Συζήτηση για την εξέλιξη της πολυκυτταρικότητας

Η αναπτυξιακή βιολόγος Cassandra Extavour τραγουδά κλασική και μπαρόκ μουσική στη σκηνή με την εταιρεία Handel and Haydn Society στο Symphony Hall στη Βοστώνη. Ευλογημένη με μια όμορφη φωνή σοπράνο, θα μπορούσε άνετα να επιλέξει να ακολουθήσει μια καριέρα ως τραγουδίστρια. Αλλά ένα καλοκαίρι που εργαζόταν σε ένα εργαστήριο αναπτυξιακής γενετικής ως προπτυχιακός έριξε τη ζυγαριά υπέρ της επιστήμης και ο Extavour είναι τώρα αναπληρωτής καθηγητής οργανικής και εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Επιλέγοντας τη βιολογία, λέει, μπόρεσε να συνεχίσει τη μουσική της καριέρα με μερική απασχόληση. Μια σοπράνο συναυλίας πλήρους απασχόλησης, αντίθετα, δεν θα είχε τον χρόνο να λειτουργήσει ένα εργαστήριο στο πλάι.

Η Extavour διευθύνει μια εθνική ερευνητική ομάδα που ονομάζεται EDEN, η οποία σημαίνει Evo-Devo-Eco (εξελικτικό-αναπτυξιακό-οικολογικό) δίκτυο. Ο οργανισμός, που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, ενθαρρύνει τους γενετιστές να ανατέμνουν περισσότερα εξωτικά πλάσματα από την πανταχού παρούσα μύγα, Drosophila melanogaster. Οι ερευνητές του EDEN μοντελοποιούν τα διάφορα εξελικτικά μονοπάτια των θαλάσσιων ανεμώνων, των καβουριών με πέταλο, των βρύων, των γρύλων, των αράχνων, των ζωυφίων και των υπερανθεκτικών όψιμων. Το εργαστήριο της Extavour εστιάζει στην ανατομή εμβρύων και ωοθηκών εντόμων, αναζητώντας γενετικές ενδείξεις για την προέλευση της πολυκυτταρικότητας και τους πολύπλοκους οργανισμούς που κατέστησε δυνατή η πολυκυτταρικότητα, συμπεριλαμβανομένου του Homo sapiens. Η ειδική τεχνογνωσία της Extavour είναι στην παρακολούθηση της ανάπτυξης γεννητικών κυττάρων, των κυττάρων που δημιουργούνται σε ένα έμβρυο που περιέχουν τον γενετικό κώδικα για την αναπαραγωγή πολυκύτταρων οργανισμών.

Τον περασμένο χειμώνα, η Extavour ήταν ένας από τους διοργανωτές ενός προγράμματος δέκα εβδομάδων για ένα αμφιλεγόμενο θέμα, «Συνεργασία και η εξέλιξη της πολυκυτταρικότητας», στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Kavli στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. Στις ημερήσιες συνεδρίες ομιλίας συμμετείχαν πολλοί επιστήμονες υψηλής εκτίμησης από όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένων αναπτυξιακών και εξελικτικών βιολόγων, μαθηματικών φυσικών και ζωολόγων — καθώς και ένας ενσωματωμένος δημοσιογράφος που έκανε ρεπορτάζ για το περιοδικό Quanta. Η εκδήλωση ήταν ασυνήθιστη λόγω του παρατεταμένου και πολυεπιστημονικού χαρακτήρα της. Και πολλές ανταλλαγές θερμάνθηκαν επειδή, παρά τα 150 χρόνια έρευνας για τη βιολογία της εξέλιξης, οι επιστήμονες εξακολουθούν να διαφωνούν σχετικά με το πώς και γιατί αναδύθηκαν πολυκύτταρα πλάσματα και φυτά από αρχαίους ωκεανούς που γέμισαν με ισχυρές και αυτοδύναμες μονοκύτταρες οντότητες.

