Question:
Pourquoi un organisme unicellulaire évoluerait-il pour devenir multicellulaire?
CramerTV
2013-11-21 03:47:10 UTC
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J'ai lu une histoire cette semaine sur Richard Lenski qui a «évolué» E. coli depuis plus de 50 000 générations maintenant. Un commentaire que j'ai lu vient de quelqu'un qui n'accepte pas l'évolution qui a souligné que nous n'avons pas vu un organisme unicellulaire «évoluer» en un organisme multicellulaire. Une autre personne a répondu et a dit qu'une bactérie n'allait pas évoluer en quelque chose qui ne serait pas une bactérie.

Donc, si Evolution créait des organismes unicellulaires puis des organismes multicellulaires, comment ce changement aurait-il pu se produire? Et est-il possible de recréer cet ensemble de forces motrices pour faire d'une bactérie autre chose qu'une bactérie?

À cette fin, quel est l'avantage d'être multicellulaire sur le fait d'être unicellulaire (si c'est même un mot) ?

Il existe de nombreux ouvrages traitant de cette question. Voici quelques exemples: [Transitions majeures] (http://en.wikipedia.org/wiki/The_Major_Transitions_in_Evolution), [niveaux de sélection] (http://www.amazon.com/Levels-Selection-Evolution-Laurent- Keller / dp / 0691007047) et [Major transitions revisited] (http://www.amazon.com/Transitions-Evolution-Revisited-Theoretical-Biology/dp/0262015242). Note concernant la question du niveau de sélection par rapport à la sélection des parents qui pourrait intéresser [cet article] (http://www.pnas.org/content/104/16/6736.short)
Deux choses: 1. Bien qu'il existe un certain nombre d'hypothèses, comme d'autres l'ont souligné, il ne s'agit pas d'un problème entièrement résolu. Tenter de déterminer quelle hypothèse (ou hypothèses) est la plus plausible est un domaine de recherche en cours.2. De toute évidence, dire qu '"une bactérie ne va pas évoluer en quelque chose qui n'est pas une bactérie" est une simplification excessive. Finalement, cela est possible. Mais cela prendrait des ordres de grandeur plus longs que ce que nous pouvons tester en laboratoire - même avec des expériences aussi impressionnantes que celles de Lenski.
@seaotternerd, Si nous utilisons 20 ans comme période de génération humaine, alors 50 000 générations représentent 1 000 000 ans. En regardant la chronologie «conventionnelle» de l'évolution humaine, nous avons beaucoup progressé au cours des 1 000 000 dernières années - changeant facilement «d'espèce» plus d'une fois. Compte tenu de cela, pourquoi dites-vous que des «ordres de grandeur» plus de générations sont nécessaires pour voir un changement dans les bactéries?
AilihogqcmCMT - While it's true that the lineage that lead to humans has transitioned between "species" multiple times within the past 1,000,000 years, the evolutionary distance between two different species (say Homo sapiens and Homo erectus) is orders of magnitude smaller than the evolutionary distance between two different kingdoms (bacteria vs. non-bacteria). Bacteria would have to undergo multitudes of changes in order to be considered something other than bacteria.
Jetez un œil à l'amibe sociale, Dictyostelium discoideum, pour voir un exemple de la façon dont un protiste eucaryote unicellulaire peut présenter un comportement social et coopératif qui conduit à la formation d'une spore multicellulaire coopérative qui permet la survie des espèces dans des conditions de famine.
La question suggère que vous voudrez peut-être jeter un coup d'œil à [Understanding Evolution (UC Berkeley)] (http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/home.php), un cours d'introduction en ligne gratuit à la biologie évolutionniste
Sept réponses:
#1
+18
Remi.b
2014-09-22 05:20:04 UTC
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Comment la multicellularité a-t-elle évolué?

