생명의 비밀은 눈송이에서 추구했습니다

1 ~ 20 억 년 전까지, Life on Earth는 단일 세포 생물의 수프로 제한되었습니다. 그런 다음 운명의 날, 외로운 세포는 공동 생활을 위해 고독을 항복했습니다. 그것은 자손을 함께 붙잡는 기회 돌연변이를 개발하여 결국 첫 번째 다세포 수명을 일으켰습니다.

그 간단한 혁신으로 가능성의 세계가 열려 있습니다. 이 새로운 유기체는 너무 커서 먹기에는 너무 커서 매머드 크기로 인해 환경에서 더 많은 음식을 끌어들일 수있었습니다. 가장 중요한 것은 무리 내의 개별 세포가 사냥, 식사 및 방어와 같은 새로운 기능을 수행하기 시작할 수 있습니다. 다세포로의 전환은 너무나 성공적이어서 지구의 진화 역사에서 반복해서 일어났다.

다세포 성은 분명한 장점을 가지고 있습니다. 동물, 식물 및 곰팡이 사이에서 형태와 기능의 메나지를 살펴보십시오. 그러나 과학자들은이 변화가 어떻게 일어 났는지에 대해 오랫동안 당황했습니다. 진정한 다세포 유기체는 단위로서 작용한다. 즉, 각 세포는 개인으로서 살아남을 것이고 더 큰 그룹의 생존을 보장하기 위해 행동해야한다는 것을 의미한다. 투손 아리조나 대학교의 진화론 생물 학자 인 리차드 미코드 (Richard Michod)는“모든 주요 진화론 전환의 문제는 다윈의 단체가 개인 체력을 포기하고 고급 단위의 일부가되는 방법이다.

과학자들은 실험실에서 다세포의 진화를 다시 만들어 프로세스에 대한 통찰력을 얻고 있습니다. 실험 진화로 알려진 접근법을 사용하여 효모, 조류 또는 박테리아와 같은 단일 세포 미생물을 제외하여 멀티셀 형태를 개발했습니다.

Will Ratcliff

비디오 : 눈송이 효모는 딸 덩어리를 방출하여 번식합니다. 대부분의 다세포 유기체와 마찬가지로, 딸 덩어리의 각 구성원은 단일 세포에서 내려갑니다.

시애틀에있는 워싱턴 대학의 생물 학자이자 진화의 주요 전환을 연구하는 연구원 중 한 명인 벤 커 (Ben Kerr)는“[이러한 주요 전환]을 진화의 거대한 도약으로 생각하고 어떤 의미에서는 사실입니다. 그러나 각 전환에는 실제로 일련의 작은 발전이 포함되었습니다. 유기체는 더 큰 전체 내에서 전문적인 일자리를 발전시키고 협력하고, 협력하고, 나누고, 개발하는 효과적인 방법을 진화시켜야했습니다. “우리는 거대한 도약과 반대되는 일을하려고 노력하고 있습니다. 우리는 진화를 위해 하나의 거대한 도약을 이해할 수있는 일련의 작은 단계로 깰 수 있습니다.”

애틀랜타의 조지아 기술 연구소 (Georgia Institute of Technology)의 생물 학자 인 윌리엄 래트 클리프 (William Ratcliff)와 그의 공동 작업자들은 놀랍도록 간단한 다세포로가는 경로를 발견했습니다. 효모의 단일 돌연변이는 딸에게 딸에게 딸을 고수하여 눈송이 같은 모양을 만듭니다. 이 눈송이는 다세포의 주요 함정 중 하나에 영리한 솔루션을 제공하는 방식으로 성장하고 분열합니다. 그리고이 작품이 진정한 다세포 유기체를 생산하지는 않았지만, 눈송이 효모는 인생이 주요 생물학적 변형을 향한 첫 걸음을 내딛는 것이 얼마나 쉬운지를 보여주었습니다.

