从单细胞到多细胞生物的转变是地球生命史上最重要的发展之一。没有它，所有生物都仍然是微观而简单的；就不会有植物、大脑或人类这样的东西。多细胞性究竟是如何产生的仍然是一个谜，但1月16日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究发现，它可能比许多科学家预期的更快、更容易。
加州大学戴维斯分校的进化生物学家里克·格罗斯伯格说：“这是一篇重要的论文，它解决进化和发育生物学中最基本的问题之一。” 他没有参与这项研究。
由于进化作用于单个细胞，因此细胞自私是有回报的。通过独占资源和阻碍邻居，细胞可以增加其自身更多基因传递到下一代的几率。这种逻辑是难以想象多细胞性如何产生的原因之一；它需要为了群体的生存而压制自我利益。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
柏林自然博物馆的古生物学家卡尔·辛普森说：“传统理论认为这是一个艰难的转变，因为你必须以某种方式关闭对单个细胞的选择，并将其打开以用于集体。”他也没有参与这项研究。“这里最大的结果是这些转变可以非常容易。”
在这篇新论文中，明尼苏达大学的研究人员使用了一种简单而巧妙的技术，人为地选择了酵母中的多细胞性。他们将单细胞酵母倒入一管液体食物中，等待几分钟让细胞沉淀。然后，他们提取了液体中最低的部分，并允许其中包含的任何细胞形成下一代。由于细胞必须聚集在一起才能沉到底部并存活，因此人为的选择使酵母合作而不是独处更有利。
仅仅 60 代之后，所有存活的酵母种群都形成了雪花状的多细胞簇。领导这项研究的生物学家迈克尔·特拉维萨诺说：“因此，我们知道简单的条件足以选择多细胞性。”
但是，酵母在什么时候变得不仅仅是一簇细胞呢？它们什么时候开始像一个有机体一样行动呢？
在真正的多细胞生物（如兔子）中，进化作用于兔子，而不是组成它的数十亿个细胞。因此，研究人员着手确定人工选择是否也会像多细胞生物一样作用于雪花酵母。为了对其进行测试，一批多细胞酵母只允许在试管中沉淀五分钟（代表着强大的选择压力），而另一批则给予 25 分钟（较弱的选择压力）。经过 35 代之后，暴露于较强选择的酵母进化出更大的簇大小，而弱选择组的酵母实际上缩小了大小。这表明每个细胞簇都在作为一个有机体进化。
此外，延时摄影（下面的视频）显示，为了繁殖，多细胞酵母将自身分裂成枝条，这些枝条也发育为多细胞形式。子簇在达到与其亲本相似的大小之前，不会产生自己的后代。特拉维萨诺实验室的博士后学生威廉·拉特克利夫说，这种幼年期的存在表明雪花酵母已经采用了多细胞的生活方式。
研究人员还发现了基本分工的证据，这是更复杂的多细胞生命形式的基本特征。例如，在人类中，一些细胞可能会分化为血细胞，另一些可能会分化为免疫细胞，但只有选择的卵细胞或精细胞有助于形成下一代。
在多细胞酵母中，分工更加微妙。尽管实验的人工选择偏爱较大的簇，但较大的簇需要更多的时间才能在繁殖前生长。这意味着分裂速度更快的小簇很快就会超过大簇。但是经过多代选择，大簇进化出了一种解决方案：非繁殖细胞，这些细胞作为后代可以从亲本簇中分离出来的点。通过提供更多的断裂点，这些特殊细胞使簇可以分裂成更多碎片，从而快速产生更多的后代。
格罗斯伯格说：“发现存在专门死亡的细胞以使结构能够繁殖，这表明细胞分化的第一步。”
尽管研究人员一致认为酵母簇确实可以被认为是多细胞生物，但它们仍然相对简单。辛普森说：“研究人员不会使用这种方法进化海绵，但他们能够如此迅速地做到这一点令人惊讶。”
对于格罗斯伯格来说，快速进化并不令人惊讶，他曾撰写论文认为多细胞性应该相对容易进化；其他研究人员估计，在生命史上，多细胞性至少在 25 个不同的场合独立出现。然而，没有人真正知道它是如何起源的，或者这个过程中涉及哪些步骤。通过观察进化过程，这项新研究发现了这些理论的实验证据，并揭示了多细胞性可能如何进化的一种可能情景。
拉特克利夫说：“我们有关于多细胞性如何进化的假设，但直到现在，还没有人真正能够对其进行测试。”“现在我们有了这个实验系统，我们可以提出许多非常令人兴奋的问题。”