¿El temprano aumento del oxígeno en la Tierra ayudó al desarrollo de la vida multicelular?

imagen: Representación artística del Early Earth Show Más

Crédito: NASA

Los científicos han creído durante mucho tiempo que existe una relación directa entre el aumento de oxígeno en la atmósfera, que comenzó con el evento de la Gran Oxigenación hace 2.500 millones de años, y la aparición de organismos multicelulares grandes y complejos.

Esta teoría, la “hipótesis del control del oxígeno”, sugiere que el tamaño de estos primeros organismos multicelulares estaba restringido por la profundidad a la que el oxígeno podía difundirse por sus cuerpos. La hipótesis hace una predicción simple que ha tenido un gran impacto tanto en la biología evolutiva como en las ciencias de la tierra: el oxígeno en la atmósfera siempre debería aumentar el tamaño al que pueden crecer los organismos multicelulares.

Es una hipótesis que ha resultado difícil de probar en el laboratorio. Sin embargo, un equipo de investigadores de Georgia Tech ha encontrado un método, que utiliza la evolución dirigida, la biología sintética y el modelado matemático, y todo se aplica a una forma simple de vida multicelular llamada “ levadura de copo de nieve ”. ¿Consecuencias? Nueva información importante sobre los vínculos entre la oxigenación primitiva de la Tierra y la aparición de grandes organismos multicelulares, todo relacionado con la cantidad exacta de O2 disponible para algunos de nuestros primeros antepasados ​​multicelulares.

“El efecto positivo del oxígeno en el desarrollo multicelular depende completamente de la dosis: la primera oxigenación de nuestro planeta habría limitado gravemente el desarrollo de la vida multicelular, no mejorado”, explica Guy Ozan Bozdag, científico investigador de la Facultad de Biología Biológica. Ciencia y autor principal del estudio. “El efecto positivo del oxígeno sobre el volumen multicelular solo se puede lograr cuando alcanza niveles altos”.

“La supresión de oxígeno de la multiplicidad macroscópica” se publica en la edición del 14 de mayo de 2021 de la revista. Comunicaciones de la naturaleza. Los coautores de Bozdag en el artículo son los investigadores de Georgia Tech Will Ratcliffe, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Biológicas; Chris Reinhard, profesor asociado de la Facultad de Ciencias de la Tierra y Atmosféricas; Rosen Pino, PhD. Estudiante de la Facultad de Ciencias Biológicas y del Programa de Posgrado Interdisciplinario en Ciencias Biológicas Cuantitativas (QBioS); Junto con Erik Libby, profesor asociado en la Universidad de Umeå en Suecia y el Instituto Santa Fe en Nuevo México.

Guía la levadura para que se desarrolle en un tiempo récord

Ratcliffe señala: “Estamos demostrando que el efecto del oxígeno es más complejo de lo que se imaginaba anteriormente. De hecho, un aumento temprano del oxígeno global debería restringir el desarrollo de células macroscópicas, en lugar de seleccionar organismos más grandes y complejos”.

“La gente ha creído durante mucho tiempo que la oxigenación de la superficie de la Tierra era beneficiosa —algunos han llegado a decir que es una condición previa— para el desarrollo de organismos multicelulares grandes y complejos”, añade. “Pero nadie ha experimentado esto directamente, porque no teníamos un sistema típico que sea capaz de pasar por muchas generaciones de evolución rápida y capaz de crecer en una amplia gama de condiciones de oxígeno”, desde condiciones anaeróbicas hasta niveles modernos.

Los investigadores pudieron hacerlo, con levadura de copo de nieve, organismos multicelulares simples capaces de un cambio evolutivo rápido. Al cambiar su entorno de crecimiento, han desarrollado levadura de copo de nieve durante más de 800 generaciones en el laboratorio con la selección de tamaño más grande.

Los resultados de Bozdag sorprendieron. “Me sorprendió ver que la levadura multicelular duplicaba su tamaño muy rápidamente cuando no podían usar oxígeno, mientras que las poblaciones que se desarrollaban en un ambiente moderadamente oxigenado no mostraban ningún aumento de tamaño”, dice. “Este efecto es fuerte, incluso durante períodos de tiempo mucho más largos”.

El tamaño y los niveles de oxígeno son dos factores importantes para el crecimiento multicelular.

En la investigación del equipo, Ratcliffe dice: “Un gran volumen evolucionó fácilmente cuando la levadura no contenía oxígeno o lo contenía mucho, pero no cuando el oxígeno estaba presente en niveles bajos”. “Hemos trabajado mucho para demostrar que este es en realidad un resultado bastante predecible y comprensible del hecho de que el oxígeno, en su límite, actúa como un recurso; si las células pueden acceder a él, obtienen un enorme beneficio metabólico. el oxígeno es escaso, no puede circular. Tan lejos en los seres vivos, por lo que existe un incentivo evolutivo para que los organismos multicelulares sean pequeños, lo que permite que la mayoría de sus células accedan al oxígeno, una limitación que no existe cuando el oxígeno simplemente no está presente. o cuando hay suficiente para difundirse más profundamente en los tejidos ”.

El trabajo de su grupo no solo desafía la hipótesis del control del oxígeno, dice Ratcliffe, sino que también ayuda a la ciencia a comprender por qué una innovación evolutiva aparente en el mundo de los organismos multicelulares sería tan pequeña en los mil millones de años posteriores al Gran Evento de Oxigenación. Ratcliffe explica que los geólogos llaman a este período los “mil millones aburridos” en la historia de la Tierra, también conocido como el período aburrido en la historia de la Tierra y la Edad Media de la Tierra, un período en el que el oxígeno estaba presente en la atmósfera, pero en niveles bajos, organismos multicelulares. permaneció La serpiente es relativamente joven y sin pretensiones.

Bozdag agrega otra perspectiva sobre la naturaleza única del estudio. Él dice: “El trabajo anterior examinó la interacción entre el oxígeno y el volumen multicelular principalmente a través de los principios físicos de la difusión de gases”. “Si bien esta lógica es necesaria, también necesitamos un estudio integral de los principios de la evolución darwiniana al estudiar el origen de la vida compleja y multicelular en nuestro planeta”. Bozdag agrega que poder finalmente desarrollar seres vivos a través de muchas generaciones de evolución ayudó a los investigadores a lograrlo.

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Cita: Bozdag, GO, Libby, E., Pineau, R. et al. , “Supresión de oxígeno de la multiplicidad macroscópica”. (Nat Common 12, 2838 2021). https: //Resonar.Ciervo /10.1038 /s41467-021-23104-0

Este trabajo fue apoyado por la Beca No. DEB-1845363 a WCR, subvención NSF no. IOS-1656549 a WCR, NSF otorga no. Reconoce IOS-1656849 a EL, y la Beca de Ciencia e Ingeniería de la Fundación Packard a WCRCTR y WCR financiada por el Instituto de Astrobiología de la NASA.

El Instituto de Tecnología de Georgia, o Georgia Tech, es una de las 10 principales universidades públicas de investigación que desarrollan líderes que hacen avanzar la tecnología y mejoran la condición humana. El instituto ofrece títulos en negocios, computación, diseño, ingeniería, artes liberales y ciencias. Casi 40.000 estudiantes, que representan a 50 estados y 149 países, estudian en los campus principales de Atlanta, en los campus de Francia y China, y mediante el aprendizaje a distancia y en línea. Como universidad de tecnología líder, Georgia Tech es el motor del desarrollo económico de Georgia, el sudeste y la nación, y realiza anualmente más de $ 1 mil millones en investigaciones para el gobierno, la industria y la sociedad.

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