Perché i procarioti multicellulari sono scomparsi?

Perché i procarioti non hanno mai sviluppato una multicellularità complessa? Una nuova ipotesi ha indicato che potrebbe dipendere dal modo in cui i genomi procariotici rispondono a una popolazione di piccole dimensioni

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Procarioti

Esistono due tipi di cellule: procariotiche ed eucariotiche. In questa sezione esploreremo le somiglianze e le differenze tra questi due tipi.

Gli organismi unicellulari dei domini Batteri e Archea sono classificati come procarioti ( pro = prima; karyon – = nucleo). Le cellule animali, vegetali, funghi e protisti sono eucarioti ( eu = vero).

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Perché i procarioti non si sono mai evoluti?

Ogni organismo visibile ad occhio nudo è una massa di cellule geneticamente identiche. Ognuna di queste creature multicellulari è nata come un’unica cellula che si è divisa innumerevoli volte per produrre il proprio corpo.

E sebbene ogni cellula contenga lo stesso genoma, esprime il proprio DNA in vari modi, dando origine a cellule e tessuti specializzati che svolgono ruoli diversi, come la pelle, il fegato o le cellule immunitarie. Questa complessa multicellularità si è evoluta indipendentemente in almeno cinque linee evolutive: animali, piante terrestri, alghe brune, alghe rosse e funghi.



Per quanto diverse possano essere queste creature multicellulari, i loro corpi sono tutti composti dallo stesso tipo di cellule: cellule eucariotiche, che racchiudono il loro DNA in un nucleo e possiedono mitocondri che producono energia.

Le cellule procariotiche molto più antiche, che costituiscono i vasti regni dei batteri e degli archaea e le cui cellule mancano di queste caratteristiche, non hanno mai fatto decollare la complessa multicellularità.

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Si sono evoluti forme primitive di multicellularità, come colonie di cianobatteri fotosintetici, ma poi si sono fermati. Anche con un vantaggio iniziale di 1,5 miliardi di anni sugli eucarioti, i procarioti non hanno mai evoluto questo altro modo di vivere.

Perché? “Non c’è mai stata un’ipotesi molto soddisfacente“, ha detto Carl Simpson, paleobiologo dell’Università del Colorado, Boulder. È possibile che ci sia qualcosa di eccezionale nelle cellule eucariotiche, come la loro capacità di costruire membrane interne, che rende più facile il raggiungimento della multicellularità.

O forse l’energia extra fornita dai mitocondri ha aiutato gli eucarioti a rilanciare il processo. O forse ancora la capacità degli eucarioti di riprodursi sessualmente e di rimescolare regolarmente la loro diversità genetica li ha fatti superare l’ostacolo. Tuttavia, per alcuni scienziati queste spiegazioni possono sembrare marginali.

Lo studio sulle forze evolutive delle cellule

E se stesse succedendo qualcosa di molto più semplice e strano? In un recente studio pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences, i biologi Emma Bingham e William Ratcliff del Georgia Institute of Technology hanno avanzato un’idea completamente nuova, che hanno testato in un modello computazionale.

Bingham e Ratcliff hanno indicato che il modo in cui i genomi procariotici ed eucariotici rispondono alla dimensione della popolazione può creare o distruggere le loro possibilità di evolvere la multicellularità.

È un’ipotesi affascinante e, se ulteriori lavori la confermeranno, potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui gli scienziati concepiscono questa transizione e mettere in discussione un’ipotesi chiave che fanno sulle forze evolutive.

Nel 2007, Michael Lynch, un biologo evoluzionista dell’Arizona State University, ha sottolineato un difetto nel modo in cui molte persone pensano all’evoluzione. È facile supporre che l’evoluzione sia sinonimo di selezione naturale, la forza che elimina le forme di geni meno vantaggiose e promuove la sopravvivenza del più adatto.

Ci sono tuttavia altre forze in gioco, spesso in contrasto con la selezione naturale. Uno di questi è la deriva genetica, che introduce cambiamenti casuali nella variazione genetica tra le generazioni. E nelle piccole popolazioni, la deriva genetica è più influente di quanto molti credano.

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In popolazioni numerose, gli effetti della deriva genetica sono minimi. Quando molti individui si riproducono, i loro geni vengono mescolati e riordinati casualmente nella generazione successiva, con probabilità solo medie di essere trasmessi. A meno che la selezione naturale non intervenga per eliminare alcuni tratti dal pool genetico o per privilegiare nuove mutazioni benefiche, il profilo genetico della popolazione rimane più o meno lo stesso.

I genomi dei procarioti, tuttavia, tendono a collassare di dimensioni di fronte alla deriva genetica, come suggerito dal lavoro svolto da Howard Ochman dell’Università del Texas, Austin e Louis-Marie Bobay, ora alla North Carolina State University.

Non è chiaro il motivo, ma potrebbe essere perché la regolazione genetica nei procarioti sia molto meno complessa: tutti i loro geni vengono trascritti. L’eliminazione del DNA potrebbe essere il loro modo di affrontare il problema che i geni non ideali prendono il sopravvento a causa della deriva genetica, ha ipotizzato Simpson, che non è stato coinvolto nella nuova ricerca. Forse eliminare pezzi del genoma è una difesa contro gli effetti casuali della deriva.

