Get best of the week

Introversão: aleatoriedade dentro da margem de erro, ou mecanismo evolutivo de conservação de espécies?



“Um bezerro pequeno e indefeso, lutando contra o rebanho, corre o risco de se tornar vítima de um predador faminto” - uma frase semelhante pode ser ouvida em documentários sobre a vida selvagem. Sua essência é clara - para algumas espécies é muito mais fácil sobreviver em equipe do que sozinho. É difícil argumentar com uma lógica tão simples da natureza, porque as espécies sociais são sociais e vivem e sobrevivem em grupos. No entanto, em qualquer sociedade, sejam pessoas ou organismos simples, existem indivíduos que vão contra os objetivos sociais gerais e agem à sua maneira. Para nós, esses são introvertidos - pessoas solteiras que não gostam particularmente de multidões, tentam ficar longe de festas, shows e outras coisas. Esse comportamento é mais frequentemente associado aos traços de psicologia e de personalidade de uma pessoa, mas, na natureza, esse comportamento se deve a algo mais.Um grupo de cientistas da Universidade de Princeton (EUA) realizou um estudo envolvendo a ameba D. discoideum, que geralmente vive sozinha, mas em algumas situações forma grupos, o que nos permite estudar aspectos de introversão e socialização. O que é tão incomum no comportamento das amebas, como isso afeta o desenvolvimento e a conservação de uma espécie e qual a importância dos solitários para as espécies sociais? As respostas para essas perguntas nos aguardam no relatório dos cientistas. Vai.

Base de estudo


Dado os recentes eventos alarmantes (para dizer o mínimo) que estão ocorrendo no mundo, muitos de nós se tornaram introvertidos em um grau ou outro, embora de maneira forçada. No entanto, mesmo em tempos calmos e até na sociedade mais ideal, onde todos se amam e se respeitam, sempre houve e haverá pessoas solteiras que preferem passar a noite embaixo de um cobertor com um livro, em vez de ir a algum evento social. Consideramos esse comportamento em termos de psicologia e psiquiatria. A introversão pode ser causada tanto pelo caráter de uma pessoa quanto por algum evento do passado, que levou ao auto-isolamento.

Dada a evolução não apenas dos seres humanos, mas também da tecnologia, nossa espécie deixou de precisar de socialização no nível de sobrevivência. Em outras palavras, uma única pessoa pode muito bem sobreviver sem se comunicar com outras pessoas, embora tal existência seja até certo ponto difícil novamente do ponto de vista da psicologia. No entanto, muitas espécies sociais, como os gnus ou o arenque, exploram sua socialização completa. Um grande acúmulo de indivíduos confunde predadores, permite que você note rapidamente perigo ou comida (mais indivíduos - mais olhos, como eles dizem), etc.

No entanto, não há nada perfeito. Mesmo entre um imenso rebanho de gnus, que durante a migração parece estar sujeito a uma única mente, há indivíduos que preferem agir independentemente.

Os próprios pesquisadores citam os gafanhotos como exemplo. Esses insetos têm duas fases de comportamento social - solteira e manada. No início de suas vidas, os indivíduos de gafanhotos sobrevivem um a um e, ao atingir uma certa idade, começam a se reunir em vários grupos (até milhões e até bilhões de indivíduos).


No momento, está ocorrendo uma das maiores invasões de gafanhotos, afetando vários países da África e do Oriente Médio.

Estudos mostraram que alguns indivíduos não se juntam a um enxame após a transição para indivíduos maduros. Mesmo durante os experimentos, quando esses solitários foram deliberadamente plantados com grupos de parentes, eles não adquiriram a necessidade de enxamear.

Mesmo entre as plantas, uma tendência semelhante é observada. Por exemplo, o bambu, que geralmente floresce maciçamente e é muito sincronizado, não deixa de ter solitários que florescem de acordo com sua programação, por assim dizer.

Todas essas observações nos fazem pensar se a introversão é acidental ou se existe algum tipo de significado oculto? Talvez os solitários sejam o inevitável erro estatístico de agregações em larga escala de indivíduos, e talvez o comportamento programado deliberado, fornecendo um plano de sobrevivência para toda a espécie.

