¿Por qué un organismo unicelular evolucionaría para ser pluricelular?

¿Cómo evolucionó la pluricelularidad?

Es un campo de investigación en curso - Algunas ideas sobre el origen de la multicelularidad

Este es un gran campo de investigación en curso. Para empezar con un ejemplo, hace relativamente poco tiempo (2012) apareció un importante artículo de Ratcliff et al.eso muestra que la levadura puede evolucionar rápidamente a la multicelularidad bajo la selección de la velocidad a la que se hunden en las capas inferiores del agua. Este artículo es uno entre muchos otros y está lejos de poder explicar todo lo que nos gustaría entender sobre la evolución de la pluricelularidad. Por lo general, creo que esta especie de levadura tenía un ancestro multicelular y podríamos pensar que esta especie ya tendría alelos fijos (= variantes de genes que son fijos, lo que significa que toda la población porta esta variante hoy) en la población que predispone a esta especie a fácilmente (re-)evolucionar la multicelularidad. Además, es posible que hayan mantenido alguna variación genética aditiva permanente en su genoma del pasado y, por lo tanto, responderían muy rápidamente a la selección, ya que no necesitan mutaciones de novo. (Lo siento si esta última oración fue un poco técnica).

Uno de los primeros rasgos a los que solemos referirnos cuando hablamos de la evolución de la multicelularidad es la presencia de proteínas pegajosas que permiten que las células individuales se peguen entre sí.

Algunas ideas sobre la evolución de un multicelular simple a un multicelular más complejo

Entonces, podríamos hablar de multicelulares más complejos y argumentar cómo estos simples multicelulares evolucionan hacia organismos más complejos. Un argumento común es que las células multicelulares pueden tener células especializadas que pueden hacer lo que hacen porque están especializadas. Además, se cree que ha aumentado cierto nivel de complejidad debido al hecho de que los organismos multicelulares tienden a tener un tamaño de población más pequeño que los unicelulares (ver Lynch y Conery, 2003 ). Es importante no confundir la evolución de la complejidad con la evolución de la multicelularidad, aunque estas dos nociones están relacionadas de alguna manera.

¿A qué te refieres con pluricelularidad?

La evolución de la multicelularidad se puede analizar en el contexto en el que las células hermanas forman juntas un organismo o cuando las células no relacionadas (entre la misma especie o incluso células de diferentes especies) se unen para formar un organismo. Además, la multicelularidad se puede discutir en un nivel diferente dependiendo de cómo queramos definir la multicelularidad. ¿Es una pila de células que se reproducen individualmente, trabajando para su propio beneficio, un multicelular? ¿Necesitamos una división del trabajo? ¿Necesitamos una división entre línea germinal (casta reproductiva) y línea soma (caso no reproductivo)?

¿Cuántas veces evolucionó la pluricelularidad de forma independiente?

Algunas personas consideran que existen bacterias multicelulares (biopelículas), pero evitaremos discusiones que se basen en definiciones de casos límite. Hablemos de eucariotas. La mayoría de los eucariotas son unicelulares y la multicelularidad evolucionó muchas veces de forma independiente en los eucariotas. Sin embargo, que yo sepa, la multicelularidad compleja evolucionó solo (¿solo?) 6 veces de forma independiente en eucariotas.

• Metazoos (animales)
• Ascomyceta (hongos)
• Basidiomicetos (hongos)
• Viridiplantae (plantas verdes)
• Florideophyceae (algas rojas)
• Laminariales (algas pardas)

Organismos modelo y casos interesantes para estudiar la multicelularidad

Hay un montón de clados específicos que están particularmente interesados ​​en estudiar la multicelularidad porque presentan estados de transición. Por ejemplo , Volvox es un género de clorofitas y las especies de este clado presentan diferentes etapas de multicelularidad; Algunas especies son exclusivamente multicelulares, algunas forman pequeños grupos, algunas crean grandes colonias, algunas tienen alguna división del trabajo y algunas incluso tienen separación entre la línea germinal y el soma (Algunas castas no se reproducen). ( ref1 , ref2 , ref3 , ref4 , ref5 , ref6 ). Las levaduras también son un buen organismo modelo para estudiar la evolución de la multicelularidad.