Non era chiaro se tutti i procarioti lo facessero, Ratcliff lo sapeva. Ma se, in un attimo, i procarioti ancestrali si fossero sbarazzati del DNA invece di accumularlo, avrebbero potuto avere difficoltà a mettere insieme gli strumenti per effettuare una transizione verso la multicellularità?

Procarioti

Ratcliff e Bingham, che è un biologo computazionale, hanno pensato alle conseguenze. In effetti, l’evoluzione della multicellularità può comprimere quelli che una volta erano molti organismi in una popolazione più piccola. Potrebbero esserci molte cellule, ma sono tutte lo stesso organismo.

In tal caso, la transizione potrebbe aver alimentato, ed essere stata alimentata, dalla tendenza degli eucarioti all’espansione del genoma. In altre parole, la capacità di effettuare la transizione verso la multicellularità potrebbe dipendere dal modo in cui una popolazione gestisce il proprio genoma in situazioni difficili. Ratcliff e Bingham si sono chiesti se potevano trovare un modo per testare questa ipotesi.

Sotto questa pressione demografica, i procarioti e gli eucarioti potrebbero rispondere in modo diverso: i primi in un modo che crea barriere all’evoluzione della multicellularità, e i secondi in un modo che la accelera.

Gli scienziati hanno esaminato i genomi dei cianobatteri, che hanno evoluto molte forme di multicellularità primitiva e hanno scoperto che maggiori sono le caratteristiche di multicellularità di un dato ceppo di cianobatteri, più grande è il suo genoma. Questo ha fornito supporto per un collegamento tra dimensione del genoma e multicellularità.

Per esaminare la loro ipotesi in modo più diretto, Ratcliff e Bingham hanno creato un modello computazionale altamente semplificato. Nel modello, le popolazioni di procarioti ed eucarioti erano sotto pressione per svilupparsi in organismi multicellulari di diverse dimensioni e accumulare un genoma più grande.

I ricercatori hanno programmato un gruppo, che sostituisce gli eucarioti, con la tendenza ad espandere il proprio genoma, l’altro, che sostituiva i procarioti, lo rimpiccioliva. Anche quando gli organismi crescevano, gli eucarioti erano sempre in grado di far crescere sostanzialmente i loro genomi e venivano ricompensati per questo.

Al di sotto di una certa dimensione, tuttavia, i procarioti si sono scontrati con un muro e non potevano ingrandire i loro genomi, non importa quanto venissero ricompensati.

Conclusioni

Non tutti gli eucarioti moderni però espandono il proprio genoma quando le dimensioni della popolazione sono piccole. I genomi dei moscerini della frutta, in particolare, tendono a ridursi. Per avanzare la nuova ipotesi, la ricerca futura dovrebbe affrontare come e in quali circostanze ciò potrebbe accadere, ha affermato Eörs Szathmáry, un biologo teorico dell’Università Eötvös Loránd di Budapest che studia le principali transizioni dell’evoluzione e non è stato coinvolto nel progetto: “Questa differenza tra eucarioti e procarioti è poco conosciuta”.

Lynch, il cui lavoro ha ispirato Ratcliff e Bingham, ha segnalato un altro dei presupposti dell’ipotesi che potrebbe essere rafforzato: non è sicuro al 100% che un genoma più grande significhi la capacità di fare cose più interessanti.

Questi grandi cambiamenti evolutivi, ciò che chiamiamo transizioni evolutive,  non sono i problemi più facili da risolvere.Le domande difficili hanno bisogno di nuove idee. È dannoso essere troppo dogmatici quando sorgono queste domande profonde, perché vogliamo raccogliere i pezzi del puzzle e non uccidere le idee nella loro infanzia“, ha affermato Szathmáry.

Questa intuizione sfida l’ipotesi comune secondo cui la selezione naturale è l’unica forza all’opera nell’evoluzione: “È un grosso problema che abbiamo nella biologia evoluzionistica“, ha detto Lynch.

I biologi ritengono di dover tenere conto dei tratti moderni degli organismi dicendo che sono stati selezionati per, quando, in realtà, il caso, come il caso guidato da una forte deriva genetica, potrebbe aver svolto un ruolo significativo nell’aumento di un tratto.

batteri viola

Questo sminuisce davvero il campo e ha ridotto la nostra capacità di pensare in modo più ampio a quello che sarebbe potuto accadere”, ha affermato.

Ratcliff sa che la sua ipotesi implica una realtà diversa da quella in cui ha vissuto finora la maggior parte delle persone che pensano alla multicellularità per vivere. Questo campo ha storicamente enfatizzato l’idea della multicellularità come una conseguenza delle abilità speciali degli eucarioti piuttosto che come il risultato di come funzionano i loro genomi.

L’idea è tuttavia potente perché evoca un mondo alternativo, dove, molto prima dell’origine delle piante, grandi foreste simili ad alghe, fatte di cianobatteri, avrebbero potuto ondeggiare nell’oceano: “Non c’è motivo per cui un cianobatterio non possa evolversi in un’alga, secondo me“, ha concluso Ratcliff, tranne, forse, per una stranezza dei loro genomi.

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