Στο συνέδριο, βιολόγοι που εργάζονται ως επί το πλείστον στον τομέα παρατηρώντας τις συμπεριφορές των μελισσών, των μυρμηγκιών, των λύκων, των καλουπιών λάσπης και άλλων πλασμάτων έτειναν να αναζητήσουν τη μηχανική της φυσικής επιλογής σε επίπεδο συμπεριφοράς, εξετάζοντας πώς μεμονωμένοι οργανισμοί αυτοοργανώνονται σε κυψέλες. φωλιές, αγέλες, ομίλους ή οικογένειες. Οι φυσικοί και οι μοριακοί βιολόγοι εστίασαν περισσότερο στη μικρομηχανική της φυσικής επιλογής στο επίπεδο του γονιδιώματος, προσπαθώντας να μετρήσουν μαθηματικά την «καταλληλότητα» αυτών που αποκαλούν ανταγωνιστικά και συνεργαζόμενα γονίδια ή κύτταρα.

Αλλά οι επιστήμονες δεν ήταν πάντα στην ίδια σελίδα, ακόμη και όσον αφορά τη σημασία τέτοιων βασικών εννοιών όπως η συνεργασία, ο ανταγωνισμός και η φυσική κατάσταση. Οι φυσικοί και οι μοριακοί βιολόγοι χρησιμοποίησαν στατιστική μηχανική και θεωρία παιγνίων για να βοηθήσουν στη δημιουργία επεξηγηματικών μαθηματικών μοντέλων DNA, πρωτεϊνών και ολόκληρων γονιδιωμάτων. Αυτή η ενασχόληση με την μικροποσοτικοποίηση ενίοτε σήκωσε τις ταραχές των βιολόγων που ασχολούνταν με το πεδίο, οι οποίοι ήταν περισσότερο επικεντρωμένοι στην ανάλυση κοινωνικών συμπεριφορών.

Μέσα από όλα αυτά, βδομάδα με την εβδομάδα, το ακλόνητο Extavour κράτησε τους συνέδρους συγκεντρωμένους στο κεντρικό θέμα:Ποιοι ακριβώς φυσικοί μηχανισμοί ώθησαν αρχικά τα μεμονωμένα κύτταρα να ενωθούν για αμοιβαίο όφελος; Πώς μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε αυτό το όφελος με εξελικτικούς όρους; Λίγους μήνες μετά το συνέδριο, το Quanta Magazine πήρε συνέντευξη από την Extavour για τη δική της άποψη. Αυτή είναι μια συμπυκνωμένη και επεξεργασμένη εκδοχή αυτής της συνέντευξης, που ενσωματώνει ένα μέρος της τελευταίας της ομιλίας στο Kavli.

QUANTA MAGAZINE:Είσαι evo, devo ή eco;

CASSANDRA EXTAVOUR:Ως αναπτυξιακός βιολόγος — ένας devo, αν θέλετε — με ενδιαφέρει το πώς τα κύτταρα γίνονται ωάρια και σπέρμα σε πολυκύτταρα πλάσματα. Κατά την ανάπτυξη ενός ζωικού εμβρύου από ένα γονιμοποιημένο ωάριο, μια διαδικασία που ονομάζεται εμβρυογένεση, μόνο ένα μικρό ποσοστό των εκατομμυρίων γενετικά πανομοιότυπων κυττάρων που αποτελούν το έμβρυο θα γίνουν γαμέτες ικανοί να μεταδώσουν το γονιδίωμά τους σε διαδοχικές γενιές.

Τα περισσότερα από τα κύτταρα ενός εμβρύου γίνονται σώμα:κύτταρα ικανά να σχηματίζουν ζωτικά όργανα, μυς, δέρμα και οστά. Τα σωματικά κύτταρα αναπαράγονται με διαίρεση —γενετικά αντικατοπτρίζοντας τον εαυτό τους— αλλά δεν μπορούν να συνεισφέρουν τα συγκεκριμένα γονιδιώματά τους στο σχηματισμό νέων πλασμάτων μέσω της σεξουαλικής αναπαραγωγής. Αυτή είναι αποκλειστικά η δουλειά της διαδοχής των κυττάρων σε αυτό που ονομάζουμε βλαστική σειρά.

