인간의 눈에 지구상의 지배적 인 생명의 형태는 다세포입니다. 육체, 셀룰로오스 또는 키틴의 이러한 성당은 일반적으로 정교하고 끝없이 반복 된 개발 프로그램을 따라 가면서 형태로 형성됩니다. 단일 미세한 세포가 나뉘어 진 다음, 각 세포가 떠오르는 조직에 자리를 잡고, 이전에는 아무것도 없었던 코끼리 또는 레드 우드가있을 때까지 반복해서 나눕니다.
.인생의 역사상 20 배 이상, 그리고 아마도 몇 배나 자주 자주-단일 세포 유기체는 다세포로 도약하여 조상보다 형태를 더 크게 만들기 위해 진화했습니다. 소수의 경우, 다세포는 오버 드라이브에 들어가 식물, 동물, 곰팡이 및 일부 형태의 조류로 알려진 정교한 유기체를 생성했습니다. 이러한 생명체에서, 세포는 상이한 기능 (심장 근육의 세포와 혈류의 세포, 밀 식물의 줄기를 보유하는 세포, 광합성이있는 세포로 다른 기능을 가진 조직으로 형성되었습니다. 일부 세포는 그들의 유전자를 다음 세대, 계란과 정자와 같은 생식선 세포로 전달 한 다음 나머지 모든 것, 스스로 전파하려는 퀘스트에서 생식선을지지하는 체세포가 있습니다.
.그러나 단일 세포 수명의 성공적인 단순성과 비교할 때,“식사, 분열, 반복”이라는 진언과 비교할 때 다세포는 복잡하고 위험한 약속으로 가득 차있는 것처럼 보입니다. 어떤 상황에 대한 질문이 수백만 년 전에 도로 에서이 포크를 가져 오도록 유기체를 유혹 할 수 있었을 수 있습니다. 따라서 한 번이 아니라 여러 번은 과학자들을 게임 이론가와 고생물학 자에서 실험실에서 단일 세포 유기체를 돌보는 생물 학자들로부터 과학자들을 변형시킵니다.
.이제 조지아 기술 연구소 (Georgia Institute of Technology)의 생물 학자 윌리엄 래트 클리프 (William Ratcliff)와 그의 동료들은 거의 2 년 동안 진화하는 동안 단일 세포 효모가 미세한 크기의 다세포 클러스터로 자라며 미세한 곳에서 분지 구조로 알몸 눈에 보인다고보고했다. 이 결과는 그러한 전환이 어떻게 일어날 수 있는지를 보여 주며, 이들 구조가 분화를 개발하는지 여부를 보는 흥미로운 미래의 실험을 암시합니다.
눈송이 인 인센티브
거의 10 년 전, 다세포를 연구하는 과학자들은 Ratcliff, Michael Travisano 및 미네소타 대학교의 동료들이 수행 한 실험에 의해 아버지를 설정했습니다. 효모의 협력과 공생에 관한 박사 학위 논문을하고 있던 Ratcliff는 다세포성에 대해 Travisano와 대화를 나누었으며, 효모를 다세포로 진화시키는 것이 가능한지 궁금해했다. 변덕스럽게, 그들은 문화에서 자라는 효모의 튜브를 가져 가서 그들을 흔들었고, 60 일 동안 새로운 문화를 씨앗을 뿌리기 위해 가장 빠른 바닥에 정착 한 사람들을 선택했습니다.
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이 간단한 절차는 나중에 National Academy of Sciences 의 절차에 설명 된 바와 같이 , 작은 덩어리의 진화를 일으켰다. 그 후 연구자들은 전사 인자 인 ACE2의 단일 돌연변이 때문에 세포가 분열 된 후 분리되지 않았으므로 무겁고 더 빨리 가라 앉을 수 있다고 결정했다.