떨어지는 눈

Ratcliff는 미네소타 대학교에서 대학원생 인 다세포에 대한 탐구를 시작했습니다. Ratcliff에 따르면 Ratcliff와 그의 공동 작업자 Michael Travisano는 일련의 커피 연료 대화를 통해“우리가 할 수있는 가장 멋진 실험”을 브레인 스토밍하기 시작했습니다. 생물학에서 가장 해결되지 않은 가장 큰 문제 (인생이 처음 시작된 방법)를 다루는 것은 조타실에서 너무 멀리 떨어져 있었다고 결심했습니다. 그래서 그들은 준우승에 정착했습니다. 다세포 생물은 어떻게 진화 했습니까? 그 전환을 풀기 위해, 연구자들은 그것을 다시 만들어서 단일 세포 효모를 다세포 유기체로 변환하려고 노력할 것입니다.

Ratcliff와 Travisano는 효모가 다세포가되도록 쉬운 방법을 개발했습니다. 그들은 튜브에서 미생물을 키우고 하루에 한 번 원심 분리기로 회전했습니다. 가장 큰 세포 또는 함께 클러스터링 된 세포는 가장 빠르게 침몰했습니다. 매일, 그들은 가장 빠른 싱커를 선택하여 그 세포들에게 실험의 다른 라운드에 도전했습니다. 24 시간 (약 7 세대 효모)에 걸쳐 세포는 수만 개의 돌연변이를 축적했습니다.

그런 다음 실험에 몇 주 동안 몇 주 동안 몇 튜브의 구성이 갑자기 바뀌 었습니다. 세포는 큰 클러스터를 형성하기 시작했고, 단일 세포의 부드러운 용액은 거친 얼룩으로 변형되었다. 약 2 주 정도의 효모 세대 (약 2 주) 이내에 인구는 거의 전적으로 눈송이 효모로 이동했습니다.

Ratcliff는“저는 곤경에 처했습니다. "이것은 특이하고 빠르며 극적이었습니다." 현미경 하에서 용액을 들여다 보는 것은 단일 세포가 현재 소수라는 것을 밝혀냈다. "우리는 주로이 아름다운 구형 분기를 보았습니다."

전형적인 효모는 각 세대 후에 분열되고 분산되지만 눈송이 세포는 분열 및 고착입니다. 딸 세포는 아기 캥거루처럼 어머니에게 집착합니다. 그런 다음 어머니와 딸들은 계속해서 나누고, 각각은 다른 첨부 된 자손을 생산합니다.

눈송이 효모의 진화는 단순한 세포 덩어리 이상을 만들어 냈습니다. 야생 효모 균주는 때때로 표면에 끈적 끈적한 단백질을 생성하여 세포를 서로 부착하게 만듭니다. 새로 양조 된 맥주에서 제거하기가 더 쉽기 때문에 Floc Yeast로 알려진이 끈적한 형태를 좋아합니다.

그러나 눈송이 효모는 플록과는 상당히 다릅니다. 플록 효모 세포는 분열하고 분리 한 다음 유전자로 다양한 파일로 응축됩니다. 눈송이 효모는 고도로 관련된 덩어리에서 자랍니다. Ratcliff와 다른 사람들은 진정한 다세포를 진화시킬 수있는 응집력있는 단위와 간단한 세포를 구별하는 것이이 차이입니다.

눈송이 효모가 진정으로 다세포로 자격이 있는지 여부는 대답하기 어려운 질문입니다. 단일 세포와 다세포 유기체 사이에는 명확한 분할 선이 없습니다. Ratcliff는 자신이 부유 한 사람, 가난한 사람 문제라고 부르는 것과의 전환을 비유합니다. 만약 당신이 미국의 모든 사람들을 모아서 부에 따라 줄을 섰다면, 가장 부유 한 사람들은 한쪽 끝에, 다른 쪽에서 가장 가난한 사람들이 착륙 할 것입니다. 스펙트럼 의이 극단적 인 끝을 방금 살펴보면 부자와 가난한 사람들의 특성을 쉽게 정의하기가 쉽습니다. 그러나 만약 당신이 사람들의 선을 내려 가면, 부자 그룹이 끝나고 가난한 그룹이 시작된 엄격한 지점을 정의하는 것은 불가능할 것입니다. 이 비유에 의해, 눈송이 효모는 다세포 중산층에 있습니다.

