Modelling the dawn of simple multicellularity : Cooperation, physics and evolutionary branching

Abstract

L'aparició de la pluricel·lularitat (MC) va definir un esdeveniment evolutiu important en la història de la vida al nostre planeta. Ha tingut lloc diverses vegades dins de grups independents i diferents enfocaments han donat llum als seus orígens. Un enfocament reeixit del problema es basa en models teòrics i computacionals. En aquesta tesi abordem el problema de la MC des d'una perspectiva de sistemes complexos, prestant atenció a les característiques potencials anteriors a l'anomenada MC "simple". Suposant que no hi ha control genètic i, per tant, cap conjunt d'eines moleculars especificades, explorem el potencial generatiu de models mínims de MC encarnat que incorporen l'adhesió, la commutació fenotípica i l'estrès ambiental com a tres factors clau que impulsen l'agregació col·lectiva en conjunts cel·lulars. S'han trobat i analitzat nous tipus d'escenaris de ramificació evolutiva, mecanismes de formació de patrons i organització dels organismes mitjançant diferents aproximacions matemàtiques i de simulació.

The emergence of multicellularity (MC) defined a major evolutionary event in the history of life on our planet. It took place several times within independent groups and different approaches have shed light on its origins. One successful approach to the problem is grounded in theoretical and computational models. In this thesis we approach the problem of MC from a complex systems perspective, paying attention to the potential features that predate so-called "simple" MC. Assuming no genetic control and thus no specified molecular toolkit, we explore the generative potential of minimal models of embodied MC that incorporate adhesion, phenotypic switching and environmental stress as three key factors driving collective aggregation in cellular assemblies. Novel types of evolutionary branching scenarios, spatial pattern-forming mechanisms and organismal organization have been found and are analysed using different mathematical and simulation approximations.