Por un lado, los organismos más grandes son mucho más eficientes energéticamente. Esto es lo que se conoce como la Ley de Kleiber, donde el requerimiento calórico escala como la potencia de 3/4 de la masa corporal.

Otra cosa es que cuando todas las células cooperan para formar un organismo multicelular, es más probable que cada individuo dado se reproduzca y menos probable que muera debido a la variación ambiental porque la cooperación crea estabilidad.

Hay varias teorías sobre cómo sucedió esto , pero esos son los elementos del porqué . La colaboración y la eficiencia mejoran las posibilidades de supervivencia, lo que quiere decir que la selección favorecerá a los organismos multicelulares sin importar cómo hayan llegado a ser.

Descargo de responsabilidad: no es mi campo de investigación, y no es un campo en el que conozca bien la literatura. Véalo como un complemento de las otras respuestas.

Una clara ventaja de la multicelularidad son las funciones especializadas de diferentes células. Esto puede permitir una mayor eficiencia de, por ejemplo, los procesos metabólicos, y también que las funciones redundantes puedan eliminarse de algunas líneas celulares, ya que pueden ser manejadas por otras células. Por lo tanto, las partes constituyentes pueden volverse más simples, mientras que el organismo resultante se vuelve más complejo al mismo tiempo. El modelado matemático de los sistemas celulares ha demostrado cómo este tipo de división del trabajo puede evolucionar desde líneas unicelulares ( Ispolatov et al. 2011 ), a través de los pasos de agregación y diferenciación de funciones preexistentes.

Un paso intermedio interesante que puede proporcionar algunas pistas sobre cómo puede evolucionar la multicelularidad es en las cianobacterias, donde algunas especies unicelulares pueden mostrar una especialización parcial, por ejemplo, cuando forman parte de biopelículas celulares. Un estudio filogenético de las cianobacterias también ha demostrado que han pasado de ser multicelulares a unicelulares al menos cinco veces, y la mayoría de las cianobacterias existentes parecen descender de ancestros multicelulares ( Schirmeister et al. 2011 ). Esto significa que la evolución de la multicelularidad no es un proceso unidireccional, sino que parece ser un proceso mucho más complejo.

RECOMIENDO ENCARECIDAMENTE leer el trabajo del laboratorio de Nicole King: ella estudia los coanoflagelados, que son el "grupo externo" de los animales; son, en cierto sentido, el organismo unicelular más parecido a un animal que existe.

Los caos también son sorprendentes porque pasan por una transición de unicelular a multicelular en su propio ciclo de vida , por lo que brindan una oportunidad increíble para comprender cuándo es más beneficioso ser unicelular o multicelular. Actualmente, una de las hipótesis de trabajo del grupo es que uno de los principales impulsores del impulso hacia la multicelularidad puede haber sido simplemente la dinámica de fluidos: los flujos alrededor de una "roseta" multicelular esférica de caos les traen más comida.

Si está interesado en la transición evolutiva a la multicelularidad, debe leer el trabajo del King Group .

Si las células individuales son capaces de sobrevivir por sí mismas, ¿por qué evolucionó la multicelularidad?

Esta situación se puede comparar con la evolución de la familia y la sociedad, en cierto modo; durante el tiempo de crisis, las posibilidades de supervivencia aumentan cuando alguien permanece en un grupo.

Condiciones similares habrían resultado en la evolución de la multicelularidad. La diferencia entre ser verdaderamente multicelular y ser simplemente un grupo de células es que en la multicelularidad, las células individuales no pueden sobrevivir en ausencia de las demás. Además, diferentes células en un organismo multicelular realizan diferentes tipos de funciones. Sin embargo, es ciertamente probable que el agrupamiento sin una fuerte dependencia hubiera constituido las primeras etapas en la evolución de la pluricelularidad.

Uno de los tipos complejos de colonias microbianas es el biofilm . En una biopelícula, diferentes "regiones" de la colonia tienen diferentes tipos de funciones funcionales; las células "externas" absorben los nutrientes de los alrededores para la colonia, mientras que las células internas se reproducen y mantienen la colonia próspera. Las bacterias también han desarrollado una forma de enviar señales (o "hablar") a otras bacterias (de la misma especie) mediante un mecanismo conocido como detección de quórum , que en cierto modo cambia el comportamiento de las bacterias cuando permanecen en un grupo.

