Mari tranziții evolutive: apariția vieții pluricelulare

publicat de Florin Mitrea
109 vizualizări
Evoluția vieții (ilustrație)

În urmă cu circa 600 de milioane de ani, viața a trecut de la forme unicelulare la forme pluricelulare, dând naștere unei schimbări de paradigmă în privința definiției vieții pe Pământ. Acesta a fost un eveniment atât de remarcabil în istoria planetei noastre, încât a pregătit scena pentru apariția organismelor complexe, de la spongieri (bureți) la corpul uman.

Aceste forme de viață complexe au căpătat apoi funcții biologice care le-au permis să îndeplinească roluri mult dincolo de capacitatea celulelor individuale, de la lovirea a două pietre pentru a genera scâteia care să aprindă focul până la inventarea internetului și trimiterea de sonde spațiale în cele mai îndepărtate colțuri ale universului.

Însă rămân o serie de întrebări cu privire la motivele pentru care a avut loc această evoluție: Care ar fi fost beneficiile primitive de a fi pluricelular? Cum a reușit evoluția să facă o selecție din vasta biodiversitate găzduită de Pământ? Care sunt principiile de bază din spatele trecerii de la un organism unicelular la unul pluricelular?

Oamenii de știință din toată lumea deja au început să caute răspunsurile la toate aceste întrebări. Combinând biologia, fizica și matematica, cercetătorii au descoperit o serie de posibilități despre modul în care viața pluricelulară ar fi putut evolua și ar fi putut fi menținută în decursul milioanelor de ani.

De ce să studiem evoluția vieții pluricelulare?

Corpul uman funcționează ca urmare a unei rețele complexe de interacțiuni. Celulele noastre comunică una cu cealaltă, dar și cu microorganismele (microbii) care trăiesc în organismul nostru.

Atunci când oaspeți neinvitați precum SARS-CoV-2 pătrund și atacă țesătura care ține toate celulele noastre împreună, sistemul imunitar întră în acțiune pentru a le apăra. Pandemia de COVID-19 a expus fragilitatea corpului uman, ducând la pierdera a circa 5 milioane de vieți, în ciuda tehnologiei și medicinei moderne.

Așadar, înțelegerea mai profundă a modului în care interacțiunile celulare mențin organismele complexe nu este doar o întrebare elementară de biologie, pentru mințile însetate de aflarea originilor vieții, ci ar putea ajuta științele biomedicale în privința mecanismelor care mențin organismele pluricelulare și a perturbărilor care declanșează bolile.

Un alt exemplu proeminent în acest context este cancerul: o afecțiune în care celulele canceroase ”înșelătoare” prioritizează propria proliferare și creștere în detrimentul structurii sociale a organismului uman. În sens larg, carcinogeneza poate fi considerată ca o inversare (sau dereglare) a ordinii și cooperării care caracterizează starea pluricelulară.

Cum studiem evoluția vieții pluricelulare?

Înregistrările fosile constituie un instantaneu excelent al istoriei noastre evolutive, dar, din păcate, ele nu elucidează mecanismele care ar fi putut juca un rol. Drept urmare, rămânem dependenți de experiemente și gândirea ingenioasă pentru a reconstitui astfel de evenimente evolutive.

În prezent există două căi care să ne ducă aproape de obținerea unor răspunsuri: i) descoperirea și studierea unor organisme unicelulare aflate într-un proces de formare a unor structuri pluricelulare și ii) utilizarea evoluției artificiale și biologiei sintetice pentru a produce structuri pluricelulare pornind de la organisme unicelulare.

Ce scenarii ar fi putut determina selecția organismelor pluricelulare?

În timp ce oamenii de știință au propus numeroase presupuse presiuni de selecție care ar fi putut da naștere evoluției vieții pluricelulare, ne vom concentra doar pe trei scenarii convingătoare: i) schimbul de resurse, ii) protecția împotriva stresului și iii) diviziunea muncii (ilustrația de mai jos).

Scenarii viața pluricelulară

Trei scenarii privind apariția vieții pluricelulare: i) schimbul de resurse; ii) protecția împotriva stresului; iii) diviziunea muncii. | Ilustrație: CORENA LOEB (CC BY-NC-SA 4.0)

i) Schimbul de resurse. Celulele sunt remarcabil de eficiente în realizarea unui spectru larg de compuși chimici pornind de la molecule simple, cum sunt glucoza sau dioxidul de carbon. Acești compuși pot varia de la etanolul din băuturile alcoolice până la antibiotice.

Totuși, pentru ca o singură celulă să producă mai multe lucruri ar putea deveni o responsabilitate prea mare. Drept urmare, este posibil ca două celule să fi ajuns la o așa-numită ”înțelegere” pentru a face schimb de compuși metabolici în anumite proporții – ceva asemănător cu sistemul barter din anii 1800.

