Warum sollte sich ein einzelliger Organismus zu einem mehrzelligen entwickeln?

Wie hat sich die Mehrzelligkeit entwickelt?

Es ist ein fortlaufendes Forschungsgebiet - Einige Erkenntnisse über den Ursprung der Mehrzelligkeit

Dies ist ein großes laufendes Forschungsgebiet. Um mit einem Beispiel zu beginnen, gab es vor relativ kurzer Zeit (2012) einen wichtigen Artikel von Ratcliff et al.Dies zeigt, dass Hefe unter Selektion auf die Geschwindigkeit, mit der sie in niedrigere Wasserschichten absinken, schnell Mehrzelligkeit entwickeln kann. Dieser Artikel ist einer unter vielen und kann bei weitem nicht alles erklären, was wir über die Evolution der Vielzelligkeit verstehen möchten. Typischerweise denke ich, dass diese Hefeart einen vielzelligen Vorfahren hatte, und wir könnten denken, dass diese Art bereits feste Allele (= Varianten von Genen, die festgelegt sind, was bedeutet, dass die gesamte Population diese Variante heute trägt) in der Population hat, für die diese Art prädisponiert ist leicht Mehrzelligkeit (re-)entwickeln. Außerdem haben sie möglicherweise eine gewisse additive genetische Varianz in ihrem Genom aus ihrer Vergangenheit beibehalten und würden daher sehr schnell auf die Selektion reagieren, da sie keine De-novo-Mutationen benötigen. (Entschuldigung, wenn dieser letzte Satz etwas technisch war).

Eines der ersten Merkmale, auf das wir uns normalerweise beziehen, wenn wir über die Evolution der Vielzelligkeit sprechen, ist das Vorhandensein von klebrigen Proteinen, die es einzelnen Zellen ermöglichen, aneinander zu kleben.

Einige Einblicke in die Evolution von einfachen Vielzellern zu komplexeren Vielzellern

Dann könnten wir über komplexere Vielzeller sprechen und argumentieren, wie sich diese einfachen Vielzeller zu komplexeren Organismen entwickeln. Ein häufiges Argument ist, dass Mehrzeller spezialisierte Zellen haben können, die sehr gut in der Lage sind, das zu tun, was sie tun, da sie spezialisiert sind. Es wird auch angenommen, dass ein gewisses Maß an Komplexität aufgrund der Tatsache gestiegen ist, dass vielzellige Organismen tendenziell eine geringere Populationsgröße haben als einzellige (siehe Lynch und Conery, 2003 ). Es ist wichtig, die Evolution der Komplexität nicht mit der Evolution der Vielzelligkeit zu verwechseln, obwohl diese beiden Begriffe irgendwie verwandt sind.

Was meinst du mit Mehrzelligkeit?

Die Evolution der Vielzelligkeit kann in dem Zusammenhang diskutiert werden, in dem Schwesterzellen zusammen einen Organismus bilden oder wenn nicht verwandte Zellen (von derselben Art oder sogar Zellen von verschiedenen Arten) zusammenkommen, um einen Organismus zu bilden. Außerdem kann die Mehrzelligkeit auf einer anderen Ebene diskutiert werden, je nachdem, wie wir Mehrzelligkeit definieren wollen. Ist ein Zellstapel, der sich individuell reproduziert und zu seinem eigenen Vorteil arbeitet, ein Vielzeller? Brauchen wir eine Arbeitsteilung? Brauchen wir eine Trennung zwischen Keimbahn (reproduktive Kaste) und Somalinie (nicht-reproduktiver Fall)?

Wie oft hat sich die Mehrzelligkeit unabhängig voneinander entwickelt?