C'est un domaine de recherche en cours - Quelques aperçus sur l'origine de la multicellularité

Il s'agit d'un vaste domaine de recherche en cours. Pour commencer par un exemple, il y a eu relativement récemment (2012) un article important de Ratcliff et al. qui montre que la levure peut rapidement faire évoluer la multicellularité sous sélection sur la vitesse à laquelle elle descend vers les couches d'eau inférieures. Cet article est l'un parmi tant d'autres et est loin de pouvoir expliquer tout ce que nous aimerions comprendre sur l'évolution de la multicellularité. Typiquement, je pense que cette espèce de levure avait un ancêtre multicellulaire et on pourrait penser que cette espèce aurait déjà des allèles fixes (= variantes de gènes qui sont fixes signifiant que toute la population porte cette variante aujourd'hui) dans la population prédisposant cette espèce à facilement (ré) évoluer la multicellularité. En outre, ils peuvent avoir conservé une certaine variance génétique additive dans leur génome de leur passé et ils répondraient donc très rapidement à la sélection car ils n'ont pas besoin de mutations de novo. (Désolé si cette dernière phrase était un peu technique).

L'un des premiers traits auxquels nous nous référons habituellement lorsque nous parlons de l'évolution de la multicellularité est la présence de protéines collantes permettant aux cellules individuelles de se coller les unes aux autres.

Quelques aperçus sur l'évolution du simple multicellulaire au multicellulaire plus complexe

Ensuite, nous pourrions parler de multicellulaires plus complexes et expliquer comment ces simples multicellulaires évoluent en des organismes plus complexes. Un argument courant est que les cellules multicellulaires peuvent avoir des cellules spécialisées qui sont très capables de faire ce qu'elles font car elles sont spécialisées. On pense également qu’un certain niveau de complexité s’est élevé en raison du fait que les organismes multicellulaires ont tendance à avoir une population plus petite que celle unicellulaire (voir Lynch et Conery, 2003). Il est important de ne pas confondre l’évolution de la complexité avec l’évolution de la multicellularité, bien que ces deux notions soient en quelque sorte liées.

Qu'entendez-vous par multicellularité?

L'évolution de la multicellularité peut être discutée dans le contexte où les cellules sœurs forment un organisme ensemble ou lorsque des cellules non apparentées (parmi la même espèce ou même des cellules d'espèces différentes) se réunissent pour former un organisme. En outre, la multicellularité peut être discutée à un niveau différent selon la façon dont nous voulons définir la multicellularité. Un empilement de cellules se reproduisant individuellement, travaillant pour leur propre bénéfice, est-il multicellulaire? Avons-nous besoin d'une division du travail? Avons-nous besoin d'une division entre la lignée germinale (caste reproductrice) et la lignée soma (cas non reproductif)?

Combien de fois la multicellularité a-t-elle évolué indépendamment?

Certaines personnes considèrent qu'il existe des bactéries multicellulaires (biofilms) mais nous éviterons les discussions basées sur des définitions de cas limites. Parlons des eucaryotes. La plupart des eucaryotes sont unicellulaires et la multicellularité a évolué plusieurs fois indépendamment chez les eucaryotes. À ma connaissance, la multicellularité complexe n'a cependant évolué que (seulement?) 6 fois indépendamment chez les eucaryotes.

  • Métazoaires (animaux)
  • Ascomyceta (champignons)
  • Basidiomyceta (champignons)
  • Viridiplantae (plantes vertes)
  • Florideophyceae (algues rouges)
  • Laminariales (algues brunes)

Organismes modèles et cas intéressants pour étudier la multicellularité

Il existe de nombreux clades spécifiques qui sont particulièrement intéressés par l'étude de la multicellularité car ils présentent des états de transition. Par exemple, Volvox est un genre chlorophyte et les espèces de ce clade présentent différents stades de multicellularité; Certaines espèces sont exclusivement multicellulaires, certaines forment de petits groupes, certaines créent de grandes colonies, certaines ont une certaine division du travail et certaines ont même une séparation entre la lignée germinale et le soma (certaines castes ne se reproduisent pas). ( ref1, ref2, ref3, ref4, ref5, ref6). Les levures sont également un bon organisme modèle pour étudier l'évolution de la multicellularité.