Această pereche de celule ar fi întrecut în competiție orice alte celule care ar fi încercat să producă toate bunurile ele însele.

Acesta este un bun exemplu al modului în care cooperarea intercelulară ar fi putut conduce la angajamentul lor evolutiv de a rămâne împreună, ducând în cele din urmă la caracteristici pluricelulare.

ii) Protecția împotriva stresului. Creaturile pluricelulare de astăzi, așa cum suntem noi,  ar putea citi acest articol de pe o canapea confortabilă, însă mediul înconjurător nu a fost la fel de atent cu strămoșii noștri unicelulari preistorici. Din perspectiva unui organism unicelular, lumea este un loc chinuitor, unde există potențialul de a fi expus la o salinitate ridicată, compuși toxici scurși din roci sau ani de înfometare urmați de scurte perioade de abundeță în nutrimente.

Una dintre strategiile de a depăși acești factori de stres ar fi putut fi formarea unor grupuri pentru protejarea de chimicalele din exterior. Dacă acest lucru s-a întâmplat de mai multe ori în decursul istoriei evoluției, mecanismele care permiteau celulelor să rămână împreună ar fi putut fi favorizate de selecția naturală.

iii) Diviziunea muncii. În timp ce schimbul de resurse este considerat schimbul de bunuri metabolice între celule, celulele pot îndeplini și roluri diferite în cadrul structurii pluricelulare. De exemplu, celulele bune la înotat (datorită dotării lor cu flageli) ar fi asigurat mișcarea structurii pluricelulare, în timp ce alte celule s-ar fi specializat în înglobarea hranei întâlnite în mediu.

O astfel de diviziune a muncii ar fi furnizat un avantaj structurii pluricelulare prin minimizarea resposabilităților celulelor individuale.

Prin combinarea teoriei și experimentelor, oamenii de știință au putut reconstitui evoluția vieții pluricelulare în laborator, pornind de la microbi unicelulari.

Un exemplu remarcabil în acest sens este drojdia pluricelulară, în mod normal un organism unicelular, dezvoltată în laborator. În mod obișnuit, celulele de drojdie se separă după diviziune și formează entități individuale. Însă mutațiile din rândul acestor căi de separare fac ca celulele să rămână împreună după diviziune, ceea ce le permite să formeze structuri pluricelulare.

În anumite condiții specifice de mediu, aceste grupuri (clustere) prezintă capabilități mai ridicate decât strămoșii lor unicelulari, inlustrând astfel motivația de a fi pluricelular. De exemplu, forțarea celulelor de drojdie să supraviețuiască într-un mediu cu mai puțină hrană dă naștere unor structuri pluricelulare care pot captura nutrimente și pot reduce pierderile din celule.

Studiind mai atent funcționarea corpului, putem observa numeroase exemple în acest sens. De exemplu, prin procesul metabolic cunoscut sub denumirea de Ciclul Cori, celulele hepatice și musculare se alimentează în mod încrucișat cu lactatul și glucoza produse în timpul activității musculare pentru a asigura un flux energetic constant către mușchi.

În mod similar, celulele musculare cardiace (cardiomiocitele) mențin bătăile inimii pentru ca aceasta să asigure aprovizionarea cu nutrimente și hormoni a diferitelor părți ale corpului prin intermediul sângelui, în timp ce neuronii procesează și transmit informații în tot corpul.

În plus, pielea suportă dogoarea soarelui pentru ca celulele de dedesubt să funcționeze corespunzător. Corpul uman este un exemplu remarcabil al diviziunii munci între celule.

Este absolut uluitor să ne imaginăm evoluția organismelor pluricelulare complexe și conștiente din celule singulare, în decursul mileniilor. Evoluția vieții pluricelulare a apărut în cel puțin 25 de ocazii independente și constituie un exemplu remarcabil al superiorității cooperării.

Obținerea unor perspective mai profunde asupra acestor întrebări nu numai că ne va ajuta să înțelegem evoluția bolilor care atacă natura pluricelulară a organismului uman, dar și să tragem concluzii în privința principiilor care guvernează natura. Este posibil ca, într-un viitor nu prea îndepărat, să putem folosi biologia sintetică pentru a ne proiecta organisme pluricelulare care pot capta dioxidul de carbon, pot produce combustibili sau pot curăța oceanul, dar și pentru a construi computere biologice care să depășească sistemele pe bază de siliciu utilizate în prezent în medicină.

Sursa: Science in the News – Universitatea Harvard.

Din aceeași categorie

© 2022  Florin Mitrea – WordPress Theme Designed and Developed by PenciDesign

Acest site folosește cookies pentru a îmbunătăți experiența de navigare. Acceptă Detalii