.세포에서의 이러한 변화는 빠르고 반복적으로 나타났습니다. 30 미만의 전송에서, 튜브 중 하나는이 덩어리를 나타냈다; 60 개의 전송 내 이내에 모든 튜브가 수행되었습니다. 연구원들은 현미경 아래에서 본 끔찍한 모양 후에 세포의 눈송이 효모를 더빙했습니다.
눈송이 효모는 측면 프로젝트로 시작했지만 유망한 길처럼 보였습니다. Ratcliff는“그 이후로 10 년 동안 제 인생이었습니다. 이 작업은 스웨덴 Umeå University의 수학적 생물 학자 인 Eric Libby와 Georgia Tech의 연구 과학자 인 Matthew Herron과 같은 공동 작업자가 현재 교수입니다. 그는 다세포 수명이 어떻게 생겼는지 이해하려고 노력하는 연구원들의 다양한 생태계에 합류했습니다.
우리가 셀의 광대 한 아키텍처가 다세포성이 자격이없는 이점이라고 당연한 것으로 여겨지기 때문에 쉽습니다. 그러나 우리가 화석으로부터 알 수있는 한, 인생은 처음 10 억 년 동안 유쾌하게 단지 한 것으로 보입니다. 그리고 오늘날에도 지구상의 다세포 유기체보다 훨씬 더 단세포 유기체가 있습니다. 함께 머무르는 것은 심각한 단점이 있습니다. 세포의 운명은 주변 세포의 운명에 묶여 있으므로 죽으면 죽을 수도 있습니다. 그리고 세포가 다세포 집단의 일부가된다면, 그것은 생식 세포 대신 체세포로 끝날 수 있습니다. 즉, 생식을 통해 유전자를 직접 전달할 수있는 기회가 희생됩니다.
.경쟁 문제도 있습니다. 옥스포드 대학의 이론가 인 가이 쿠퍼 (Guy Cooper)는“같은 종의 세포는 자원을 위해 경쟁하는 경향이있다. “여러분이 함께 고정하면 자원 경쟁이 더욱 강해집니다. 그것은 큰 비용입니다… 따라서 다세포 성이 진화하기 위해서는 먼 쪽에서 같은 혜택이 필요합니다.”
.한 가지 인센티브는 더 큰 세포 그룹이 포식자가 먹기가 더 어려울 수 있다는 것입니다. 2015 년 Vu University Amsterdam의 Roberta Fisher와 2019 년 옥스포드의 Stefania Kapsetaki의 독립적 인 작업에 따르면 조류와 박테리아는 그룹을 형성하여 미세한 포식자에 반응 한 것으로 나타났습니다. Herron과 그의 동료들은 2019 년에 조류 의이 적응 형 다세포성이 일부 매장 된 조상 특성의 재현에 의존하지 않았다는 것을 보여 주었다. 그것은 완전히 독창적이고 진화 된 적응이었다.
.다세포에 대한 또 다른 가능한 인센티브는 특정 조건 하에서 유기체가 그룹으로서 더 잘 움직이거나 더 나은 사료로 이동한다는 것입니다. 이 경우 쿠퍼는 다음과 같이 설명했다.“자원을 놓고 경쟁하고 있기 때문에 생식이 적은 비용으로 생존을 증가 시킨다는 점에서 생존 가능성 상충 관계로 이어집니다.”
.일부 조류는 환경이 변할 때 다세포 그룹과 단일 세포 사이를 전환 할 수 있습니다. 동물과 가장 가까운 단일 세포 친척 인 Choanoflagellates는 또한 호기심으로 다세포하게 보이게하는 행동을 취할 수 있습니다. Pasteur Institute의 진화 생물 학자 인 Thibaut Brunet은 Curaçao의 워크숍을 회상하여 그와 동료들은 해안 근처의 물을 모아 Choanoflagellates를 확인하고 저녁 식사 후 늦은 밤에 샘플에 무언가가 움직이는 것을 발견했습니다. 그것은 컵 모양을 형성하기 위해 함께 결합 된 새로운 종의 Choanoflagellate였습니다. “이 일이 단지 변형되는 것을 보는 것은 매력적이었습니다. …이 복잡한 집단적 행동이 있었는데, 이는 거의 동물처럼 만들었습니다.”라고 Brunet은 말했습니다. "미생물 세계에서 동물 세계로의 전환을 거의 느낄 수 있습니다."