Κατά μία έννοια, τα σωματικά κύτταρα θυσιάζουν τη γενετική «αθανασία» τους για να προστατεύσουν τα κύτταρα της βλαστικής σειράς. Και αυτός ο πρωταρχικός καταμερισμός της αναπαραγωγικής εργασίας έχει εξελικτικές συνέπειες:επιτρέπει τη σεξουαλική αναπαραγωγή και προωθεί τη γενετική ποικιλομορφία και την εξέλιξη της πολυκυτταρικότητας.

Τώρα το eco στο evo-devo-eco μπαίνει στο παιχνίδι. Το βασικό πρόβλημα στη μελέτη της ανάπτυξης πολυκύτταρων οργανισμών είναι:Γιατί τα κύτταρα που ξεκινούν με πανομοιότυπα γονιδιώματα κάνουν διαφορετικά πράγματα σε διαφορετικά περιβάλλοντα;

Πώς παρακολουθείτε την ανάπτυξη γεννητικών κυττάρων στο εργαστήριο;

Ανατέμνουμε τις ωοθήκες και τα έμβρυα των αραχνών, των γρύλων και των ζωυφίων, χρησιμοποιώντας εργαλεία μοριακής βιολογίας και μικροσκοπίας για να χαρτογραφήσουμε τους γενετικούς μηχανισμούς που καθοδηγούν την εμφάνιση γεννητικών κυττάρων. Σε ορισμένους οργανισμούς, η αντιστοίχιση ενός κυττάρου στη βλαστική σειρά προκαλείται από έναν μηχανισμό που βασίζεται στην κληρονομικότητα:Πριν ακόμη υπάρξει ένα έμβρυο, το μοριακό περιεχόμενο ορισμένων κυττάρων τα προκαθορίζει να αναπτυχθούν είτε ως φύτρο είτε ως σώμα. Σε άλλους οργανισμούς, υπάρχει αντίθετα ένας μηχανισμός σηματοδότησης:Ένα εμβρυϊκό κύτταρο λαμβάνει χημικά σήματα από γειτονικά κύτταρα που ενεργοποιούν (ή καταστέλλουν) τα γονίδια που επιτρέπουν τη λειτουργία της βλαστικής γραμμής.

Γιατί να μπεις στον κόπο να είσαι πολυκύτταρος;

Η εξέλιξη μιας ξεχωριστής βλαστικής σειράς που προστατεύεται από τις ποικίλες σωματικές λειτουργίες του οργανισμού πιστεύεται ότι προσδίδει ένα εξελικτικό πλεονέκτημα - αυτό που ονομάζουμε όφελος φυσικής κατάστασης - σε πολυκύτταρους οργανισμούς, φυτικούς ή ζωικούς ή μούχλα.

Πώς ναι;

Ο αυστηρός καταμερισμός της εργασίας μεταξύ σωματικών και βλαστικών κυττάρων σε ένα πολυκύτταρο συγκρότημα μπορεί να του επιτρέψει να εξερευνήσει νέες οικολογικές κόγχες και να χειριστεί αντικείμενα με εξειδικευμένα πολυκύτταρα όργανα όπως σαγόνια, πόδια, μίσχοι, πλοκάμια, ουρές, ρίζες, φύλλα ή δάχτυλα. Σε αντίθεση με το τυπικό μεμονωμένο κύτταρο που είναι δεμένο σε ένα περιορισμένο περιβάλλον, μια πολυκύτταρη μονάδα μπορεί να περιπλανηθεί σε μεγάλες αποστάσεις αναζητώντας τροφή ή ευνοϊκότερες οικολογικές συνθήκες ή άλλες πολυκύτταρες μονάδες. Είναι πιθανό τα πολυκύτταρα είδη να βρουν περισσότερες ευκαιρίες να προσαρμοστούν με επιτυχία σε δραστικά μεταβαλλόμενα οικοσυστήματα που θα μπορούσαν να εξαλείψουν ένα λιγότερο κινητό ή λιγότερο περίπλοκο μονοκύτταρο είδος. Έτσι, ενώ η μονοκύτταρα είναι ξεκάθαρα ένας επιτυχημένος τρόπος ζωής για πολλούς οργανισμούς, για άλλους το συλλογικό όφελος της πολυκυτταρικότητας φαίνεται να αντισταθμίζει την απώλεια ατομικής ικανότητας για κάθε σωματικό κύτταρο που δεν έχει την ευκαιρία να μεταδώσει το συγκεκριμένο γονιδίωμά του.