Os cientistas observam que anteriormente, pouca atenção era dada ao estudo dessa questão, porque ainda não havia respostas exatas para essas perguntas. Os poucos trabalhos realizados, no entanto, afirmam que os solitários não passam de acidentes. Naturalmente, os autores do trabalho que estamos considerando hoje não concordam com isso, pois muitas vezes a mesma teoria não pode ser aplicada a diferentes tipos de criaturas.

Em seu trabalho, os cientistas se concentraram em estudar o comportamento das amebas da espécie dictiostelium (Dictyostelium discoideum ). Esse organismo, como o gafanhoto, tem duas fases da vida: solteira e manada. Essas fases são devidas à presença ou ausência de alimentos. D. discoideum

vive no solo e na serapilheira (folhas caídas) de florestas mistas da zona climática temperada e se alimenta de bactérias. Se houver comida suficiente, indivíduos unicelulares de D. discoideum mantêm distância um do outro. Se a comida se torna criticamente pequena, eles começam a se conectar, formando o Megazord"rebanho" migratório. Durante este período, a expressão de glicoproteínas e adenilato ciclase ocorre nas células. As glicoproteínas fornecem adesão célula-célula (adesão celular para formar um sistema multicelular) e a adenilato ciclase sintetiza cAMP (adenosina monofosfato cíclico), que coordena a adesão celular, que é um sinal de fome celular.


Indivíduos de D. discoideum formam uma lesma migratória.

Além disso, o sistema formado começa a se erguer e, então, fica de lado e forma um muco migratório - um pseudoplasmodo móvel com 2 a 4 mm de comprimento. O corpo se move onde há mais luz, calor e ar mais seco. Tendo alcançado a localização ideal, a lesma entra no estágio "sombrero", quando as células do pseudo-plasmódio dianteiro e traseiro mudam de lugar. As células anteriores formam o corpo frutífero com esporos no ápice que se dissipam após a maturação.

Todo esse incrível processo de renascimento foi estudado nos últimos setenta anos, mas pouca atenção foi dada àqueles indivíduos que, por algum motivo, não participaram da formação de um único corpo multicelular. É claro que, em condições de fome prolongada, esses solitários morriam, mas, se havia pouca comida, continuavam a existir e a compartilhar, formando novos indivíduos que mais tarde poderiam formar um sistema multicelular.

Segundo os cientistas, a ameba introvertida pode ser um participante bastante consciente do ciclo de vida de sua espécie, ou seja, uma parte importante das estratégias de sobrevivência.

Para confirmar essa teoria, os pesquisadores observaram o comportamento de várias linhagens de D. discoideum , e a modelagem também foi realizada usando os dados obtidos.

Resultados da pesquisa


Para determinar se o comportamento solitário é hereditário e, portanto, se há potencial para a seleção natural, um protocolo experimental foi desenvolvido para identificar e quantificar células únicas ( 1A e 1B ). Isso possibilitou caracterizar sua distribuição espacial ( 1C ), quantificar sua densidade ( 1D e 1E ) e estabelecer limites rígidos para possíveis erros de medição.


Imagem No. 1

Três estirpes naturais foram usadas no estudo, que foram coletadas no mesmo local. Isso garantiu que o comportamento observado de cepas individuais não fosse um erro de reprodução em laboratório.

As primeiras observações mostraram que células únicas em maior densidade estavam nos limites do sistema multicelular formado do que no centro de agregação ( 1C ).

Durante experimentos repetidos sob condições controladas, a densidade dos solitários estava constantemente dentro da mesma distribuição (alocada para 1E ). Além disso, a distribuição de indivíduos isolados em algumas linhagens variou significativamente em seu valor médio e variância (compare as linhagens NC28.1 e NC85.2 por 1D ). Isso confirma que o comportamento da separação de indivíduos em agregadores e solitários é herdado.

Para caracterizar o processo de auto-organização subjacente à separação, é primeiro necessário determinar se a decisão de um indivíduo de participar da agregação ou permanecer sozinha por fatores externos.