개성의 본질

6 년 전 크리스마스에 Ratcliff는 개성의 본질을 연구하고 개인을 식별하도록 요청한 역사가 동료의 문 아래에 눈송이 효모의 사진을 미끄러 뜨 렸습니다. 눈송이를 구성하는 단일 세포입니까, 또는 눈송이 자체가 있었습니까? 역사가는 다세포 엔티티를 선택하는 혀에 뺨을 가진 눈송이에 산타 모자를 그렸습니다.

Ratcliff는 실제로 매우 복잡한 피상적으로 간단한 질문 중 하나 인 개인을 정의하는 방법에 대한 문제를 해결하려고 노력했습니다. 생물 학자들은 개인을 지정하는 정확한 자격에 동의하지 않지만 광범위한 지침이 있습니다. 눈송이 효모는 여러 가지 중요한 요구 사항을 충족시킵니다.

첫째, 눈송이 내의 개별 세포는 전체에 혜택을주기 위해 스스로를 희생하는 것으로 보입니다. 눈송이 효모가 특정 크기에 도달하면 덩어리 내의 세포는 자살을 저지르고, 부모 클러스터에서 작은 딸 덩어리를 방출합니다. 커는“깊은 시적입니다. 개별 세포의 죽음은 새로운 다세포 유기체의 탄생에 직접적인 기여를하는 것 같습니다. 이 과정은 유기체 내 노동 분업의 시작을 보여줍니다. 개별 세포는 그들의 역할이 단순히 죽는 경우에도 뚜렷한 역할을합니다. "개별 셀의 관심이 아닙니다. 관심을 더 높은 수준으로 바꾸 었습니다."

눈송이 효모는 또한 우리 모두가 겪는 유전자 병목 현상을 반영합니다. 우리 모두는 단일 세포, 수정 된 계란으로 시작하여 우리 몸을 구성하는 복잡한 조직 층을 생산했습니다. 눈송이 효모의 각 딸 분지는 동일한 부모 세포에서 유래 한 세포로 구성됩니다. 두 경우 모두, 세포의 생성 된 블록은 유 전적으로 동일하거나 거의 그렇습니다.

그 동질성은 모든 사람의 음식을 먹지 만 쇼핑을하거나 청구서를 지불하지 않는 게으른 룸메이트의 단일 세포에 해당하는 사기꾼 세포의 확산을 차단하는 데 필수적입니다. 사기꾼 미생물은 이웃으로부터 자원을 훔쳐서 모든 에너지를 재생산에 바쳐 더욱 부지런한 세포보다 빠르게 수보다 많습니다. (암은 우리 자신의 신체 내에서 사기꾼의 예입니다. 유 전적으로 뚜렷한 세포가 자신의 최선의 이익으로 작용하여 더 큰 실체를 위험에 빠뜨립니다.)

눈송이 효모에서 단일 세포 병목 현상은 사기꾼 세포에 사기꾼 커뮤니티가 붙어 있음을 의미합니다. 그룹은 스스로 살아남을 수 없습니다. 데이비스 대학의 진화론 생물 학자 인 Rick Grosberg는“다세포 유기체가 단일 세포 단계를 통과하는 이유에 대한 가장 간단하고 가장 일반적인 설명은 유기체를 구성하는 모든 세포가 서로 완벽하게 관련되어 있는지 확인하는 것입니다. "모든 사람은 동일한 유전자 관심사를 공유합니다." 병목 현상은 동맹을 강요합니다.

아마도 다세포 생물로서 눈송이 효모의 지위에 찬성하는 가장 중요한 주장은 아마도 자연 선택이 눈송이 전체에 작용한다는 것입니다. 새로운 실험 세트에서 Ratcliff의 팀은 헤드 투 헤드 전투에서 플록 효모에 대한 눈송이 효모를 밟고 있습니다. 예비 결과에 따르면 눈송이가 계속해서 눈송이가 멸종 위기에 처한 것으로 나타났습니다. Ratcliff는“그들은 다세포 유기체와 같은 방식으로 진화하고있다. "선택은 그룹과 그룹이 선택에 응답합니다."

그러나 눈송이 효모는 다세포에 대한 주요 테스트 :불가능한 일입니다. Michod는“우리는 작은 부분으로 잘게 잘릴 수 없으며 전체의 특성을 유지할 수 없습니다. 눈송이 효모가 할 수 있습니다. 이 때문에“눈송이 효모는 실제로 다세포 유기체가 아니라고 생각합니다.”라고 Michod는 말했습니다. "그러나 그들은 확실히 길을 가고 있습니다."

