La mutation génétique peut conduire à l'évolution, mais pas tout seul. La physique peut être un copilote puissant, parfois même mettre le cap.

Dans une nouvelle étude, des physiciens et des biologistes évolutionnistes du Georgia Institute of Technology ont montré comment le stress physique peut avoir fait progresser de manière significative le chemin évolutif des organismes unicellulaires aux organismes multicellulaires. Dans des expériences avec des grappes de cellules de levure appelées levure de flocon de neige, les forces dans les structures physiques des grappes ont poussé les flocons de neige à évoluer.

"L'évolution de la multicellularité est autant une question de physique que de biologie, " a déclaré le biologiste Will Ratcliff, professeur adjoint à la School of Biological Sciences de Georgia Tech.

Plus ils sont gros...

Comme les premiers ancêtres des organismes multicellulaires, dans cette étude, la levure de flocon de neige s'est retrouvée dans une énigme :à mesure qu'elle grossissait, les contraintes physiques l'ont déchiré en plus petits morceaux. Donc, comment maintenir la croissance nécessaire pour évoluer vers un organisme multicellulaire complexe ?

Dans le laboratoire, ces forces de cisaillement ont fait le jeu de l'évolution, tracer une piste pour orienter l'évolution des levures vers les plus grosses, flocons de neige plus durs.

« En seulement huit semaines, la levure de flocon de neige a évolué plus grosse, des corps plus robustes en découvrant la physique de la matière molle qu'il a fallu des centaines d'années aux humains pour apprendre, " a déclaré Peter Yunker, professeur adjoint à la Georgia Tech School of Physics. Lui et Ratcliff ont collaboré à la recherche qui a documenté l'évolution et mesuré les propriétés physiques de la levure de flocon de neige mutée.

Ils ont publié leurs résultats le 27 novembre 2017, dans la revue Physique de la nature . Le travail a été financé par le programme d'exobiologie de la NASA, la Fondation nationale des sciences, et une bourse de la Fondation Packard à Ratcliff.

Questions et réponses

Voici quelques questions et réponses pour éclairer l'étude et sa signification.

Mais d'abord, un peu de contexte :levure de boulangerie, qui a été utilisé dans ces expériences, est généralement un organisme unicellulaire. Les cellules de levure avec une mutation bien connue se regroupent en groupes appelés flocons de neige.

Ce n'était pas l'objet des expériences, mais les flocons de levure ont été le point de départ de cette étude sur l'évolution de la multicellularité.

Pourquoi cette étude est-elle importante ?

Un tel amas de cellules comme un flocon de neige de levure n'est pas encore un organisme multicellulaire bien intégré. Parvenir à une multicellularité, même simple, comme celle de certaines algues, est un très long parcours évolutif.

"C'est un voyage de mille pas, " Ratcliff a déclaré. " Le changement clé est que ce groupe de cellules n'évolue pas comme un gang de cellules individuelles mais comme un individu multicellulaire. "

Dans ce travail, les chercheurs ont montré comment la levure flocon de neige a fait les premiers pas dans cette direction en développant des corps multicellulaires plus résistants qui ont soutenu la croissance. Le processus a été principalement conduit par des forces physiques, car les simples flocons de neige n'avaient pas de mécanismes biologiques internes complexes capables d'être les principaux moteurs.

"C'est un exemple étonnant d'adaptation multicellulaire autour de contraintes physiques bien avant l'évolution d'un programme de développement cellulaire, " a déclaré Yunker.

Comment fonctionne cette évolution via le stress physique ?

"Les flocons de neige de levure ont poussé en ajoutant des cellules bout à bout pour former des branches un peu comme celles d'un buisson, " dit Yunker. " Mais les branches se sont serrées les unes contre les autres, et le stress qui en a résulté a fait rompre certains."

La casse a réduit la taille des flocons de neige individuels de levure, mais après plusieurs générations, les flocons de neige ont évolué pour réduire l'encombrement des branches en allongeant ses cellules individuelles.

Par conséquent, les flocons de neige globaux étaient moins stressés et pouvaient devenir plus gros et plus robustes.

En outre, Les chercheurs de Georgia Tech ont découvert que la physique faisait que les flocons de neige avaient essentiellement des bébés. Spécifiquement, les morceaux qui se sont détachés sont devenus des propagules qui se sont transformées en flocons de neige.

Cette reproduction a été créée par la force physique et non par un programme biologique. Ratcliff a publié une étude distincte sur l'aspect reproduction le 23 octobre, 2017, dans la revue Transactions philosophiques de la Royal Society B .

"La physique fait beaucoup pour la multicellularité, " Ratcliff a dit. " Cela lui donne aussi un cycle de vie. " Le cycle de vie fait référence à la naissance, croissance, la reproduction, et la mort.

"Un consensus se forme pour que quelque chose évolue vraiment vers la multicellularité, très tôt, un cycle de vie multicellulaire doit se développer."

Comment les expériences ont-elles sélectionné ces adaptations spécifiques ?

Ratcliff et Yunker ont rationalisé l'évolution en laboratoire en créant un régime de sélection cohérent pour l'évolution des flocons de neige de levure. Dans ce cas, ils ont choisi les flocons de neige qui coulaient le mieux.

Les flocons de neige qui coulaient mieux étaient plus lourds, parce qu'ils sont devenus plus gros que les autres de la manière décrite ci-dessus, en leur donnant plus de masse. « Les clusters qui ont évolué pour grossir étaient donc aussi plus lourds, " dit Ratcliff.

Ce dispositif de sélection expérimentale convenait à l'évolution naturelle, qui a également dû sélectionner la taille pour arriver à des corps multicellulaires complexes, qui sont beaucoup, beaucoup plus grande que les cellules individuelles.

La mutation des branches est génétique. La physique est-elle vraiment si importante ici ?

C'est exact :des mutations génétiques aléatoires ont donné le meilleur, des branches plus longues dans certains flocons de levure leur donnant un avantage de poids cumulatif.

Mais la propagation des mutations supérieures des flocons de neige était le résultat de contraintes physiques qui ne cassaient pas les flocons de neige jusqu'à ce qu'ils soient devenus plus gros.

Les morceaux qui se sont finalement cassés, dû uniquement à la force physique, étaient les propagules. Certains d'entre eux ont porté des mutations qui ont rendu les nouveaux flocons de neige encore meilleurs pour couler.

Et ce fut une étape critique dans l'évolution multicellulaire.

Comment le stress a-t-il été corroboré comme la cause de la séparation des flocons de neige ?

Les chercheurs ont mis les propriétés matérielles des flocons de neige à l'épreuve sous un microscope à force atomique. "Nous avons écrasé les grappes et mesuré la force et l'énergie dont vous aviez besoin pour les briser, " a déclaré Yunker.

"La mesure physique indiquait de près la taille que les grappes atteindraient avant de rompre une branche en raison du stress, " dit Ratcliff.