Se tal "tomada de decisão" por parte da célula não depende do contexto (ou seja, sem sinais externos), a densidade dos indivíduos deve aumentar linearmente com a densidade das células originalmente revestidas (crescimento camada por camada durante a formação de um sistema multicelular).

No entanto, as observações mostraram a situação oposta: em baixas densidades iniciais, as células eram muito raras (distantes umas das outras), portanto, a agregação não ocorreu e todas as células permaneceram únicas. Quando a densidade alcançou acima do nível necessário para a agregação, esse processo prosseguiu com crescente eficiência, e a densidade dos solitários diminuiu. Surpreendentemente, em altas densidades celulares iniciais, as densidades dos solitários foram equalizadas (elas se tornaram constantes, um platô em 1D ).

Em seguida, a eficiência da agregação das deformações foi determinada como o valor desse platô: verificou-se que uma cepa é um agregador melhor que a outra se o primeiro platô tiver um valor menor que o segundo. Se uma cepa é chamada de melhor agregador, isso significa que a maioria de suas células está envolvida na agregação; se a cepa é chamada de pior, então entre suas células há muitos solitários.

Experimentos com porosidade diferente do substrato, onde viviam os indivíduos experimentais, mostraram que em um substrato menos poroso, a densidade de indivíduos solteiros é maior ( 1E ). A porosidade também influenciou a dispersão de indivíduos solteiros.

Os dados de observação indicam que a agregação herdada / separação solitária depende de estímulos externos, em particular, de fatores abióticos * .
Fatores abióticos * - um conjunto de efeitos diretos ou indiretos de um ambiente inorgânico nos organismos vivos.
Para determinar o grau de influência de fatores externos na formação da separação agregador / solitário, foi criado um modelo com condições variáveis ​​do ambiente pretendido.

De acordo com o plano experimental, a simulação começou com uma população de células imediatamente após o esgotamento dos alimentos. Essas células estão em um estado de pré-agregação (P). Dados dados experimentais que mostram uma diminuição da motilidade das células vegetativas em numerosas populações, foi sugerido que as células P não se movem. As células P emitem moléculas sinalizadoras extracelulares a uma velocidade específica da tensão γ.

O sinal é espalhado com um coeficiente de difusão D e é usado para determinar o quorum (população mínima de células) que regula a transição estocástica para o estado de agregação (A): quando o sinal percebido pela célula excede o limiar de sensibilidade, o modelo assume que a célula tem uma probabilidade específica de tensão de um tempo λ para se tornar uma célula A agregadora.

As células A continuam emitindo um sinal e se movendo para o centro de agregação com uma velocidade específica constante ν. No centro, as células se tornam um sistema multicelular (estado M) e também deixam de se mover e emitir um sinal.

Os cientistas observam que seu modelo foi intencionalmente simplificado, pois se concentrava no estudo da distribuição das populações celulares. Ou seja, alguns aspectos do processo de agregação real foram intencionalmente perdidos.

Por exemplo, antes da agregação, as células devem passar fome por um certo tempo, tornarem-se excitáveis ​​(sinal de agregação) devido ao adenosina monofosfato cíclico (cAMP) e entrar em quimiotaxia (movimento celular em resposta a um estímulo químico). Algumas dessas etapas (por exemplo, fome de células) são irreversíveis. Mas a distribuição de cAMP e quimiotaxia são processos reversíveis. A simplificação do modelo consiste em vincular todas as etapas em um processo irreversível de transição do estado de pré-agregação para o estado de agregação (transição de PA). Devido a essa simplificação, fatores não determinísticos associados a todos esses processos e que podem afetar o tempo de transição da AF são incluídos em λ.

Como resultado da estocástica, os períodos nos quais as células P passam para o estado A seguem uma distribuição cuja largura determina o grau de sincronização no processo de agregação. Valores λ mais altos resultam em distribuições mais estreitas e, portanto, mais transições de PA sincronizadas, enquanto valores λ mais baixos levam a distribuições mais amplas e a um processo mais assíncrono.