Einige Leute denken, dass es vielzellige Bakterien (Biofilme) gibt, aber wir werden Diskussionen vermeiden, die auf Grenzfalldefinitionen basieren. Reden wir über Eukaryoten. Die meisten Eukaryoten sind einzellig und die Mehrzelligkeit hat sich in Eukaryoten viele Male unabhängig voneinander entwickelt. Komplexe Mehrzelligkeit hat sich meines Wissens jedoch nur (nur?) 6 Mal unabhängig voneinander in Eukaryoten entwickelt.

• Metazoen (Tiere)
• Ascomyceta (Pilze)
• Basidiomyceta (Pilze)
• Viridiplantae (grüne Pflanzen)
• Florideophyceae (Rotalgen)
• Laminariales (Braunalge)

Modellorganismen und interessante Fälle zum Studium der Vielzelligkeit

Es gibt eine Reihe spezifischer Kladen, die besonders an der Untersuchung der Vielzelligkeit interessiert sind, weil sie Übergangszustände darstellen. Zum Beispiel ist Volvox eine Chlorophytengattung und die Arten in dieser Gruppe weisen verschiedene Stadien der Vielzelligkeit auf; Einige Arten sind ausschließlich vielzellig, einige bilden kleine Gruppen, einige bilden große Kolonien, einige haben eine gewisse Arbeitsteilung und einige haben sogar eine Trennung zwischen Keimbahn und Soma (einige Kasten reproduzieren sich nicht). ( Ref1 , Ref2 , Ref3 , Ref4 , Ref5 , Ref6 ). Hefen sind auch ein guter Modellorganismus, um die Evolution der Vielzelligkeit zu untersuchen.

Zum einen sind größere Organismen viel energieeffizienter. Dies ist das sogenannte Kleibersche Gesetz, bei dem der Kalorienbedarf als 3/4-Potenz der Körpermasse skaliert wird.

Eine andere Sache ist, dass, wenn alle Zellen zusammenarbeiten, um einen vielzelligen Organismus zu bilden, sich jedes einzelne Individuum eher vermehrt und weniger wahrscheinlich aufgrund von Umweltschwankungen stirbt, weil Kooperation Stabilität schafft.

Es gibt mehrere Theorien darüber, wie es dazu kam , aber das sind die Gründe dafür . Zusammenarbeit und Effizienz verbessern die Überlebenschancen, was bedeutet, dass die Selektion mehrzellige Organismen begünstigt, wie auch immer sie entstanden sind.

Haftungsausschluss: Nicht mein Forschungsgebiet und kein Gebiet, in dem ich die Literatur gut kenne. Sehen Sie es als Ergänzung zu den anderen Antworten.

Ein entscheidender Vorteil der Mehrzelligkeit sind spezialisierte Funktionen verschiedener Zellen. Dies kann eine höhere Effizienz von zB Stoffwechselprozessen ermöglichen und auch, dass redundante Funktionen von einigen Zelllinien entfernt werden können, da sie von anderen Zellen gehandhabt werden können. Daher können die Bestandteile einfacher werden, während der resultierende Organismus gleichzeitig komplexer wird. Die mathematische Modellierung zellulärer Systeme hat gezeigt, wie sich diese Art der Arbeitsteilung aus einzelligen Linien ( Ispolatov et al. 2011 ) über die Schritte der Aggregation und Differenzierung aus bereits bestehenden Funktionen entwickeln kann.

Ein interessanter Zwischenschritt, der einige Hinweise darauf geben kann, wie sich Mehrzelligkeit entwickeln kann, ist bei Cyanobakterien, wo einige einzellige Arten eine partielle Spezialisierung zeigen können, zB wenn sie Teil eines zellulären Biofilms sind. Eine phylogenetische Studie von Cyanobakterien hat auch gezeigt, dass sie sich mindestens fünfmal von der Mehrzelligkeit in die Einzellerigkeit geändert haben, und die meisten vorhandenen Cyanobakterien scheinen von vielzelligen Vorfahren abzustammen ( Schirrmeister et al. 2011 ). Das bedeutet, dass die Evolution der Vielzelligkeit keine Einbahnstraße ist, sondern ein viel komplexerer Prozess zu sein scheint.