Ne pas essayer de chipoter, mais il existe des algues vertes multicellulaires, sont-elles incluses dans Embryophyta aux fins de la liste ou sont-elles également multicellulaires indépendamment? Ou ne sont-ils pas complexes?
Bon point. Je pense que je n'ai pas été assez inclusif en disant * Embryophyta *. Selon tolweb.org ([ici] (http://tolweb.org/Green_plants/2382)), [charales] (https://en.wikipedia.org/wiki/Charales) (qui sont multicellulaires) ne sont pas * Embryophyta *. Je pense qu'il serait correct de dire [* Streptophyta *] (https://en.wikipedia.org/wiki/Streptophyta). Cependant, parce que la phylogénie ne semble pas encore parfaitement résolue (et parce que je ne sais pas si des groupes tels que * ulvophycae * sont multicellulaires ou), je viens de modifier ma réponse pour dire [* viridiplantae *] (https: // en.wikipedia.org/wiki/Viridiplantae) (plantes vertes).
Comme vous le dites cependant, le niveau de complexité des plantes vertes non - * embryophita * peut être suffisamment bas pour ne pas être pris en compte, mais je ne suis pas tout à fait sûr de la complexité de leur multicellularité par rapport à l'algue brune généralement, alors je vais juste soyez prudent et incluez tout le monde! Merci
Un organisme modèle utilisé pour l'étude de la signalisation cellulaire qui passe d'un état végétatif à une spore multicellulaire coopérative est le Dictyostelium discoideum en l'absence de nourriture. Cet organisme démontre comment une simple signalisation cellulaire peut conduire à une agrégation et une coopération cellulaires, afin d'assurer la propagation de l'espèce, même au point où certaines cellules sont sacrifiées pour former la tige de la spore, ce qui élève la spore au-dessus de la surface pour où il est plus susceptible de rencontrer de la nourriture.
#2
+8
shigeta
2013-11-21 10:10:32 UTC
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D'une part, les grands organismes sont beaucoup plus écoénergétiques. C'est ce que l'on appelle la loi de Kleiber où les besoins caloriques correspondent aux 3/4 de la puissance de la masse corporelle.

Une autre chose est que lorsque toutes les cellules coopèrent pour former un organisme multicellulaire, chaque individu donné est plus susceptible de se reproduire et moins susceptible de mourir en raison de variations environnementales car la coopération crée la stabilité.

Il existe plusieurs théories sur comment cela est arrivé, mais ce sont les éléments de pourquoi . La collaboration et l'efficacité améliorent les chances de survie, c'est-à-dire que la sélection favorisera les organismes multicellulaires de quelque manière qu'ils soient.

#3
+4
fileunderwater
2014-09-23 00:27:10 UTC
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Avertissement: Ce n'est pas mon domaine de recherche, ni un domaine où je connais bien la littérature. Voyez-le comme un complément aux autres réponses.


Un avantage distinct de la multicellularité réside dans les fonctions spécialisées de différentes cellules. Cela peut permettre une efficacité plus élevée, par ex. processus métaboliques, et aussi que les fonctions redondantes peuvent être supprimées de certaines lignées cellulaires, puisqu'elles peuvent être gérées par d'autres cellules. Par conséquent, les éléments constitutifs peuvent devenir plus simples, tandis que l'organisme résultant devient plus complexe en même temps. La modélisation mathématique des systèmes cellulaires a montré comment ce type de division du travail peut évoluer à partir de lignes unicellulaires ( Ispolatov et al. 2011), à travers les étapes d'agrégation et de différenciation de fonctions préexistantes.

