievito con una ben nota mutazione si uniscono in gruppi chiamati fiocchi di neve.

Non era questo il fulcro degli esperimenti, ma i fiocchi di neve di lievito sono stati il ​​punto di partenza di questo studio sull'evoluzione della multicellularità.

Perché questo studio è significativo?

Un tale gruppo di cellule come un fiocco di neve di lievito non è ancora un organismo multicellulare ben integrato. Raggiungere una multicellularità anche semplice come quella di alcune alghe è un percorso evolutivo molto lungo.

"È un viaggio di mille passi, "Ha detto Ratcliff. "Il cambiamento chiave è che questo gruppo di cellule non si evolva come una banda di singole cellule ma come un individuo multicellulare".

In questo lavoro, i ricercatori hanno mostrato come il lievito fiocco di neve ha mosso i primi passi in quella direzione sviluppando corpi multicellulari più resistenti che hanno sostenuto la crescita. Il processo è stato guidato principalmente da forze fisiche, poiché i semplici fiocchi di neve non avevano meccanismi biologici interni complessi che fossero in grado di essere i principali motori.

"Questo è uno straordinario esempio di adattamento multicellulare attorno ai vincoli fisici ben prima dell'evoluzione di un programma di sviluppo cellulare, " ha detto Yunker.

Come funziona questa evoluzione attraverso lo stress fisico?

"I fiocchi di neve di lievito sono cresciuti aggiungendo cellule da un capo all'altro per formare rami simili a quelli di un cespuglio, " disse Yunker. "Ma i rami si sono affollati l'un l'altro, e le sollecitazioni che ne derivano hanno fatto rompere alcuni».

La rottura ha ridotto le dimensioni dei singoli fiocchi di neve di lievito, ma dopo più generazioni, i fiocchi di neve si sono evoluti per ridurre l'affollamento dei rami allungando le sue singole cellule.

Di conseguenza, i fiocchi di neve complessivi erano meno stressati e potevano diventare più grandi e robusti.

Inoltre, I ricercatori della Georgia Tech hanno scoperto che la fisica ha fatto sì che i fiocchi di neve facessero fondamentalmente dei bambini. Nello specifico, i pezzi che si sono staccati sono diventati propaguli che sono cresciuti in fiocchi di neve propri.

Questa riproduzione è stata creata dalla forza fisica e non da un programma biologico. Ratcliff ha pubblicato uno studio separato sull'aspetto della riproduzione il 23 ottobre, 2017, nel diario Transazioni filosofiche della Royal Society B .

"La fisica fa molto per la multicellularità, " Ha detto Ratcliff. "Gli dà anche un ciclo di vita." Il ciclo di vita si riferisce alla nascita, crescita, riproduzione, e morte.

"Si sta formando un consenso affinché qualcosa si evolva davvero verso la multicellularità, molto presto, deve svilupparsi un ciclo di vita multicellulare”.

In che modo gli esperimenti hanno selezionato questi adattamenti specifici?

Ratcliff e Yunker hanno semplificato l'evoluzione in laboratorio creando un regime di selezione coerente in cui far evolvere i fiocchi di neve di lievito. In questo caso, hanno selezionato per i fiocchi di neve che erano i migliori ad affondare.

I fiocchi di neve che affondavano meglio erano più pesanti, perché sono cresciuti più grandi degli altri nel modo sopra descritto, dando loro più massa. "I grappoli che si sono evoluti per diventare più grandi erano quindi anche più pesanti, " disse Ratcliff.

Questa configurazione di selezione sperimentale si addiceva all'evoluzione naturale, che doveva anche selezionare le dimensioni per arrivare a corpi multicellulari complessi, che sono molto, molto più grande delle singole celle.

La mutazione dei rami è genetica. La fisica è davvero così importante qui?

Esatto:mutazioni genetiche casuali hanno portato al meglio, rami più lunghi in alcuni fiocchi di neve di lievito dando loro un vantaggio di peso cumulativo.

Ma la propagazione delle mutazioni superiori dei fiocchi di neve era il risultato di stress fisici che non rompevano i fiocchi di neve finché non erano diventati più grandi.

I pezzi che alla fine si sono staccati, dovuto puramente alla forza fisica, erano i propaguli. Alcuni di loro hanno portato avanti mutazioni che hanno reso i nuovi fiocchi di neve ancora più bravi ad affondare.

E questo è stato un passo fondamentale nell'evoluzione multicellulare.

Come è stato corroborato lo stress come causa della rottura dei fiocchi di neve?

I ricercatori hanno messo alla prova le proprietà dei materiali dei fiocchi di neve al microscopio a forza atomica. "Abbiamo schiacciato gli ammassi e misurato quanta forza ed energia era necessaria per romperli, " ha detto Yunker.

"La misurazione fisica indicava da vicino la dimensione che i grappoli avrebbero raggiunto prima di rompere un ramo a causa dello stress, " disse Ratcliff.