Ich ermutige DRINGEND dazu, Arbeiten aus dem Labor von Nicole King zu lesen – sie untersucht Choanoflagellaten, die die „Außengruppe“ für Tiere sind – sie sind in gewisser Weise die tierähnlichsten einzelligen Organismen, die es gibt.

Chaonos sind auch erstaunlich, weil sie in ihrem eigenen Lebenszyklus einen Übergang von einer Einzeller zu einer Vielzeller durchlaufen , so dass sie eine erstaunliche Gelegenheit bieten zu verstehen, wann es vorteilhafter ist, Einzeller gegenüber Mehrzellern zu sein. Derzeit ist eine der Arbeitshypothesen der Gruppe, dass einer der Haupttreiber des Vorstoßes in Richtung Mehrzelligkeit möglicherweise nur die einfache Fluiddynamik war: Die Strömungen um eine kugelförmige vielzellige "Rosette" von Chaonos bringen ihnen mehr Nahrung.

Wenn Sie sich für den evolutionären Übergang zur Vielzelligkeit interessieren, müssen Sie die Arbeiten der King Group lesen .

Wenn einzelne Zellen in der Lage sind, alleine zu überleben, warum hat sich dann die Vielzelligkeit entwickelt?

Diese Situation kann in gewisser Weise mit der Entwicklung von Familie und Gesellschaft verglichen werden; In Krisenzeiten steigen die Überlebenschancen, wenn jemand in einer Gruppe bleibt.

Ähnliche Bedingungen hätten zur Evolution der Mehrzelligkeit geführt. Der Unterschied zwischen wirklich vielzellig und nur einer Gruppe von Zellen besteht darin, dass bei der Vielzelligkeit die einzelnen Zellen ohne die anderen nicht überleben können. Darüber hinaus erfüllen verschiedene Zellen in einem vielzelligen Organismus verschiedene Arten von Funktionen. Es ist jedoch sicherlich wahrscheinlich, dass die Gruppierung ohne starke Abhängigkeit die frühen Stadien in der Evolution der Vielzelligkeit darstellte.

Eine der komplexen Arten mikrobieller Kolonien ist Biofilm . In einem Biofilm haben verschiedene "Regionen" der Kolonie unterschiedliche funktionelle Rollen; Die "äußeren" Zellen nehmen Nährstoffe für die Kolonie aus der Umgebung auf, während sich die inneren Zellen vermehren und die Kolonie am Leben erhalten. Bakterien haben auch eine Art entwickelt, mit anderen Bakterien (der gleichen Spezies) durch einen Mechanismus, der als Quorum Sensing bekannt ist, zu signalisieren (oder zu „sprechen“) , was in gewisser Weise das Verhalten der Bakterien ändert, wenn sie dann in einer Gruppe bleiben.

Dictyostelium oder Schleimpilz (oder liebevoll Dicty genannt:) ) ist ein Beispiel für die frühe Entwicklung der Vielzelligkeit bei Eukaryoten. Bei reichlich Nahrung bleibt Dicty als einzellige Amöbe. Wenn es jedoch an Nahrung mangelt, beginnen die fleischigen Amöben, sich zu gruppieren und eine vielzellige „Schnecke“ hervorzubringen. Die gefährliche Schnecke wandert umher und wenn sie auf die richtigen Bedingungen (z. B. Feuchtigkeit) trifft, differenziert sie sich zu einem "Fruchtkörper", der mehr oder weniger wie eine Pilzspore aussieht. In einem Fruchtkörper bilden einige Zellen die Sporen (die neue Fruchtkörper produzieren), während einige Zellen den Stiel bilden (der die Sporen trägt). Anscheinend ist die Wahl, zu welchem ​​Teil eine Zelle wird, zufällig, und in diesem Stadium sind die einzelnen diktierenden Amöben nicht mehr egoistisch.

