Los científicos han pensado durante mucho tiempo que había una conexión directa entre el aumento del oxígeno atmosférico, que comenzó con el Gran Evento de Oxigenación hace 2.500 millones de años, y el surgimiento de organismos multicelulares grandes y complejos.
Esa teoría, la "Hipótesis del control del oxígeno", sugiere que el tamaño de estos primeros organismos multicelulares estaba limitado por la profundidad a la que el oxígeno podía difundirse en sus cuerpos. La hipótesis hace una predicción simple que ha sido muy influyente tanto en la biología evolutivay geociencias: un mayor oxígeno atmosférico siempre debería aumentar el tamaño al que pueden crecer los organismos multicelulares.
Es una hipótesis que ha demostrado ser difícil de probar en un laboratorio. Sin embargo, un equipo de investigadores de Georgia Tech encontró una manera, utilizando la evolución dirigida, la biología sintética y el modelado matemático, todo aplicado a una forma de vida multicelular simple llamada 'levadura de copo de nieve '. Los resultados: nueva información significativa sobre las correlaciones entre la oxigenación de la Tierra primitiva y el surgimiento de grandes organismos multicelulares, y se trata exactamente de cuánto O2 estaba disponible para algunos de nuestros primeros antepasados multicelulares.
"El efecto positivo del oxígeno en la evolución de la multicelularidad depende totalmente de la dosis: la primera oxigenación de nuestro planeta habría limitado fuertemente, no promovido, la evolución de la vida multicelular", explica G. Ozan Bozdag, científico investigador de la Escuelaof Biological Sciences y el autor principal del estudio. "El efecto positivo del oxígeno sobre el tamaño multicelular solo puede darse cuenta cuando alcanza niveles altos".
"Supresión con oxígeno de la multicelularidad macroscópica" se publicó en la edición del 14 de mayo de 2021 de la revista Comunicaciones de la naturaleza . Los coautores de Bozdag en el artículo incluyen a los investigadores de Georgia Tech Will Ratcliff, profesor asociado en la Facultad de Ciencias Biológicas; Chris Reinhard, profesor asociado en la Facultad de Ciencias de la Tierra y Atmosféricas; Rozenn Pineau, estudiante de doctorado en laFacultad de Ciencias Biológicas y el Programa de Posgrado Interdisciplinario en Biociencias Cuantitativas QBioS; junto con Eric Libby, profesor asistente en la Universidad de Umea en Suecia y el Instituto Santa Fe en Nuevo México.
Hacer que la levadura evolucione en un tiempo récord
"Demostramos que el efecto del oxígeno es más complejo de lo que se imaginaba anteriormente. De hecho, el aumento temprano del oxígeno global debería restringir fuertemente la evolución de la multicelularidad macroscópica, en lugar de seleccionar organismos más grandes y complejos", señala Ratcliff.
"La gente ha creído durante mucho tiempo que la oxigenación de la superficie de la Tierra era útil - algunos llegaron a decir que es una condición previa - para la evolución de organismos multicelulares grandes y complejos", agrega. "Pero nadie ha probado nuncaesto directamente, porque no hemos tenido un sistema modelo que sea capaz de sufrir muchas generaciones de evolución rápidamente y que pueda crecer en todo el rango de condiciones de oxígeno, "desde condiciones anaeróbicas hasta niveles modernos.
Los investigadores pudieron hacer eso, sin embargo, con levadura de copo de nieve, organismos multicelulares simples capaces de un cambio evolutivo rápido. Al variar su entorno de crecimiento, desarrollaron levadura de copo de nieve durante más de 800 generaciones en el laboratorio con selección para un tamaño mayor.
Los resultados sorprendieron a Bozdag. "Me sorprendió ver que la levadura multicelular duplicaba su tamaño muy rápidamente cuando no podían usar oxígeno, mientras que las poblaciones que evolucionaron en un ambiente moderadamente oxigenado no mostraron ningún aumento de tamaño", dice.el efecto es sólido, incluso en escalas de tiempo mucho más largas ".
El tamaño y los niveles de oxígeno son importantes para el crecimiento multicelular
En la investigación del equipo, "el tamaño grande evolucionó fácilmente cuando nuestra levadura no tenía oxígeno o lo tenía en abundancia, pero no cuando el oxígeno estaba presente en niveles bajos", dice Ratcliff. "Hicimos mucho más trabajo para demostrar que esto esen realidad, un resultado totalmente predecible y comprensible del hecho de que el oxígeno, cuando se limita, actúa como un recurso: si las células pueden acceder a él, obtienen un gran beneficio metabólico. Cuando el oxígeno es escaso, no puede difundirse muy lejos en los organismos,por lo que existe un incentivo evolutivo para que los organismos multicelulares sean pequeños, permitiendo que la mayoría de sus células accedan al oxígeno, una restricción que no existe cuando el oxígeno simplemente no está presente, o cuando hay suficiente alrededor para difundirse más profundamente entejidos. "
Ratcliff dice que el trabajo de su grupo no solo desafía la hipótesis del control del oxígeno, sino que también ayuda a la ciencia a comprender por qué estaba ocurriendo tan poca innovación evolutiva aparente en el mundo de los organismos multicelulares en los mil millones de años posteriores al Gran Evento de Oxigenación. Ratcliff explica que los geólogos llamanEste período, el "Aburrido billón" en la historia de la Tierra, también conocido como el Tiempo más dulce 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, y los organismos multicelulares permanecieron relativamente pequeños ysencillo.
Bozdag agrega otra perspectiva sobre la naturaleza única del estudio. "El trabajo anterior examinó la interacción entre el oxígeno y el tamaño multicelular principalmente a través de los principios físicos de la difusión de gas", dice. "Si bien ese razonamiento es esencial, también necesitamos unConsideración de los principios de la evolución darwiniana al estudiar el origen de la vida multicelular compleja en nuestro planeta ". Finalmente, poder hacer avanzar organismos a través de muchas generaciones de evolución ayudó a los investigadores a lograr precisamente eso, agrega Bozdag.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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