Τι εννοείτε με τον όρο φυσική κατάσταση;

Η φυσική κατάσταση μπορεί να έχει έναν ξεκάθαρο μαθηματικό ορισμό στον τομέα της πληθυσμιακής γενετικής, αλλά σε άλλους τομείς της βιολογίας η φυσική κατάσταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί σημασιολογικά. Το ίδιο συμβαίνει και με λέξεις όπως η σύγκρουση και η συνεργασία όταν χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη συμπεριφορά μη ανθρώπινων οργανισμών - μαγιάς ή φυκιών ή κουνελιών. Τέτοιες λέξεις είναι απαραίτητες για να επικοινωνήσουν ό,τι συμβαίνει μη μαθηματικά, αλλά είναι επίσης φορτισμένες κοινωνιολογικά:Υποδηλώνουν την ικανότητα να κάνεις επιλογές. Στο εργαστήριό μου, αποφεύγουμε να ορίσουμε τη φυσική κατάσταση χρησιμοποιώντας απόλυτες αριθμητικές τιμές. Κάνουμε τήρηση βιβλίων:Μετράμε πόσα αυγά γεννιούνται. Μετράμε πόσα αυγά εκκολάπτονται. Αλλά δεν προτείνουμε ότι αυτοί οι αριθμοί από μόνοι τους είναι κατά κάποιο τρόπο ισοδύναμοι με κάτι που μπορούμε να χαρακτηρίσουμε με σιγουριά την καταλληλότητα.

Πώς έχει εξελιχθεί η κοινωνιολογική χρήση της έννοιας της φυσικής κατάστασης από τη δημοσίευση της Καταγωγής των Ειδών του Κάρολου Δαρβίνου;

Από τότε που ο κοινωνικός δαρβινιστής Χέρμπερτ Σπένσερ κυκλοφόρησε το τροπάριο της «επιβίωσης του πιο δυνατού» πριν από 150 χρόνια, οι άνθρωποι εξισώνουν την επιβίωση με τη φυσική κατάσταση και τη φυσική κατάσταση με την επιβίωση. Είναι μια ταυτολογία που μας προκαλεί προβλήματα, και όμως παραμένει. Για παράδειγμα, ο μαθηματικός βιολόγος R. A. Fisher ήταν ιδρυτής της πληθυσμιακής γενετικής τις δεκαετίες του 1920 και του 1930 και το έργο του σχετικά με την καταλληλότητα με τη γενετική διακύμανση ήταν εξαιρετικά σημαντικό. Αλλά ο ίδιος ο Fisher ήταν ευγονιστής που πίστευε ότι οι άνθρωποι της ανώτερης τάξης, επειδή είναι ανώτερης τάξης, έχουν μια γενετική προδιάθεση για ανώτερη νοημοσύνη και «ποιότητες ηθικού χαρακτήρα». Φοβόταν ότι από τη στιγμή που τα άτομα της κατώτερης τάξης φαινόταν να έχουν τα υψηλότερα ποσοστά γεννήσεων, η εξάπλωση των συλλογικά κατώτερων γονιδίων τους θα οδηγούσε στην πτώση του πολιτισμού εάν αφεθεί ανεξέλεγκτη. Υποστήριξε ότι η κοινωνία θα λάβει ορισμένα μέτρα για να εξασφαλίσει τον πολλαπλασιασμό των γονιδίων της ανώτερης τάξης. Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες πρέπει να είναι ξεκάθαροι ότι η φυσική κατάσταση είναι μια δήλωση γεγονότων και όχι μια αξιακή κρίση.