                 

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^{Wikipedia entnommen}

Volvox ist ein weiteres Beispiel für ein frühes Stadium der mehrzelligen Evolution.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass einzelne Zellen sehr gut alleine überleben können. In manchen Situationen hätte die Mehrzelligkeit dem Organismus jedoch einige Überlebensvorteile verschafft. Sie sollten verstehen, dass dies nur eine der Überlebensstrategien ist und nicht alle Organismen dies übernehmen müssen. Tatsächlich gibt es auf dem Planeten viel mehr einzellige Arten als vielzellige.

Ich möchte Remis Vorschlag wiederholen, dass Sie sich diese Seite mit dem Titel „ Evolution verstehen“ ansehen sollten, die von der UC Berkeley gehostet wird .

Sie können sich auch diesen Beitrag auf unserer Website über einen wiederkehrenden Zweifel ansehen, mit dem viele Studenten und Nicht-Experten auf dem Gebiet der Evolution konfrontiert sind: " Warum entwickeln sich einige schlechte Eigenschaften und gute nicht? "

Aus dem gleichen Grund, aus dem sich die Sozialität unter Tieren so oft entwickelt hat. Es gibt viele Vorteile, ähnliche Gefährten zu haben. Und vielzellige Organismen sind schließlich nur eine Kolonie, manchmal eine Gesellschaft, einzelner Zellen.

Der Eukaryot, der zu den modernen Organellen der Mitochondrien wurde, kombiniert mit Prokaryoten. Dies geschah wahrscheinlich als Folge davon, dass die Mitochondrien von der Elternzelle absorbiert, aber nicht zerstört wurden, da sie energiereiche ATP-Moleküle unter Verwendung von Sauerstoff und Wasser durch Atmung erzeugten.

Dies waren die ersten eukaryotischen Zellen, sie wurden zu eukaryotischem, vielzelligem Leben.

Verschiedene Vorteile für Eukaryoten, die vielzellig werden, umfassen:

Das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche einer Zelle verleiht Zellen eine natürliche Größe von wenigen Mikrometern. Größere Einzelzellen haben zunehmend Schwierigkeiten, genügend Nährstoffe oder Sauerstoff für das Volumen ihres Zytoplasmas aufzunehmen.

Amöben können aufgrund ihrer unregelmäßigen Form größer sein, dies stellt sicher, dass sie an keiner Stelle innerhalb der Zelle zu weit von der Zelloberfläche entfernt ist. In nährstoffreichen Teilen der Tiefsee, wie der Valonia Ventricosa, gibt es auch verschiedene mehr kugelförmige einzellige Lebewesen im Zentimetermaßstab.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Valonia_ventricosa

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich Strukturen zwischen Zellen außerhalb der Zellwände bilden können, die im Körper der Kreatur noch geschützt werden können. Ein solches Verbindungsnetzwerk wird bei Tieren als extrazelluläre Matrix bezeichnet.

https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/cells/cytoskeleton/v/introduction-to-cytoskeleton

Beachten Sie, dass Kreaturen wie der Meeresschwamm vielzellig sind, aber keine bestimmten Körperbereiche wie Organe haben, wie dies bei Tieren der Fall ist.

„Die Gene, die ich in meinem Artikel bespreche, waren beim gemeinsamen Vorfahren allen Lebens auf der Erde nicht vorhanden. Sie existieren beispielsweise nicht in Bakterien. Sie existieren (soweit Wissenschaftler wissen) nicht einmal in Schwämmen. Erst nach den Vorfahren von Nesseltieren und Bilaterianern, die von Schwämmen abgewichen sind, sind sie entstanden. (Ein Planet der Viren, Carl Zimmer) Dies ist das Zitat, das ich, soweit ich mich erinnere, in Bezug auf „Bodybuilding“ bei vielen Kreaturen finden konnte, aber nicht beim Meeresschwamm.