Apesar do perdão aplicado, o modelo resultante ainda é capaz de repetir a maioria das propriedades da distribuição populacional observada ( 1F ).

A densidade total dos solitários depende da rapidez com que as células P transitam para o estado A em relação à rapidez com que permanecem sem quorum (λ / ν), bem como com a facilidade de manter um quorum. Assim, quanto maior a taxa da transição λ PA, menos células únicas permanecem, uma vez que as células P que recebem o quorum transitam para o estado A de forma mais síncrona.

Existe uma situação oposta à taxa de agregação ν: quanto maior a taxa de agregação ν, mais solitários permanecem porque as células A se afastam mais rapidamente e estreitam a janela de tempo em que as células P suportam o quorum. Em outras palavras, os solitários não têm tempo para se juntar às células restantes envolvidas na agregação.


Imagem nº 2: esquema de agregação de modelos. E- a uma alta densidade inicial, todas as células P atingem o quorum necessário para iniciar a agregação; B - algumas células P entram no estado A; C - durante a agregação de células A, algumas células P permanecem sem quorum e se tornam únicas; D - no final do processo, as células P mais distantes do centro de agregação permanecem sem quorum e permanecem únicas.

Portanto, quanto mais a célula estiver do centro de agregação, mais cedo permanecerá sem quorum e mais provável ela se tornará uma solitária.

Estes resultados indicam que D. discoideum solitáriopode ser o resultado da interação entre o grau de sincronização da transição PA e o tempo durante o qual o quorum persiste antes que as células A entrem na fase multicelular.

Também foi descoberto que uma menor difusão leva a uma densidade mais alta de células solitárias, uma vez que o sinal permanece altamente concentrado em torno dos emissores e as células devem ser mais densamente compactadas para manter o quorum. Além disso, uma diminuição no coeficiente de difusão afeta os piores e melhores agregadores ( 1G ), uma vez que a taxa de difusão e a propagação do sinal não estão linearmente relacionadas.

Se a difusão é de fato o regulador de todo o processo, pelo menos uma molécula das células que participam da distribuição dependente do quorum deve se destacar do resto. Ou seja, certos sinais das células participantes do processo de distribuição agregador / solitário devem ser a força motriz desse processo (sinalização autócrina, quando as células respondem a substâncias liberadas pelas mesmas células). Estes podem ser sinais PSF (fator de pré-fome), CMF (fator ambiental) ou PDE (fosfodiesterase).

É importante observar que o PSF é liberado durante a fase de crescimento e o CMF é liberado no estágio inicial do jejum. Consequentemente, os sinais nos estágios iniciais do processo de distribuição podem desempenhar o papel mais importante na forma como flui. Para testar essa teoria, foram realizadas duas experiências diferentes.

O primeiro experimento foi semelhante ao mostrado na imagem nº 1, com a exceção de adicionar uma fina camada de água sobre as células cultivadas. A camada aquosa evaporou-se durante 4 horas, mas até então poderia facilitar a difusão de moléculas de sinalização.

Se a difusão limitada de moléculas secretadas durante essas 4 horas de jejum promove a formação de células únicas, assume-se que a camada aquosa reduzirá o número de células únicas observadas.


Imagem 3: O efeito do sinal muda na formação solitária.

Em um segundo experimento, as células foram deixadas crescer em uma suspensão bacteriana até que os recursos se esgotassem, após o que foram colocadas em um gel de ágar. Com esta opção, as respostas iniciais à depleção de recursos ocorreram em um meio bem misturado (ou seja, com difusão muito alta de sinais), e quaisquer moléculas de sinalização secretadas nesta fase devem atingir uniformemente todas as células, aumentando assim sua coordenação comportamental. Portanto, era esperado que, entre as células que entrassem no estado de agregação, houvesse um mínimo de solitários.

Todos os resultados esperados foram confirmados na prática, e isso sugere que, no processo de distribuição, o agregador / solitário desempenha um papel importante não apenas nos estágios finais do jejum, mas também nos estágios iniciais do jejum, e mesmo antes de começar. Esse comportamento separa ainda mais o processo de formação de solitários do epíteto "aleatório", confirmando a teoria de que esse processo é programado desde o início e deve prosseguir sob quaisquer condições.