그러나 대부분의 다세포 생물의 세포에게는 선택의 여지가 없습니다 - 다세포 또는 죽음입니다. 쿠퍼는“어떻게 든 편도 도로가됩니다. "그리고 노동의 분열은 그 전환에서 큰 선수가 될 것으로 예상된다." 일부 세포가 새로운 역할을 수행하기 시작하면 이웃의 생식 성공을 포기하기 위해 자신의 생식 성공을 포기한 경우, 계산 모델은 그룹에 사는 것이 라이프 스타일이 생존 할 수있는 기회를 제공 할 수있는 효율성 혜택을 제공해야한다고 제안합니다. 성공에 필요한 매개 변수는 과거에 충족되었지만 정확히 정확히?
Ratcliff가 장기적인 실험 진화 작업을 시작했을 때, 그는 수많은 가능한 시나리오에 대한 이론가의 관심을 한계를 눌렀을 때 실제, 살아있는 유기체가 무엇을할지에 대한 생물 학자의 호기심을 결합했습니다. 그는 또한 30 년 전에 Richard Lenski가 시작한 가장 유명한 진화 실험 중 하나에 대해 생각하고있었습니다. coli Lenski의 실험실의 식민지는 1988 년부터 유지되었습니다. 예를 들어, 2003 년 Lenski와 그의 동료들은 한 명의 인구가 구연산염을 소화하는 능력을 진화했다는 사실을 발견했습니다. coli 전에는 한 번도 알려진 적이 없습니다.
Ratcliff는 눈송이 효모가 오랫동안 자랐을 때 어떤 일이 일어날 지 궁금해했습니다. 결국 그들은 큰 크기를 달성 할 것인가? 그것은 차별화로 이어질 것인가?
눈송이 효모는 다세포를 쉽게 달성했지만 래트 클리프가 시도한 것에 상관없이 덩어리는 현미경으로 남아있었습니다. 수년 동안 그는 진전을 이루지 못했고 Ratcliff 's Lab의 박사 학위를받은 Georgia Tech의 연구 과학자 Ozan Bozdağ를 인정하고 벽을 뚫고 있습니다.
.산소없이 큰 생활
중요한 성분은 산소로 판명되었습니다. 또는 오히려, 그것의 부족.
세포는 거대한 에너지 지불금을 위해 설탕을 분해하는 데 사용할 수 있기 때문에 산소는 생물에 매우 도움이 될 수 있습니다. 산소가 없으면 세포는 대신 설탕을 발효시켜야합니다. Ratcliff는 산소로 효모를 자랐습니다. Bozdağ는 그것 없이는 일부 문화를 재배 할 것을 제안했습니다.
Bozdağ는 세 가지 다른 눈송이 효모 그룹으로 선택한 실험을 시작했으며, 2 개는 산소를 사용할 수 있으며, 하나는 돌연변이 때문에 할 수 없었습니다. 각 그룹은 5 개의 유전자 동일한 튜브로 구성되었으며 Bozdağ는 그것들을 흔들리는 기계에 장착했습니다. 24 시간 내내 효모는 분당 225 회전으로 흔들렸다. 하루에 한 번, 그는 3 분 동안 카운터에 정착 한 다음 튜브 바닥의 내용물을 사용하여 신선한 배양을 시작했습니다. 그런 다음 셰이커로 돌아 왔습니다. 2020 년과 2021 년 초, Covid-19 Pandemic의 실험실 폐쇄 중에도 Bozdağ는 대학의 특별 면제와 함께 효모에 대한 선택을 행사했습니다.
