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Un estudio del Marine Biology Laboratory (MBL) presenta un ejemplo sorprendente de organización cooperativa entre células como una fuerza potencial en la evolución de la vida multicelular.
El porqué y el cómo evolucionó la vida multicelular ha intrigado a los biólogos durante mucho tiempo. El primer ejemplo conocido de multicelularidad ocurrió hace unos 2.500 millones de años, cuando células marinas (cianobacterias) se unieron para formar colonias filamentosas. Sin embargo, no está del todo claro cómo ocurrió esta transición ni los beneficios que reportó a las células.
Basado en la dinámica de fluidos de la alimentación cooperativa del estentor, un organismo unicelular relativamente gigante, el nuevo estudio se publica en Nature Physics.
“Dimos un paso atrás en la evolución, a la época en que los organismos eran independientes. ¿Por qué se unieron en una colonia antes de fijar su posición relativa?”, se pregunta en un comunicado John Costello, del Providence College, autor principal del estudio y científico del Centro Whitman del MBL, junto con el coautor Sean Colin, de la Universidad Roger Williams.
QUÍMICA... Y FÍSICA
“Gran parte del trabajo sobre el origen de la vida multicelular se centra en la química. Queríamos investigar el papel de las fuerzas físicas en el proceso“, afirma el autor principal, Shashank Shekhar, profesor adjunto de Física en la Universidad Emory y antiguo beneficiario de la Beca de Carrera Temprana del Centro Whitman del MBL.
El estentor es un organismo unicelular con forma de trompeta que puede alcanzar los 2 mm de longitud. En su hábitat natural, estanques o lagos, el estentor adhiere su extremo delgado (llamado fiador) a hojas o ramas, mientras que el extremo en forma de trompeta se balancea libremente, creando un vórtice de agua para succionar alimento, como bacterias, con su boca revestida de cilios.
En el laboratorio, los científicos observaron que, al colocar los estentor en un recipiente con agua de estanque, forman rápidamente una colonia dinámica donde las células no se unen entre sí, sino que sus fiadores se tocan contra el cristal.
Al cuantificar los flujos de fluidos, el equipo demostró que dos estentor vecinos en una colonia pueden duplicar el caudal de agua en sus bocas, en comparación con su capacidad individual. Esto les permite succionar más presas, incluso presas que nadan más rápido, creando vórtices más fuertes que barren el agua desde una mayor distancia.
Sin embargo, el equipo descubrió que los beneficios alimenticios que obtienen dos estentor vecinos no son iguales. El más débil se beneficia más al formar equipo que el más fuerte. Y, curiosamente, muestran lo que Shekhar llama el comportamiento “me quiere, no me quiere”. Cuando dos estentor en pareja balancean los extremos de sus trompetas, el flujo de fluidos aumenta, pero luego oscilan invariablemente, abriendo de nuevo sus bocas. ¿Por qué?
Para responder a esta pregunta, recurrieron a modelos matemáticos de la dinámica de fluidos en toda la colonia, dirigidos por los coautores Hanliang Guo, de la Universidad Wesleyana de Ohio, y Eva Kanso, de la Universidad del Sur de California.
Guo y Kanso confirmaron una “promiscuidad” en la colonia, donde los individuos cambian constantemente entre parejas vecinas. El resultado es que todas las células de una colonia de estentor, en promedio, obtienen flujos de alimentación más fuertes.
“En una colonia, aunque parezca que un individuo se aleja de un vecino, en realidad se está acercando a otro”, escribe el equipo. Esto tiene sentido desde un punto de vista evolutivo, ya que se espera que los individuos busquen la mayor ganancia energética asociándose con un individuo vecino que les beneficie más.
“Podríamos considerarlos como si siempre estuvieran intentando optimizar sus ingresos”, dice Costello. Y la colonia en su conjunto obtiene más alimento.
Pero el estentor no es multicelular. Las colonias que forma son efímeras; se dispersan con solo golpear la mesa del laboratorio. Si los individuos se benefician colectivamente al trabajar juntos, ¿por qué se separan de nuevo?
Los científicos no lo saben con certeza. Pero han observado que cuando les dan abundante alimento, se mantienen pegados y alimentándose en colonias. Pero cuando se les quita el alimento y escasea, se separan y entran en modo de búsqueda de alimento individual.
“Los humanos también lo hacemos”, dice Shekhar. Cuando abundan los recursos y las presas, colaboramos y cooperamos. Pero cuando los recursos disminuyen, cada uno tiene sus propias opciones.
NO SON CLONES
En otros modelos de vida multicelular temprana, como el alga verde Volvox cateri, las células que no se dividieron correctamente acabaron desarrollando una matriz entre ellas, formando una colonia de células genéticamente idénticas que posteriormente se diferenciaron. Pero las efímeras colonias de estentor no están formadas por clones, sino por individuos genéticamente distintos.
Por eso, los científicos creen que su modelo precede a otros modelos de multicelularidad temprana (que se cree que evolucionó al menos 25 veces en diferentes linajes).
“Esto ocurre mucho antes, en una etapa evolutiva muy temprana, cuando las células individuales felices decían: “Vale, vamos a estar juntas y beneficiarnos”, pero luego volvamos a la soltería. La multicelularidad aún no era definitiva“, afirma Shekhar.