از تک‌سلولی‌ها تا موجودات پیچیده
1
مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد که موجودات تک‌سلولی که در کنار هم قرار می‌گیرند، می‌توانند جریان‌های آبی قوی‌تری ایجاد کنند تا غذای بیشتری جذب کنند. این مزیت ممکن است باعث شده باشد که اشکال اولیه حیات به تشکیل کلونی‌ها تشویق شوند و این امر می‌توانست زمینه‌ساز پیدایش حیات چندسلولی پیچیده شود.
در نهایت، این تحقیق نشان می‌دهد که تکامل موجودات چندسلولی ممکن است تحت تأثیر دینامیک سیالات و تغذیه گروهی شکل گرفته باشد.
نقش فیزیک در تکامل حیات چندسلولی
شاشانک شکهر، نویسنده اصلی مطالعه و استادیار فیزیک در دانشگاه اموری، بیان می‌کند:
“بسیاری از تحقیقات در مورد منشأ حیات چندسلولی بر شیمی تمرکز دارند. ما خواستیم نقش نیروهای فیزیکی را بررسی کنیم.”
شکهر از مشاهده رفتار تغذیه‌ای استنتورها – ارگانیسم‌های تک‌سلولی شیپوری‌شکل – الهام گرفت. او شروع به بررسی کرد که چگونه حرکت این موجودات در مایعات می‌تواند سرنخ‌هایی درباره گذار از تک‌سلولی به حیات پیچیده ارائه دهد.
او می‌گوید:
“این پروژه با تصاویر زیبایی از جریان‌های سیال آغاز شد. تنها بعداً متوجه شدیم که این رفتار چه اهمیت تکاملی‌ای دارد.”
فیزیک تغذیه
استنتورها که در برکه‌های آب شیرین یافت می‌شوند، با چشم غیرمسلح قابل مشاهده هستند و می‌توانند تا دو میلی‌متر رشد کنند. این موجودات با استفاده از ترشحی چسبناک از یک انتهای بدن خود به برگ‌ها، شاخه‌ها یا سایر مواد شناور متصل می‌شوند. انتهای دیگر بدن آن‌ها دارای مژک‌هایی است که با ضربان‌های منظم، جریان‌های آبی ایجاد کرده و ذرات غذا را جذب می‌کند.
شکهر با استفاده از فیلم‌های میکروسکوپی، نحوه تغذیه یک استنتور را ثبت کرد. او دریافت که این موجودات دو گرداب کوچک در دهان خود ایجاد می‌کنند که باعث جذب غذا مانند باکتری‌ها و جلبک‌ها می‌شود.
همکاری میان تک‌سلولی‌ها
هنگامی که استنتورها به‌صورت گروهی در کنار هم قرار می‌گرفتند، جریان‌های آبی قوی‌تری ایجاد می‌کردند که می‌توانست غذای بیشتری از محیط اطراف جذب کند. این امر نشان می‌دهد که همکاری می‌تواند یک مزیت بقا برای این موجودات فراهم کند.
اما سؤال اینجاست: اگر همکاری مزیت تغذیه‌ای ایجاد می‌کند، چرا برخی استنتورها گاهی گروه را ترک می‌کنند؟
محققان دریافتند که همه استنتورها به‌طور مساوی از این همکاری سود نمی‌برند. شکهر توضیح می‌دهد:
“کلونی‌ها پویا هستند و استنتورها مرتباً شریک خود را تغییر می‌دهند. افراد قوی‌تر از این همکاری سود کمتری می‌برند، بنابراین گاهی از گروه جدا می‌شوند.”
این یافته‌ها نشان می‌دهند که شکل‌گیری کلونی‌های موقتی ممکن است در گذار از حیات تک‌سلولی به چندسلولی نقش داشته باشد.
همکاری در موجودات بدون مغز
برای آزمایش این فرضیه، تیم تحقیقاتی از مدل‌سازی ریاضی استفاده کرد. این شبیه‌سازی‌ها تأیید کردند که در جفت‌های استنتور، همیشه یکی از آن‌ها سود بیشتری می‌برد. اما در گروه‌های بزرگ‌تر، به‌خصوص وقتی اعضا موقعیت خود را تغییر می‌دادند، دریافت غذا به‌طور کلی برای همه بهبود می‌یافت.
شکهر می‌گوید:
“شگفت‌انگیز است که یک موجود تک‌سلولی بدون مغز یا نورون، رفتارهای فرصت‌طلبانه و همکاری را توسعه داده است. شاید این نوع رفتارها بسیار زودتر از آنچه قبلاً تصور می‌کردیم، در تکامل سخت‌افزاری شده باشند.”
تکامل موجودات چندسلولی
این تحقیق حاصل یک سفر علمی ده‌ساله بود که از سال ۲۰۱۴ آغاز شد، زمانی که شکهر در یک برنامه تابستانی در آزمایشگاه زیست‌شناسی دریایی در وودز هول، ماساچوست شرکت کرد. او در آنجا با دانشمندان دانشگاه‌های مختلف همکاری کرد.
تحقیقات جدید درباره استنتورها و توانایی آن‌ها در بازسازی مجدد بدن خود، کنجکاوی بیشتری درباره این سلول‌های منحصر‌به‌فرد ایجاد کرده است. ویژگی‌های خارق‌العاده و رفتارهای آشکار آن‌ها را به سوژه‌ای ایده‌آل برای مطالعه پدیده‌های فیزیکی تبدیل کرده است که ممکن است عامل تغییرات تکاملی باشند.
شکهر می‌گوید:
“شما می‌توانید یک استنتور را به قطعات کوچک تقسیم کنید، و هر قطعه در عرض ۱۲ ساعت به یک ارگانیسم کامل تبدیل می‌شود.”
از تک‌سلولی‌ها تا حیات پیچیده
اگرچه شکهر بیشتر به خاطر کارهایش روی اکتین – پروتئینی ضروری برای تحرک سلولی – شناخته می‌شود، اما این پروژه مسیری جدید برای آزمایشگاه او بود.
او توضیح می‌دهد:
“کار روی استنتورها یک پروژه عاشقانه بود. فوق‌العاده است که بتوانید سال‌ها روی یک سؤال جذاب کار کنید و در نهایت به نتایج زیبا و معناداری برسید.”
این مطالعه دیدگاه تازه‌ای درباره نحوه شکل‌گیری حیات پیچیده ارائه می‌دهد. در حالی که نظریه‌های مربوط به منشأ چندسلولی بودن عمدتاً بر شیمی تمرکز دارند، این یافته‌ها نقش احتمالی مکانیک سیالات و همکاری را در نخستین مراحل سازمان‌یابی زیستی برجسته می‌کند.
این تحقیق در مجله Nature Physics منتشر شده است.