처음 100 일 동안, 15 개의 튜브 모두의 클러스터는 크기가 두 배가되었습니다. 그런 다음 산소를 사용하지 않은 두 튜브의 크기가 다시 위로 올라 가기 시작했을 때 대부분 250 일경까지 고원당했습니다. 350 일경, Bozdağ는 그 튜브 중 하나에서 무언가를 발견했습니다. 육안으로 볼 수있는 클러스터가있었습니다. “진화론 생물 학자로서… 기회 사건이라고 생각합니다. 어쨌든 그들은 커졌지 만 장기적으로 작은 것들에 대해 잃을 것입니다. 그것은 내 생각입니다.”라고 그는 말했습니다. "나는 당시의 Will과 이것에 대해 실제로 이야기하지 않았다."
그러나 두 번째 튜브에 클러스터가 나타났습니다. 그리고 400 일경, 산소를 사용할 수없는 3 개의 다른 돌연변이 체 튜브가 기어로 쫓겨 났으며, 곧 5 개의 튜브 모두 대규모 구조물이 있었고 초기 크기의 약 20,000 배에서 토핑했습니다. Bozdağ는 전화 카메라로 클러스터 사진을 찍기 시작했습니다. 더 이상 현미경이 필요하지 않았습니다.
산소에 대한 의존이 왜 효모 클러스터의 팽창을 막는 것처럼 보였습니까? 산소는 고정 속도로 세포를 통해 확산되므로 클러스터가 커짐에 따라 산소는 내부의 세포에 전혀 도달 할 수 있습니다. 더 큰 클러스터는이 실험에서 생존 이점을 가지고 있었지만, 산소의 매력은 효모에 대해 너무 매력적이어서 클러스터의 크기를 버리지 않고 제한했습니다. 에너지에 대한 발효에 의존하는 산소 독립적 돌연변이 체의 경우, 더 커지는 것에 대한 불만이 없었습니다.
그러나 클러스터에서 크기가 유일한 차이는 아닙니다. 팀이 현미경 아래의 큰 클러스터를 보았을 때 효모가 바뀌 었다는 것이 분명했습니다. 세포는 더 길어졌고, 첫 번째 눈송이 효모 클러스터는 쉽게 분리 된 반면, 젤라틴의 응집력은 100 분의 1을 가졌다. 큰 클러스터는 훨씬 더 단단했다. Ratcliff는“그들은 정말 부서지기 쉬운 재료에서 목재의 재료 특성을 가진 것으로 진화합니다. "그들은 적어도 10,000 배 더 힘들어집니다." 눈송이 가지도 서로 얽혀 있었기 때문에 흔들리는 것이 유대를 깨뜨릴 때에도 조각이 함께 머물면서 형제들의 더 큰 덩어리에 갇혀있었습니다. 생물 물리적으로, 이것은 단세포 유기체가 더 큰 크기의 신체적 무결성을 유지하는 방법을 진화시킬 수 있음을 시사합니다.
쿠퍼는 대규모 크기와 차별화가 이론화되어 이론화 되었기 때문에 흥미 롭습니다. 14 년 전, 진화 생물 학자 J.T. Bonner는 다세포 유기체가 클수록 일반적으로 세포 유형이 더 많다고 지적했다. 그는 크기가 커지면 복잡성이 증가해야한다고 가설을 세웠다. 아이디어는 유기체가 커짐에 따라 더 다양한 요구가 있다는 것입니다. 쿠퍼는“이것은 노동을 나누는 인센티브를 제공 할 수있다”고 쿠퍼는 말했다.
그러므로 크기가 얼마나 큰 크기가 변화를 촉진 할 수 있는지 알 수 있습니다. 각 세포 분열마다 더 크고 커지는 눈송이 효모를 상상해보십시오. 외부 가지는 외부 세계의 영양소와 위험에 노출됩니다. 클러스터 내부의 분기는 다른 경험을 가지고 있습니다. 그들에게는 영양소가 부족하고 신체적 스트레스가 더 클 수 있습니다. 내부의 세포가 외부의 세포와 다르게 행동하기 시작하면 어떻게됩니까? 그들은 신진 대사를 변경하여 더 적게 할 수 있습니다. 그들은 Ratcliff Lab의 실험의 세포와 같이 압력을 받기 위해 더 강한 세포벽을 자랄 수 있습니다. 또는 기초 순환계인 클러스터에 영양분을 더 깊이 퍼 뜨리는 고도로 분지 된 채널을 개발할 수 있습니다. 차이는 큰 클러스터의 먼 영역에서 세포의 거동과 특성에 영향을 줄 수 있습니다.
