Czy wczesny wzrost ilości tlenu na Ziemi sprzyjał rozwojowi życia wielokomórkowego?

Naukowcy od dawna wierzą, że istnieje bezpośredni związek między wzrostem poziomu tlenu w atmosferze, który rozpoczął się wraz z wydarzeniem Wielkiego Natlenienia 2,5 miliarda lat temu, a pojawieniem się dużych i złożonych organizmów wielokomórkowych.

Ta teoria, „hipoteza kontroli tlenu”, sugeruje, że wielkość tych wczesnych organizmów wielokomórkowych była ograniczona przez głębokość, na jakiej tlen mógł dyfundować po ich ciałach. Hipoteza stanowi prostą prognozę, która wywarła znaczący wpływ zarówno na biologię ewolucyjną, jak i nauki o Ziemi: Tlen w atmosferze powinien zawsze zwiększać rozmiar, przy którym mogą rosnąć organizmy wielokomórkowe.

Jest to hipoteza, która okazała się trudna do przetestowania w laboratorium. Jednak zespół naukowców z Georgia Tech odkrył metodę – wykorzystującą ewolucję ukierunkowaną, biologię syntetyczną i modelowanie matematyczne – wszystko to w odniesieniu do prostej formy życia wielokomórkowego zwanej „ drożdżami płatków śniegu ”. konsekwencje? Ważne nowe informacje na temat powiązań między wczesnym natlenieniem Ziemi a pojawieniem się dużych organizmów wielokomórkowych – wszystkie dotyczyły dokładnej ilości O2 dostępnej dla niektórych z naszych wczesnych wielokomórkowych przodków.

„Pozytywny wpływ tlenu na rozwój wielokomórkowy jest całkowicie zależny od dawki – pierwsze natlenienie naszej planety poważnie ograniczyłoby rozwój życia wielokomórkowego, a nie go wzmocnił” – wyjaśnia Guy Ozan Bozdag, naukowiec z School of Biological Sciences. I główny autor badania. „Pozytywny wpływ tlenu na objętość wielokomórkową można osiągnąć tylko wtedy, gdy osiągnie wysoki poziom”.

Książka „Tłumienie wielości makroskopowej przez tlen” została opublikowana w Nature Communications z 14 maja 2021 roku. Współautorami artykułu Bozdaga są badacze z Georgia Tech Will Ratcliffe, profesor nadzwyczajny w School of Biological Sciences; Chris Reinhard, profesor nadzwyczajny w Szkole Nauk o Ziemi i Atmosferze; Dr Rosen Pino Student Wyższej Szkoły Nauk Biologicznych i Interdyscyplinarnego Programu Absolwentów Ilościowych Nauk Biologicznych (QBioS); Wraz z Erikiem Libby, profesorem nadzwyczajnym na Uniwersytecie Umeå w Szwecji i Santa Fe Institute w Nowym Meksyku.

Poprowadź drożdże do rozwoju w rekordowym czasie

„Pokazujemy, że wpływ tlenu jest bardziej złożony niż wcześniej sobie wyobrażano. Wczesny wzrost ilości tlenu na świecie powinien w rzeczywistości ograniczyć rozwój makroskopowej różnorodności komórek, zamiast wybierać większe i bardziej złożone organizmy” – zauważa Ratcliffe.

„Ludzie od dawna wierzyli, że natlenienie powierzchni Ziemi jest korzystne – niektórzy posunęli się nawet do stwierdzenia, że ​​jest to warunek wstępny – dla rozwoju dużych i złożonych organizmów wielokomórkowych” – dodaje. „Ale nikt nie doświadczył tego z pierwszej ręki, ponieważ nie mieliśmy typowego systemu, który byłby w stanie przejść przez wiele pokoleń szybko ewoluujących i zdolnych do wzrostu w pełnym zakresie warunków tlenowych”, od warunków beztlenowych po współczesne poziomy.

Naukowcom udało się to zrobić z drożdżami typu płatek śniegu, prostymi organizmami wielokomórkowymi zdolnymi do szybkich zmian ewolucyjnych. Zmieniając swoje środowisko wzrostu, od ponad 800 pokoleń w laboratorium rozwijają drożdże typu płatek śniegu w laboratorium z największym wyborem wielkości.

Wyniki Bozdaga zaskoczyły. „Byłem zdumiony, widząc, że wielokomórkowe drożdże bardzo szybko podwoiły swoją wielkość, kiedy nie były w stanie używać tlenu, podczas gdy populacje, które rozwinęły się w średnio natlenionym środowisku, nie wykazały żadnego wzrostu wielkości” – mówi. „Ten efekt jest silny – nawet w znacznie dłuższych okresach czasu”.

Rozmiar – i poziom tlenu – to dwa ważne czynniki wzrostu wielokomórkowego

W badaniach zespołu Ratcliffe mówi: „Duże objętości łatwo ewoluowały, gdy drożdże nie zawierały tlenu lub było go dużo, ale nie wtedy, gdy był on obecny na niskim poziomie”. „Włożyliśmy dużo pracy, aby pokazać, że jest to właściwie dość przewidywalna i zrozumiała konsekwencja faktu, że tlen, przy jego ograniczeniach, działa jako zasób – jeśli komórki mają do niego dostęp, uzyskują ogromne korzyści metaboliczne. Kiedy tlenu brakuje, nie może krążyć. Tak daleko w organizmach żywych, więc istnieje bodziec ewolucyjny dla organizmów wielokomórkowych, aby były małe – umożliwiając większości ich komórek dostęp do tlenu – ograniczenie, które nie istnieje, gdy tlenu po prostu nie ma, lub gdy jest go wystarczająco dużo, aby przeniknąć znacznie głębiej do tkanek. ”

Prace jego grupy nie tylko podważają hipotezę kontroli tlenu, mówi Ratcliffe, ale także pomagają nauce zrozumieć, dlaczego innowacja ewolucyjna widoczna w świecie organizmów wielokomórkowych byłaby tak mała przez miliardy lat po Wielkim Zdarzeniu Natlenienia. Ratcliffe wyjaśnia, że ​​geolodzy nazywają ten okres „nudnym miliardem” w historii Ziemi – znanym również jako nudny okres w historii Ziemi i średniowiecze Ziemi – okresem, w którym tlen był obecny w atmosferze, ale na niskim poziomie, i wielokomórkowy organizmy pozostały, stosunkowo małe i proste.

Bozdag dodaje kolejny wgląd w wyjątkowy charakter badania. „W poprzednich pracach badano interakcję między tlenem a objętością wielokomórkową przede wszystkim na podstawie fizycznych zasad dyfuzji gazów” – mówi. „Chociaż ta logika jest konieczna, potrzebujemy również kompleksowego badania zasad ewolucji darwinowskiej podczas badania pochodzenia złożonego, wielokomórkowego życia na naszej planecie”. Bozdag dodaje, że możliwość ostatecznego rozwoju żywych istot przez wiele pokoleń ewolucji pomogła naukowcom to osiągnąć.