Une étape intermédiaire intéressante qui peut fournir des indices sur la façon dont la multicellularité peut évoluer est celle des cyanobactéries, où certaines espèces unicellulaires peuvent montrer une spécialisation partielle, par exemple. lorsqu'ils font partie de biofilms cellulaires. Une étude phylogénétique des cyanobactéries a également montré qu'elles sont passées de la multicellularité à l'unicellularité au moins cinq fois, et la plupart des cyanobactéries existantes semblent descendre d'ancêtres multicellulaires ( Schirrmeister et al. 2011). Cela signifie que l'évolution de la multicellularité n'est pas un processus à sens unique, mais semble être un processus beaucoup plus complexe.

#4
+4
Danny W.
2014-09-23 04:04:03 UTC
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J'encourage FORTEMENT à lire les travaux du laboratoire de Nicole King - elle étudie les choanoflagellés, qui sont le "hors-groupe" pour les animaux - ils sont, en un certain sens, l'organisme unicellulaire le plus animal qui existe.

Les chaonos sont également incroyables car ils passent par une transition simple vers multicellulaire dans leur propre cycle de vie , ils offrent donc une opportunité incroyable de comprendre quand il est plus avantageux d'être célibataire. cellule vs multicellulaire. Actuellement, l'une des hypothèses de travail du groupe est que l'un des principaux moteurs de la poussée vers la multicellularité pourrait être simplement une simple dynamique des fluides: les flux autour d'une "rosette" sphérique multicellulaire de chaonos leur apportent plus de nourriture.

Si vous êtes intéressé par la transition évolutive vers la multicellularité, vous devez lire les travaux du King Group.

#5
+2
WYSIWYG
2016-02-09 11:49:19 UTC
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Si des cellules individuelles sont capables de survivre seules, alors pourquoi la multicellularité a-t-elle évolué?


Cette situation peut être comparée à l'évolution de la famille et de la société, d'une certaine manière; en temps de crise, les chances de survie augmentent lorsque quelqu'un reste dans un groupe.

Des conditions similaires auraient entraîné une évolution de la multicellularité. La différence entre être vraiment multicellulaire et simplement être un groupe de cellules est qu'en multicellularité, les cellules individuelles ne peuvent pas survivre en l'absence de l'autre. De plus, différentes cellules d'un organisme multicellulaire remplissent différents types de fonctions. Cependant, il est certainement probable que le regroupement sans forte dépendance aurait constitué les premières étapes de l'évolution de la multicellularité.

L'un des types complexes de colonies microbiennes est le biofilm. Dans un biofilm, différentes «régions» de la colonie ont différents types de rôles fonctionnels; les cellules «externes» absorbent les nutriments pour la colonie de l'environnement tandis que les cellules internes se reproduisent et maintiennent la colonie en plein essor. Les bactéries ont également développé une façon de signaler (ou de "parler") à d'autres bactéries (de la même espèce) par un mécanisme connu sous le nom de quorum sensing, qui modifie en quelque sorte le comportement des bactéries lorsqu'elles rester en groupe.

Dictyostelium ou moisissure visqueuse (ou affectueusement appelée dicty :)) est un exemple de l'évolution précoce de la multicellularité chez les eucaryotes. Quand il y a beaucoup de nourriture, le dicty reste comme une amibe unicellulaire. Cependant, en cas de pénurie de nourriture, les amibes dicty commencent à se regrouper et donnent naissance à une "limace" multicellulaire. La limace diktie se promène et lorsqu'elle rencontre les bonnes conditions (comme l'humidité), elle se différencie pour donner naissance à un «corps fructifère», qui ressemble plus ou moins à une spore fongique. Dans un organe de fructification, certaines cellules forment les spores (qui produiront de nouveaux dicties) tandis que certaines cellules forment la tige (qui supporte les spores). Apparemment, le choix de la partie que deviendra une cellule est aléatoire et à ce stade, les amibes individuelles ne sont plus égoïstes. L'agrégation des amibes dicty est coordonnée par une molécule de signalisation appelée cAMP et cela fonctionne d'une manière similaire à la détection de quorum.

enter image description here


Tiré de Wikipedia

Volvox est un autre exemple d'un stade précoce de l'évolution multicellulaire.