Imagem nº 4: interação celular durante a agregação conjunta de diferentes cepas.

Outro fator importante que afeta o comportamento das células únicas é a origem das células vizinhas, ou seja, o processo de agregação conjunta de células de diferentes cepas ( 4A ).

Durante o experimento seguinte, duas linhagens foram usadas: NC28.1 (o melhor agregador) e NC85.2 (o pior agregador), que se desenvolveram juntos sob condições de jejum.

Verificou-se que a densidade total de indivíduos solteiros em linhagens mistas se desviou fortemente da combinação linear (quando a linhagem é apenas uma), exibindo uma curva sigmóide no gráfico 4B .

Assim, quando o melhor agregador foi mais comum na mistura (25%: 75%), o número total de solitários foi menor do que o previsto por uma combinação linear. Se o pior agregador era mais comum (75%: 25%), havia mais indivíduos solteiros.

Portanto, células de diferentes linhagens interagem entre si, afetando a agregação e a formação de solitários. Infelizmente, era impossível determinar experimentalmente a origem de cada célula (para determinar a qual cepa ela pertence), no entanto, isso poderia ser feito teoricamente através da modelagem.

Os cálculos mostraram que o comportamento das cepas dependia das propriedades uma da outra: o melhor agregador se tornou ainda melhor na presença do pior agregador e vice-versa, o que aumentou a diferença entre essas cepas em interação.

Na prática, a distribuição espacial de cepas únicas de cepas mistas nos permite avaliar sua composição potencial ( 4C e 4D) Assim que o pior agregador se torna parte da mistura, a distribuição espacial dos simples misturados na mistura é quase idêntica à do pior agregador e é muito diferente da distribuição da melhor cepa. Isso sugere que na mistura a maioria dos solitários é representada precisamente por células do pior agregador.

Se a agregação articular tem um efeito tão significativo na distribuição celular de agregadores e indivíduos, uma influência igualmente forte deve estar no processo de formação de muco. E essa influência pode se manifestar não apenas nas diferenças visuais do muco de uma cepa ou em uma mistura de várias, mas também na maneira como as células dentro deste sistema interagem umas com as outras.

Na natureza, quando há uma agregação conjunta de duas cepas, elas podem passar não apenas por uma etapa do jejum, mas por várias, ou seja, passam por vários ciclos de vida completos juntos, constantemente se unindo.

A simulação de tal situação mostrou dois desenvolvimentos possíveis: as linhagens que participam da agregação conjunta tornam-se mais diferentes umas das outras ( 5A ) ou mais semelhantes umas às outras ( 5B ).


Imagem nº 5: conseqüências da interação de duas linhagens no processo de desenvolvimento.

Para avaliar como o processo de agregação conjunta pode prosseguir e quais serão as consequências para as cepas participantes, uma “variável” adicional foi adicionada ao modelo existente - a competição mútua de cepas por recursos durante ciclos sucessivos de jejum e crescimento.

Simulações foram realizadas para dois pares de cepas. Para cada par, os resultados da mistura e agregação conjunta das duas cepas foram comparados com um cenário hipotético no qual as duas cepas segregaram idealmente e evitaram a agregação conjunta.

Entre os dois períodos de jejum, a sobrevivência diferencial de esporos e solitários, combinada com um atraso nos esporos no consumo de recursos, levou a mudanças no número relativo de cepas (ou seja, a diferença na aptidão das cepas). Independentemente de a agregação conjunta ter ocorrido em qualquer ambiente, houve uma exceção competitiva. Consequentemente, o resultado da competição foi determinado por dois fatores: qual das tensões prevalece e quanto tempo levou para a extinção da tensão perdida.

Verificou-se que cepas com mais indivíduos solteiros são mais competitivas e vice-versa, menos indivíduos solteiros são menos competitivos.

Nos meios determinísticos, a cepa vencedora também foi determinística e não mudou como resultado da agregação da junta (inserto a 5C e5D ); no entanto, a co-agregação alterou o tempo até a perda da tensão perdida (inserto em 5E e 5F ).