Τότε γιατί να χρησιμοποιήσετε αυτές τις φορτωμένες λέξεις;

Εξελίχθηκαν ως μια βολική, αν και ανακριβής, στενογραφία. Στην πραγματικότητα, μπορεί να μην υπάρχουν λέξεις που να μπορούν να αντικαταστήσουν τις μαθηματικές δομές χωρίς να μεταφέρουν κάποιες κανονιστικές αποσκευές.

Ποια είναι η έννοια της συνεργασίας στην πειραματική βιολογία;

Η βιολογική συνεργασία μπορεί να προκύψει όταν δύο ή περισσότερα άτομα - είτε είναι μονοκύτταρα είτε πολυκύτταρα - ομαδοποιούνται για να σχηματίσουν μια νέα οντότητα:ένα νέο άτομο ή, ίσως, μια ομάδα ατόμων, ανάλογα με την οπτική γωνία του πειραματιστή. Ο καταμερισμός της αναπαραγωγικής εργασίας σε μια πολυκύτταρη οντότητα απαιτεί τα κύτταρα να συνεργάζονται για να μεγιστοποιήσουν το αναπαραγωγικό δυναμικό της οντότητας της οποίας αποτελούν μέρος.

Για το σκοπό αυτό, τα συνεργαζόμενα κύτταρα παρουσιάζουν συμπεριφορές που βελτιώνουν την ικανότητα άλλων κυττάρων να μεταδίδουν τα γονιδιώματά τους, μερικές φορές εις βάρος της ελαχιστοποίησης της δικής τους γενετικής συνεισφοράς στην επόμενη γενιά. Αυτά τα κύτταρα συχνά αποκαλούνται «αλτρουιστές» στο εργαστήριο. Ενδέχεται να παράγουν ή να διατηρούν ενεργειακούς πόρους για την ομάδα.

Από την άλλη πλευρά, ένα μη συνεργάσιμο κύτταρο - ή αυτό που χαρακτηρίζεται ως "αποστάτης" στο εργαστήριο - θα κινείται γύρω από ένα οικοσύστημα καταναλώνοντας σπάνιους πόρους χωρίς να συνεισφέρει στη βιωσιμότητα. Η «εγωιστική» συμπεριφορά του αποστάτη τείνει να διατηρεί το δικό του γονιδίωμα για μετάδοση μεταξύ των γενεών εις βάρος της ομάδας.

Οι σεξουαλικά αναπαραγόμενοι οργανισμοί έχουν κεφαλαιοποιήσει αυτές τις δύο αντικρουόμενες προσεγγίσεις με τρόπο που ωφελεί ολόκληρο τον οργανισμό:Τα σωματικά κύτταρα ενεργούν ως συνεργάτες και τα γεννητικά κύτταρα ως αποβολείς. Η πολυκυτταρικότητα, όπως γνωρίζουμε, μπορεί να μην ήταν δυνατή χωρίς να υπάρχουν και οι αποστάτες και οι συνεργάτες — κάθε τύπος συμπεριφοράς είναι απαραίτητος.