Pour résumer, comme vous l'avez dit, des cellules isolées peuvent très bien survivre seules. Cependant, dans certaines situations, le fait d'être multicellulaire aurait donné à l'organisme des avantages de survie. Vous devez comprendre que ce n'est qu'une des stratégies de survie et que tous les organismes ne sont pas nécessaires pour l'adopter. En fait, il y a beaucoup plus d'espèces unicellulaires sur la planète que les espèces multicellulaires.

Je réitère la suggestion de Remi que vous devriez jeter un œil à ce site appelé Understanding Evolution, hébergé par l'UC Berkeley.

Vous pouvez également consulter cet article sur notre site concernant un doute récurrent auquel sont confrontés de nombreux étudiants et non-experts dans le domaine de l’évolution: " Pourquoi certains mauvais traits évoluent, et les bons ne 't? "

#6
  0
Rodrigo
2016-11-21 09:11:09 UTC
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Pour la même raison que la socialité a tellement évolué chez les animaux. Il y a de nombreux avantages à avoir des boursiers similaires. Et les organismes multicellulaires ne sont, après tout, qu'une colonie, parfois une société, de cellules individuelles.

Point de vue intéressant. Je n'ai jamais assimilé l'évolution multicellulaire à la symbiose.
Merci, @CramerTV. Je me souviens être arrivé à cette conclusion après avoir étudié les algues Volvox.
#7
-2
alan2here
2016-02-07 18:23:18 UTC
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L'eucaryote devenu les mitochondries organites modernes, combiné aux procaryotes. Cela s'est probablement produit à la suite de l'absorption des mitochondries par la cellule mère, mais pas de la destruction car elle a utilement créé des molécules d'ATP riches en énergie en utilisant de l'oxygène et de l'eau par la respiration.

Ce sont les premières cellules eucaryotes, ont-ils continué. pour devenir eucaryote, vie multicellulaire.



Les divers avantages pour les eucaryotes devenant multicellulaires incluent:


Le volume à la surface d'une cellule donne aux cellules un aspect naturel taille de quelques micromètres. Les cellules individuelles plus grandes ont de plus en plus de mal à absorber suffisamment de nutriments ou d'oxygène pour le volume de leur cytoplasme.

Les amibes peuvent être plus grosses en raison de leur forme si irrégulière, cela garantit que nulle part à l'intérieur de la cellule ne l'est aussi loin de la surface des cellules. Diverses formes de vie unicellulaires plus sphériques à l'échelle du centimètre existent également dans les parties riches en nutriments de l'océan profond, telles que la Valonia Ventricosa.

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


Un autre avantage est que des structures peuvent se former entre les cellules, à l'extérieur des parois cellulaires, qui peuvent encore être protégées à l'intérieur du corps de la créature. Un tel réseau connectif chez les animaux appelé la matrice extracellulaire.

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


Notez que les créatures comme l'éponge de mer sont multicellulaires, mais n'ont pas de zones distinctes du corps telles que des organes de la même manière que les animaux.

" Les gènes dont je parle dans mon article n'étaient pas présents dans l'ancêtre commun de toute vie sur Terre. Ils n'existent pas dans les bactéries, par exemple. Ils n'existent même pas (à la connaissance des scientifiques) dans les éponges. Seulement après les ancêtres de les cnidaires et les bilatéraux se sont écartés des éponges s'ils ont émergé. (Une planète de virus, Carl Zimmer) C'est la citation que j'ai pu trouver, si je me souviens bien, relative au "culturisme" chez de nombreuses créatures, mais pas à l'éponge marine.

Pourquoi le vote négatif?
Il n'y a aucune obligation de donner des commentaires avec un vote défavorable. Compte tenu de la fréquence des votes négatifs de vos messages, je vous suggère de lire comment écrire de bonnes réponses dans les pages d'aide, de regarder quelques réponses bien reçues sur d'autres messages, etc. Aussi étant donné que vous avez déjà été confronté et défensif face à commentaires et critiques alors peut-être que les contrevenants sont moins enclins à commenter (ce serait une perte de temps).


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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