수십억 년 동안, 단일 셀로 된 생물은 지구를 스스로하여 독방의 행복으로 바다를 떠 다니고있었습니다. 일부 미생물은 다세포 배열을 시도하여 작은 시트 또는 세포의 필라멘트를 형성했습니다. 그러나이 벤처는 막 다른 골목을 쳤다. 단일 세포는 지구를 지배했다.
그런 다음 미생물이 나타난 후 30 억 년이 넘었습니다. 삶이 더 복잡해졌습니다. 세포는 새로운 3 차원 구조로 조직되었습니다. 그들은 삶의 노동을 나누기 시작했고, 일부 조직은 주위를 돌아 다니는 것을 담당하고 다른 조직은 식사와 소화를 관리했습니다. 그들은 세포가 자원을 전달하고 공유 할 수있는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 복잡한 다세포 생물은 최초의 동물이었으며 큰 성공을 거두었습니다. 그 후 약 5 억 5 천만 년 전, 동물 생명체는 캄브리아기 폭발로 알려진 형태의 만화경으로 다각화했습니다. 모든 동물 신체 계획에 대한 프로토 타입은 바다 달팽이에서 불가사리, 곤충에서 갑각류에 이르기까지 빠르게 나타났습니다. 그 이후로 살았던 모든 동물은이 기간 동안 나타난 주제 중 하나에 대한 변형이었습니다.
삶이 어떻게 단세포 단순성에서 다세포 복잡성 으로이 화려한 도약을 어떻게 만들었습니까? Nicole King은 생물학 분야에서 경력을 시작한 이래로이 질문에 매료되었습니다. 화석은 분명한 대답을 제공하지 않습니다. 분자 데이터는 모든 동물의 조상 인“Umetazoan”이 처음 6 억에서 8 억 년 전에 처음 등장했지만 동물 몸의 첫 번째 명백한 화석은 5 억 5 천만 년 전까지 나타나지 않습니다. 그래서 왕은 신체 유형과 유전자가 동물 가계도의 기저 바로 옆에 놓는 미세한 수생 생물 인 Choanoflagellates로 향했습니다. King은“Choanoflagellates는 동물의 기원을보고 있다면 유기체를 분명히 생각합니다. 단일 세포 또는 다세포 식민지로 살 수있는이 유기체에서, 그녀는 동물의 생명을 시작하는 데 필요한 분자 툴킷의 대부분을 발견했습니다. 그리고 놀랍게도, 그녀는 박테리아 가이 새로운 시대에 안내하는 데 중요한 역할을했을지도 모른다는 것을 알았습니다.
9 월에 생물학에서 특별한 양의 콜드 스프링 하버 관점에 발표 될 긴 논문에서, King은 동물의 삶의 발달에 박테리아의 영향을위한 사례를 제시합니다. 우선, 박테리아는 고대 조상을 공급했으며, 이는 최고의 박테리아 먹이를 인식하고 그들을 포착하고 engling하기위한 시스템을 개발해야했을 것입니다. 이 모든 메커니즘은 첫 번째 동물의 다세포 수명에 맞게 용도 변경되었습니다. King 's Review는 박테리아를 동물 생활 이야기의 중심에 놓는 광범위한 연구에 합류합니다. 버클리 캘리포니아 대학교 (University of California, Berkeley)의 진화론 생물 학자이자 하워드 휴즈 의료 연구소 (Howard Hughes Medical Institute)의 수사관 인 킹은“우리는 6 억 년 전에 박테리아와 친밀하게 상호 작용해야한다”고 말했다. “그들은 먼저 여기에 있었고 풍부하고 지배적입니다. 돌이켜 보면 우리는 이것을 기대했을 것입니다.”
다세포 동기
우리는 당연한 동물의 부상을 입는 경향이 있지만, 수십억 년 동안의 단세포 유기체의 성공을 감안할 때 왜 그들이 왜 나왔는지 물어 보는 것이 합리적입니다. 마노아 하와이 대학의 생물학 교수 인 마이클 하드 필드 (Michael Hadfield)는“지난 35 억 년 동안 박테리아가 주변에 있고 풍부 해졌다”고 말했다. “동물은 7 억 또는 8 억년 전까지는 나타나지 않았습니다.”