Η δαρβινική εξέλιξη ανταμείβει τις συνεργατικές συμπεριφορές;

Οι συμπεριφορές έχουν επίδραση στην εξέλιξη των ειδών και αντίστροφα. Αλλά ας μην ξεχνάμε ότι η εξέλιξη είναι το αποτέλεσμα τυχαίων γεγονότων που δημιουργούν συνέπειες που υπόκεινται στη φυσική επιλογή. Ορισμένες τυχαίες αλλαγές βελτιώνουν την πιθανότητα επιβίωσης και αναπαραγωγής ενός οργανισμού σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον, ενώ ορισμένες τη μειώνουν. Οι επιστήμονες προσπαθούν να ποσοτικοποιήσουν αυτές τις αλλαγές στατιστικά, ώστε να μπορούμε να κάνουμε προβλέψεις και να καταλάβουμε τι συνέβη στο παρελθόν.

Για να είμαστε σαφείς:Δεν υπάρχει συνειδητός στόχος ή κατεύθυνση ή συστημική πρόθεση ενσωματωμένη στην εξελικτική τροχιά μιας δεδομένης οντότητας, είτε είναι μονοκύτταρη είτε πολυκύτταρη. Ωστόσο, στην επιστημονική συζήτηση, είναι συχνά βολικό να μιλάμε για συμπεριφορές σαν να είναι αποτέλεσμα επιλογών. Αλλά τα κύτταρα δεν είναι συνειδητά όντα που ανταγωνίζονται σε ένα παιχνίδι όπως το Prisoner’s Dilemma, ας πούμε, το οποίο αντιμετωπίζει τα αποτελέσματα ως αποφάσεις.

Γιατί, λοιπόν, η θεωρία παιγνίων χρησιμοποιείται τόσο πολύ στην εξελικτική βιολογία;

Αρχικά αναπτύχθηκε ως εργαλείο για την εύρεση λύσεων σε παιχνίδια μηδενικού αθροίσματος που παίζονται από συνειδητούς πράκτορες και χρησιμοποιήθηκε εκτενώς για οικονομική ανάλυση σε ένα δυτικό καπιταλιστικό περιβάλλον. Είναι γεμάτη με ανθρωπόμορφη, φορτωμένη με αξίες γλώσσα και, εν μέρει ως αποτέλεσμα, η υιοθέτησή της από πολλούς μελετητές της εξελικτικής βιολογίας σημαίνει ότι τώρα τυχαία μιλάμε για «αλτρουιστικά» κύτταρα που διαπράττουν γενετική «αυτοκτονία» «συνεργαζόμενοι» με «αποστάτες». που "κέρδισε" έναν "διαγωνισμό" για τον "έλεγχο" των "δημόσιων αγαθών" σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα.

Αυτές οι ανθρωποκεντρικές μεταφορές γίνονται προβληματικές όταν ξεχνάμε ότι η γλωσσική συντομογραφία δεν αναφέρεται στις ανθρώπινες κοινωνίες και στις δικές μας επιλογές. Γι' αυτό, στο evo-devo-eco σχήμα των πραγμάτων, με ελκύει η αναπτυξιακή βιολογία και η έμφαση που δίνει στην ποσοτική κατανόηση των φυσικών και χημικών δομών.

Είναι δυνατόν να ξεκλειδωθεί το μυστικό του πώς ήμασταν εμείς — ως πολυκύτταρα πλάσματα;

Ο στόχος μου είναι να κατανοήσω τα γενετικά προγράμματα που επέτρεψαν στα κύτταρα σε πολυκύτταρες οντότητες να εξελίξουν έναν διαχωρισμό αναπαραγωγικής εργασίας μικροβίου-σώματος σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα, όχι να αναλύσω πώς η πολυκύτταρα προέλευσή μας έχει επηρεάσει την εξέλιξη των κοινωνιών μας. Ειλικρινά, με στενοχωρεί η ποσότητα της υποκειμενικότητας στην ανθρώπινη κοινωνία και επιδιώκω να το αποφύγω αυτό στην επιστήμη. Παραδέχομαι, ωστόσο, ότι οι βιολόγοι πρέπει να γοητεύονται από την εξέλιξη της πολυκυτταρικότητας, επειδή είμαστε πολυκύτταρα πλάσματα. Ένα κελί δεν μπορεί να τραγουδήσει με τη συμφωνία!