Dictyostelium o moho mucilaginoso (o cariñosamente llamado dicty:) ) es un ejemplo de evolución temprana de multicelularidad en eucariotas. Cuando hay mucha comida, dicty se queda como una ameba unicelular. Sin embargo, cuando hay escasez de alimentos, las amebas dicty comienzan a agruparse y dan lugar a una "babosa" multicelular. La babosa dicty deambula y cuando encuentra las condiciones adecuadas (como la humedad), se diferencia para dar lugar a un "cuerpo fructífero", que más o menos se parece a una espora de hongos. En un cuerpo fructífero, algunas células forman las esporas (que producirán nuevos dictámenes), mientras que algunas células forman el tallo (que sostiene las esporas). Aparentemente, la elección de en qué parte se convertirá una célula es aleatoria y, en esta etapa, las amebas dicty individuales ya no son egoístas.

                 

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^{Tomado de Wikipedia}

Volvox es otro ejemplo de una etapa temprana de evolución multicelular.

En resumen, como dijiste, las células individuales pueden sobrevivir muy bien por sí mismas. Sin embargo, en algunas situaciones, ser multicelular le habría dado al organismo algunas ventajas de supervivencia. Debe comprender que esta es solo una de las estrategias de supervivencia y que no todos los organismos necesitan adoptarla. De hecho, hay muchas más especies unicelulares en el planeta en comparación con las pluricelulares.

Reiteraría la sugerencia de Remi de que debería echar un vistazo a este sitio llamado Comprensión de la evolución, alojado por UC Berkeley .

También puede consultar esta publicación en nuestro sitio sobre una duda recurrente que enfrentan muchos estudiantes y no expertos en el área de la evolución: " ¿Por qué algunos rasgos malos evolucionan y los buenos no? "

Por la misma razón que la sociabilidad evolucionó tantas veces entre los animales. Hay muchas ventajas en tener compañeros similares. Y los organismos multicelulares son, después de todo, solo una colonia, a veces una sociedad, de células individuales.

El eucariota que se convirtió en el orgánulo mitocondrial moderno, combinado con procariotas. Esto probablemente ocurrió como resultado de que la célula madre absorbió las mitocondrias, pero no las destruyó, ya que creó moléculas de ATP ricas en energía utilizando oxígeno y agua a través de la respiración.

Estas fueron las primeras células eucariotas, luego se convirtieron en vida eucariota, multicelular.

Varios beneficios para los eucariotas que se vuelven multicelulares incluyen:

El volumen del área de superficie de una célula le da a las células un tamaño natural de unos pocos micrómetros. A las células individuales más grandes les resulta cada vez más difícil absorber suficientes nutrientes u oxígeno para el volumen de su citoplasma.

Las amebas pueden ser más grandes debido a que tienen una forma tan irregular, esto asegura que ninguna parte dentro de la célula esté demasiado lejos de la superficie celular. También existen varias formas de vida unicelulares más esféricas a escala de centímetros en partes ricas en nutrientes de las profundidades del océano, como Valonia Ventricosa.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Valonia_ventricosa

Otra ventaja es que se pueden formar estructuras entre las células, fuera de las paredes celulares, que aún pueden protegerse dentro del cuerpo de la criatura. Tal red conectiva en animales llamada matriz extracelular.

https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/cells/cytoskeleton/v/introduction-to-cytoskeleton

Tenga en cuenta que las criaturas como la esponja marina son multicelulares, pero no tienen áreas distintas del cuerpo como órganos de la misma manera que los animales.

"Los genes que discuto en mi artículo no estaban presentes en el ancestro común de toda la vida en la Tierra. No existen en las bacterias, por ejemplo. Ni siquiera existen (hasta donde saben los científicos) en las esponjas. Solo después de los ancestros de cnidarios y bilaterales divergieron de las esponjas emergieron". (Un planeta de virus, Carl Zimmer) Esta es la cita que pude encontrar, según recuerdo, relacionada con el "culturismo" en muchas criaturas, pero no en la esponja marina.