Em contraste, em meios estocásticos, existem vários meios em que a tensão vencedora é incerta, e esse intervalo muda drasticamente como resultado da agregação de juntas ( 5C e 5D ). Como nos meios determinísticos, a co-agregação também afetou o tempo até o desaparecimento da cepa perdedora ( 5E e 5F ).

A partir disso, segue-se que a distribuição percentual de células de diferentes linhagens durante a agregação articular afeta diretamente como a competição por recursos entre essas linhagens ocorre.

Em condições severas, quando há pouca comida, o vencedor da competição é sempre óbvio: quando pares de cepas competem por recursos ao longo de muitos ciclos de inanição, o pior agregador sempre perde. No entanto, devido ao fato de que as cepas alteram seu comportamento ao interagir umas com as outras, o tempo até o desaparecimento do pior agregador muda.

Nos casos em que um par de cepas segregam, o pior agregador se torna ainda pior e, portanto, produz ainda menos esporos. A partir disso, o melhor agregador se torna ainda melhor, o que leva a uma redução no tempo até o pior agregador desaparecer.

Nos casos em que um par de cepas é combinado, o pior agregador se torna melhor e, portanto, a produção de seus esporos aumenta, o que leva a um aumento no número de células no ciclo de crescimento subsequente e, consequentemente, a um aumento no tempo de desaparecimento do pior agregador.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo


Neste trabalho, estudamos o comportamento de células isoladas de D. discoideum , que não têm pressa em se unir aos seus parentes para formar um sistema multicelular. Esse comportamento pode ser chamado de destrutivo e até perigoso para seus próprios iniciadores, mas os resultados de experimentos e modelagem sugerem o contrário.

Se todas as células seguirem o mesmo caminho, que em teoria pode levar à morte, todas elas morrerão juntas. Se alguma parte das células for deixada para trás, elas terão a chance de se reproduzir e criar sua própria colônia. Isso nada mais é do que diversificação de riscos.

Uma situação semelhante é observada entre as criaturas mais desenvolvidas. Se uma doença viral infecciosa começar a se espalhar entre um grande rebanho de gnus, seu comportamento coletivo só ajudará a infecção a se espalhar, matando cada vez mais indivíduos. Ao mesmo tempo, se um certo número de indivíduos ficar mais longe do rebanho principal, eles sobreviverão.

Obviamente, no comportamento coletivo, existem muitas vantagens que não podem ser excluídas da equação, mas há riscos que também não podem ser ignorados.

Falando sobre este estudo, é difícil não pensar nos terríveis eventos que estão acontecendo agora em todo o mundo. Nossa sociedade alcançou alturas tremendas em muitas direções, mas a presença de um sistema nervoso central desenvolvido e milênios da história não pode ser um escudo contra todas as ameaças possíveis. Um organismo microscópico que não tem cérebro ou mão que agarra decidiu lembrar à humanidade que estar no topo da evolução não significa ser invulnerável.

No entanto, a luta continua. E agora, referindo-me ao estudo que examinamos hoje, gostaria de convidar todos (se possível, é claro) a se tornarem introvertidos coletivamente, porque dessa maneira não apenas podemos nos proteger, mas também simplificamos bastante o trabalho já difícil de médicos, cientistas e pesquisadores que lutando contra o vírus.

Obrigado pela atenção, permaneça curioso, tenha uma boa semana de trabalho, cuide de si e de seus entes queridos.

Um pouco de publicidade :)


Obrigado por ficar com a gente. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando aos seus amigos o VPS baseado em nuvem para desenvolvedores a partir de US $ 4,99 , um analógico exclusivo de servidores básicos que foi inventado por nós para você: Toda a verdade sobre o VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 núcleos) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps de 10GB de US $ 19 ou como dividir o servidor? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 vezes mais barato no data center Equinix Tier IV em Amsterdã? Somente nós temos 2 TVs Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV a partir de US $ 199 na Holanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US $ 99! Leia sobre como construir infraestrutura classe c usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que custam 9.000 euros por um centavo?

More articles:


All Articles