다세포의 기술적 요구는 중요합니다. 함께 사는 셀에는 완전히 새로운 도구 세트가 필요합니다. 그들은 함께 붙잡고 의사 소통하고 산소와 음식을 공유하는 방법을 생각해 내야합니다. 그들은 또한 마스터 개발 프로그램, 신체의 다른 부분에서 특수한 직업을 취하도록 지시하는 방법입니다.
그럼에도 불구하고, 진화 과정에서, 다세포로의 전환은 조류에서 식물, 곰팡이에 이르기까지 계보에서 20 번 정도의 다른 시간에 개별적으로 일어났다. 그러나 동물은 처음으로 복잡한 몸을 개발 한 최초의 사람이었으며, 초기 다세포 성공의 가장 극적인 예로 떠났습니다.
이것이 왜 그렇게 일어 났는지 이해하기 위해, King은 거의 15 년 전 Madison의 위스콘신 대학교에서 박사 학위로 동물에 비해 가장 가까운 생활 인 Choanoflagellates를 연구하기 시작했습니다. Choanoflagellates는 생물의 가장 카리스마가 아니며, 물을 통해 유기체를 추진하고 먹을 수있는 단일 도로의 편모가 장착 된 타원형 구동으로 구성됩니다. 앞뒤로 스래지는 꼬리는 세포막의 얇은 가닥의 단단하고 칼라 같은 프린지를 가로 질러 전류를 유도합니다. 박테리아는 전류에 갇히고 칼라를 고수하고 Choano가 그들을 휩쓸 었습니다.
Choanoflagellates에 대해 King을 흥미롭게 한 것은 그들의 라이프 스타일 유연성이었습니다. 많은 사람들이 단일 세포로 살고 있지만 일부는 작은 다세포 콜로니를 형성 할 수 있습니다. 해안 강어귀에 사는 Salpingoeca Rosetta 종에서, 세포는 분열을 준비하지만 분리되지 않는 멈추고 두 개의 딸 세포가 얇은 필라멘트로 연결되어 있습니다. 이 공정은 반복되어 실험실에서 50 개의 세포를 함유 한 로제트 또는 구체를 만듭니다. 이 모든 것이 친숙하게 들리면 그 이유가 있습니다. 동물 배아는 접합체에서 거의 같은 방식으로 발달하고 구형 Choanoflagellate 식민지는 초기 단계 동물 배아처럼 모호하게 보입니다.
.King이 S. Rosetta를 공부하기 시작했을 때, 그녀는 세포가 실험실에서 일관되게 식민지를 형성 할 수 없었습니다. 그러나 2006 년에 한 학생이 해결책을 우연히 발견했습니다. 게놈 시퀀싱을 준비하기 위해, 그는 항생제로 문화를 뿌렸고 갑자기 풍부한 장미로 피었습니다. 원래 시편과 함께 수집 된 박테리아가 단일 Choanoflagellates의 실험실 배양에 다시 첨가되었을 때, 그들은 식민지를 형성했습니다. 이 현상에 대한 설명은 학생의 항생제 치료가 실수로 한 종의 박테리아를 죽여서 반등을 일으킬 수 있다는 것입니다. 콜로니 형성의 방아쇠는 S. Rosetta가 먹는 이전에 알려지지 않은 종의 Algoriphagus 박테리아에 의해 생산 된 화합물이었다.
S. Rosetta는 화합물을 그룹 생활에 유리하다는 것을 나타내는 것으로 해석하는 것 같습니다. 왕은 모든 동물의 마지막 공통 조상이 다세포를 향한 운명적인 여정을 시작했을 때 6 억 년 전에 비슷한 일이 일어날 수 있다고 가정합니다. King은“제 의심은 동물의 선구자가 다세포가 될 수 있었지만 환경 조건에 따라 앞뒤로 전환 할 수 있다는 것입니다. 나중에, 다세포 성은 발달 프로그램으로서 유전자에 고정되었다.