그러므로 새로운 클러스터가 형성 될 때마다 그 경험 이이 과정을 요약하고 내부 및 외부 셀의 환경에서 동일한 차이가 동일한 발산 응답을 유도한다고 상상해보십시오. 한때 단세포 생물이 무엇인지에 대한 이야기가 어떻게 다시 작성 될 수 있는지, 그 몸은 생존하기 위해 한 일에 대한 진정입니다.
.다세포에서 분화로
아직, 실험실에서 다세포와 규제 분화를 모두 진화시키는 유기체의 기록 된 사례는 없다. 지금까지 가장 가까운 것은 2012 년 Ratcliff의 논문과 그의 동료들에 설명 된 눈송이 효모 일 수 있으며, 두 가지의 시절에있는 세포는 때때로 그들 자신의 죽음을 불러 일으켰습니다. 이로 인해 죽은 셀에 부착 된 가지가 헤어지고 자신의 클러스터를 시작하게되었습니다. 팀은 이것이 자신의 삶을 포기한 세포가 그룹으로서 효모에 혜택을 주었을 수도 있다는 점에서 이것이 분화의 한 형태 일 수 있다고 생각합니다. Ratcliff와 함께 현상을 모델링하기 위해 Ratcliff와 함께 일한 Libby는“세포 사멸의 이점이있을 수 있습니다.
그러나 그는 또한 Max Planck Instit 박테리아는 또한 세포가 집단 목적을 달성하는 다른 형태와 행동을 취할 수있는 다세포 그룹을 형성 할 수있다. 이 경우 진정한 차별화를 식별하는 것은 까다로울 수 있습니다. Libby는“정직하게,이 진술은 원시적 형태의 다세포 복잡성이 종종 전형적인 단세포 행동처럼 보이기 때문에 논쟁의 여지가있을 수 있습니다. “이것은 우연이 아닙니다. 어딘가에서 진화해야합니다.”
미래의 실험이 거대한 눈송이 효모가 조직의 정교한 차이를 발전시킬 수 있음을 보여줄 것인지는 여전히 매우 투기 적입니다. 그러나 팀이 효모를 계속 진화시키면서 이상한 일이 일어날 수있는 많은 기회가있을 수 있습니다.
Bozdağ는 Ratcliff에게 효모가 큰 크기를 진화했다고 말했을 때“Dude! 당신은 20 년, 30 년 동안 계속해야합니다!” 수년간의 실망 후 Ratcliff는 효모가 실제로 몸과 같은 것을 제공 할 수 있다는 것을 알게되어 기뻤습니다.
Ratcliff는“이것이 1,000 명 정도의 세포에서 포화 될 시스템인지 정직하게 확신하지 못했습니다. “우리는 계속 진화하고 그들이 할 수있는 일을 봐야합니다. 우리는 수십 년 동안 수십 년 동안 가능한 한이 사람들을 수십만 세대 동안 밀어 내면…”
그는 쫓겨 났고 다시 시작했다. “우리가 그렇게하지 않으면 항상 기회를 얻지 못한 것을 후회할 것입니다. 일생에 한 번의 기회입니다. 초대형 다세포 동물이 더 복잡해지고 우리가 얼마나 멀리 데려 갈 수 있는지 알아 보려고 노력합니다.”
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수정 :2021 년 9 월 29 일
원래 기사는 실수로 로티퍼를 원생 동물로 언급했다. 그들은 미세한 동물입니다.