가속화 진화

눈송이 효모 균주는 이제 1 년 이상 진화 해 왔으며, 그들은 각 세대마다 점점 더 커지고 조상보다 더 빨리 가라 앉아 계속 변화하고 있습니다. Ratcliff는“우리는 이러한 다윈의 과정이 실험실에서 수천 세대에 걸쳐 진행되는 것을 볼 수 있습니다.

지속적인 전환은 연구원들에게 다세포의 유전 적 기초를 연구하기위한 강력한 도구를 제공하고 있습니다. Ratcliff는 이미 눈송이 효모 세포가 특정 방식으로 함께 붙어있을 수 있도록 유전자 돌연변이 중 하나를 확인했습니다. 그는 다세포로의 전환과 관련된 추가 돌연변이를 식별하기를 희망하며, 이는 프로세스의 기본 메커니즘을 밝힐 것이다. 눈송이 효모가 다세포가 지구에서 어떻게 처음 진화했는지 직접 밝히지 않을 수도 있지만, 그곳에 도착하는 데 필요한 일반적인 진화 과정을 강조해야합니다. Grosberg는 기본 다세포성이 너무 쉽게 만들기가 쉽다는 사실은“완전한 통찰력이 아니라면 심오한 통찰력”이라고 말했다.

또한 실험실로 진화 한 다세포 성은 효모에만 국한되지 않습니다. 과학자들은 다른 단일 세포 유기체를 다세포로 이끌 수 있습니다. Ratcliff와 공동 작업자 Matthew Herron과 Frank Rosenzweig는 Missoula에있는 몬태나 대학교의 생물 학자 인 Frank Rosenzweig는 단일 세포 Alga Chlamydomonas Reinhardtii 를 변화시킬 수 있음을 보여주었습니다. 다세포 실체로. Ratcliff의 효모 작업에 대한 비판 중 하나는 일부 자연 효모가 다세포 형태를 가지고 있다는 것입니다. 즉, 그의 실험이 단순히 잠재적 인 재능을 복원하고 있음을 의미하기 때문에 이것은 특히 중요합니다.

연구원들은 효모에있는 사람들과 비슷한 실험을했으며 가장 빠른 세포를 선택했습니다. 그러나 그들은 또한 조류가 자연에서 경험할 가능성이 더 높은 선택적 압력을 사용했습니다. Paramecia와 같은 포식자는 더 큰 다세포 멍청이를 먹을 수 없습니다. 포식자 구동 균주는 중력 유발 버전과는 다른 종류의 다세포 성을 개발했습니다. 이 다세포 클라미 도모나 동일한 세포벽 내에 포함 된 세포의 구형 덩어리가 있습니다.

조류가 다세포에 대한 다른 경로를 내놓았다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 변형은 식물, 동물 및 곰팡이에서 독립적으로 진화했습니다. 따라서 전환 문제에 대한 해결책이 다를 수 있습니다. "다세포 문을 잠금 해제하는 가능한 유전자 열쇠의 제품군은 무엇입니까?" Rosenzweig가 말했다. "이것은 다른 시스템을 비교하여 얻을 수있는 한 가지입니다."

연구원들은 또한이 클러스터가 어떻게 더 복잡해지고, 잘 운영되는 공장과 같은 작업을 분할하는지 알고 싶어합니다. "다세포 유기체는 어떻게 유기체에서 협력 적으로 작용하는 차별화 된 세포 유형에 대한 다음 큰 도약을 하는가?" Rosenzweig가 말했다.

Rosenzweig는 실험실에서 chlamydomonas와 함께 진행중인 실험을 인용합니다. 단일 세포 조류는 셀을 빛으로 향하게하는 편모, 도적 인 부속물을 가지고 있습니다. chlamydomonas의 다세포 버전 또한 편모가 있지만 큰 세포벽 안에 갇히고 쓸모가 없습니다. Rosenzweig는“구명정에 있고 노우가 물이 아니라 공중에 갇히는 것과 같습니다. chlamydomonas 의 편모를 사용하기 위해 올바른 장소에 있고 운동을 조정하는 방법을 발전시켜야합니다.