대부분의 현대 생물 학자들이 간과 한이 겸손한 유기체를 연구하는 데있어 킹의 끈기는 그녀의 많은 동료 과학자들 (그리고 유명한 맥아더 친교)의 존경을 얻었습니다. Pasadena의 California Institute of Technology의 생물 학자 인 Dianne Newman은“그녀는 전략적으로 초기 동물 진화에 대한 통찰력을 얻고 체계적으로 연구했습니다. King 's Research는 과거에 대한 스릴 넘치는 엿볼 수 있습니다. 첫 번째 화석화 된 동물이 나타나기 전에 그 신비한시기에 일어나고있는 일에 대한 드문 창입니다. 이 연구는 박테리아가 가장 간단한 형태의 복잡한 삶을 어떻게 형성하는지에 대한“아름다운 예”라고 Newman은 말했다. "그것은 우리에게 그 수준의 동물 발달에서도 미생물 세계에서 유발을 기대할 수 있음을 상기시켜줍니다." S. Rosetta의 박테리아 시스템은 이제 다세포의 이점이 무엇인지와 같은보다 구체적인 질문에 대답하는 데 사용될 수 있습니다. 킹과 버클리의 그녀의 공동 작업자가 대답하기 위해 노력하고 있습니다.
.물론 박테리아가 현대의 Choanoflagellates를 그룹 생활로 유발한다고해서 첫 번째 프로토 애니메스에 동일한 영향을 미친 것은 아닙니다. 킹의 발견은“정말 멋지다”고 애틀랜타의 조지아 기술 연구소 (Georgia Institute of Technology)의 생물 학자 인 윌리엄 래트 클리프 (William Ratcliff)는 효모가 다세포 식민지를 형성하도록 유도했다. "그녀는 동물의 기원에서 가장 흥미로운 연구를하고 있다고 생각합니다." 그러나 그는 Choanoflagellates가 동물의 첫 번째 조상이 된 생물과 분기 된 후 오랫동안이 메커니즘을 진화시킬 가능성이 있다고 경고합니다. “우리는 박테리아 반응이 언제 진화했는지 명확한 그림이 없습니다.”라고 그는 설명했습니다. "Choanoflagellates와 동물 사이의 분할 전에 또는 그 이후에 어떤 일이 일어 났는지 알기가 어렵습니다."
.King은“박테리아가 동물 기원에 중요한 영향을 미친다는 가설을 세울 수있는 충분한 증거가 있다고 생각합니다. 그들은 풍부하고 다양하며 다양한 동물 혈통과 비 분석 계통에 중요한 신호 영향을 발휘합니다. "하지만 그 영향의 본질이 무엇인지 말하는 것은 시기상조라고 생각합니다."
박테리아가 다세포로의 고대 전환이 오늘날 가장 단순한 동물 중 다수가 미생물 메시지에 의해 통제된다는 강력한 힌트 중 하나는 강력한 힌트입니다. 산호, 바다 분출, 스폰지 및 튜브 벌레는 모두 물에 떠 다니는 유충으로 생명을 시작하며, 다른 연구팀은 박테리아에 의해 방출 된 화합물에 바위 또는 다른 표면에 자신을 부착하고 새로운 생명체로 전환하는 신호로 반응하는 것으로 나타났습니다. 이런 종류의 관계가 가장 오래된 가족의 동물들 사이에서 매우 흔한 경우, 첫 번째 동물이 박테리아 이웃들에게 똑같이 적합한 것이 그럴듯 해 보입니다. 박테리아가 어떻게이 반응을 유발하는지 정확히 알아내는 것이 오래 전에 비슷한 역할을 수행했는지 명확히하는 데 도움이 될 것입니다. 킹은“처음 공부를 시작했을 때 그것은 나에게 급진적 인 생각이었고 지금은 왜 놀라운 지 모르겠다”고 말했다. "호스트-마이크로브 상호 작용에 대해 더 많이 생각할수록 덜 놀랐습니다."
.Choanoflagellates의 생물학은 다른 예상치 못한 방식으로 동물의 생물학과 비슷하다고 King은 밝혔다. 2008 년에 그녀는 식민지를 형성하지 않는 Choanoflagellate 인 Monosiga Brevicollis의 게놈을 출판 한 팀을 이끌었습니다. 이 서열은 다세포 동물에도 나타나는 수십 개의 단백질 섹션에 대한 유전자를 나타냈다. 그들은 단일 세포에서 무엇을하고 있습니까? King의 연구에 따르면 환경 조건을 모니터링하고 박테리아 먹이와 같은 다른 세포를 인식하기 위해 단일 세포 유기체에서 발생했다고 제안합니다. 다세포 동물에서, 유전자 도메인은 세포가 서로 신호를 보낼 수있게하는 것과 같은 새로운 목적을 발견했다. 단일 셀은 이러한 도구를 사용하여 환경에서 듣습니다. 나중에, 다세포 라이프 스타일을 채택한 최초의 세포는 아마도 동일한 시스템을 자매 세포에주의를 기울이기 위해 동일한 시스템을 용도 변경했을 것이라고 King은 제안했다.
.Choanoflagellates에 대한 King의 발견은 박테리아와 동물 (또는이 경우 동물과 같은 유기체) 사이의 친밀한 관계에 대한 최신 통찰력 중 하나 일뿐입니다. 역사적으로 광합성 박테리아는 수십억 년 동안 산소를 바다로 펌핑하여 복잡한 다세포 수명을위한 무대를 설정했습니다. 그리고 20 세기에 제안되었고 현재 널리 받아 들여진 내생화 이론에 따르면, 모든 진핵 세포 내부의 미토콘드리아는 한때 자유로운 생명 박테리아였다. 어느 시점에서 10 억 년 전, 그들은 오늘날까지 거의 모든 동물 세포에서 견딜 수있는 공생 관계로 다른 세포 내부에 거주했습니다. 저녁 식사로서의 역할에서 박테리아는 또한 첫 번째 동물에 대한 생 유전자 물질을 제공했을 가능성이 높으며, 아마도 식사를 소화 할 때 미생물 DNA 덩어리를 자신의 게놈에 직접 통합했을 것입니다.
.그러나 미생물-동물 관계에 대한 전체 이야기는 더 넓고 더 깊어서 매디슨 위스콘신 대학교의 생물 학자 인 마가렛 맥 폴 앤 가이 (Margaret McFall-Ngai)는 말하기 시작한 이야기라고 주장합니다. 그녀의 견해로는 동물들은 숙주 마이크로 생태계로 간주되어야한다. 몇 년 전 McFal-Ngai는 Hadfield와 함께 King을 포함한 광범위한 발달 생물 학자, 생태 학자, 환경 생물 학자 및 생리 학자들을 소집하여 미생물 선언 (미생물 선언)을 공식화 해달라고 요청했습니다. 작년 말 국립 과학 아카데미 (National Academy of Sciences)의 절차에 실린이 논문은 생물학의 여러 구석에서 동물의 기원, 진화 및 기능에 미생물의 영향이 동물의 삶이 어떻게 진화했는지 이해하는 데 필수적이라고 주장하기 위해 생물학의 많은 구석에서 증거를 인용합니다. Hadfield는“그들은 박테리아로 포화 된 세상에서 진화했습니다.
동물 박테리아 관계의 폭과 중요성은 스폰지와 같은 소수의 고대 수생 생물의 발달을 훨씬 뛰어 넘습니다. McFall-Ngai의 자체 연구에 따르면 박테리아는 오징어의 장기 발달에 필요합니다. 다른 사람들은 동물 면역 체계의 성숙, 얼룩말 물고기와 생쥐의 내장, 심지어 포유류 뇌를 형성하는 비슷한 파트너십을 발견했습니다. 마찬가지로, 박테리아는 흰개미에서 인간에 이르는 생물의 소화 시스템에서 필수 파트너입니다. 미생물의 영향은 우리의 게놈에도 새겨 져 있습니다. 인간 유전자의 3 분의 1 이상이 박테리아에서 기원합니다. McFall-Ngai는 이러한 새로운 발견과 다른 새로운 발견이 곧 우리의 삶에 대한 우리의 이해를 기본적으로 바꿀 것입니다.“생물학은 혁명에 있습니다.”
.결국, 아마도 동물이 실제로 그다지 특별한 것은 아닙니다. 결국, 그들은 미생물 친구 없이는 아무것도 아닙니다. 그리고 King의 연구에서 알 수 있듯이, 동물들이하는 일이 많은 것들이 흥미롭게 만드는 것처럼 보입니다. 그녀에게, 그것은 어느 쪽이든 감소하지 않습니다. "나는 Choanoflagellates를 좋아한다"고 그녀는 말했다. “그들은 매우 매력적입니다. 나는 그들이 동물과 같은 일을 많이하고 있으며, 생물학과 동물의 세포 생물학 사이의 유사점을 볼 수 있습니다. 몇 시간 동안 그들을 볼 수있었습니다.”
2014 년 7 월 29 일에 수정 : 이 기사의 이전 버전은“동물은 70 만 또는 800,000 년 전까지는 결코 나타나지 않았다”고 잘못 언급했다. 올바른 수치는 7 억에서 8 억년 전입니다.
