本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
让我们把时间倒回到大约35亿年前。我们挚爱的星球看起来与我们今天所知的葱郁家园截然不同——它是一个动荡的地方，仍在经历形成过程。陆地是一个流动的概念，由巨大的火山不断创造和摧毁的熔岩流组成。空气中弥漫着甲烷和氨气等有毒气体，这些气体从火山喷发中喷出。随着时间的推移，水蒸气聚集，形成了我们最初的天气事件，尽管在这个早期的地球上，没有小雨这种东西。沸腾的酸雨倾泻在贫瘠的土地上数百万年，缓慢地形成了冒泡的海洋和海。然而，在这个不友好的、暴力的景观中，生命开始了。
敢于出现的生物被称为蓝细菌，或蓝绿藻。它们是光合作用的先驱，通过产生氧气来改变有毒的大气层，并最终为今天的植物和动物铺平了道路。但更令人难以置信的是，它们是第一个做出一件非凡事情的生物——它们是第一个联合起来创造多细胞生命的细胞。
从专注于自身生存的单细胞生物进化到细胞协调和协同工作 multicellular organism 的多细胞生物，这是进化的一大步。创造论者经常引用这一飞跃作为上帝影响的证据，因为生物能够如此大胆地飞跃似乎是不可能的。但科学家已经证明，在足够强的选择压力下，多细胞性可以在实验室中产生。
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问问明尼苏达大学的威廉·拉特克利夫和他的同事就知道了。在本周在线发表在PNAS上的一篇论文中，他们展示了多细胞酵母如何在不到两个月的时间内在实验室中产生。为了实现这一飞跃，他们使用了啤酒酵母——一种常见的单细胞实验室生物——并在液体培养基中培养它们。每天一次，他们轻轻地旋转培养物中的酵母，用管子底部最终的细胞开始下一批培养。由于旋转力首先将较大的东西拉下来，因此细胞团块比单个细胞更有可能位于底部，从而为多细胞性设置了强大的选择压力。
他们所有的培养物都在不到60天的时间内从单细胞变成了雪花状的团块。“虽然已知的向复杂多细胞性的转变，以及具有明显分化细胞类型的转变，发生在数百万年的时间里，但我们已经表明，在适当的选择条件下，从单细胞性到多细胞性的转变中的首要关键步骤可以非常迅速地进化，”作者写道。这些团块不仅仅是为了团结而粘在一起的独立细胞——它们充当了原始的多细胞生物。它们不是由随机细胞附着形成的，而是由基因相同的细胞在分裂后没有完全分离而形成的。此外，细胞之间存在分工。随着群体达到一定大小，一些细胞经历了程序性细胞死亡，为子团块的脱离提供了位置。由于充当自主生物的单个细胞会重视自身的生存，因此这种有意的剔除表明细胞的行为是为了整个群体作为一个有机体的利益。
鉴于多细胞生物在试管中如此容易产生，那么多细胞性在生命史上至少出现了十几次，独立地出现在细菌、植物，当然还有动物中，从而开始了我们今天所处的进化树，这可能就不足为奇了。我们的进化史充满了复杂性的飞跃。虽然这种复杂性似乎不可能，但一项又一项的研究表明，即使是最复杂的结构也可以通过曲折的进化道路产生。在《进化的见证》中，伊万·施瓦布解释了我们身体中最复杂的器官之一——我们的眼睛是如何进化的。眼睛经常被智能设计论者吹捧为“不可简化的复杂”，是高度精密的机器，需要许多部件协同工作才能发挥作用。但即使是眼睛中迷宫般的结构也没有对进化构成不可逾越的障碍。
我们的视觉能力在动物辐射之前就开始进化了。视觉色素，如视黄醛，存在于所有动物谱系中，并且在超过25亿年前首次被原核生物利用来响应光的变化。但第一批复杂的眼睛可以在大约5.4亿年前找到，那是在一个俗称寒武纪大爆发的快速多样化时期。这一切都始于栉水母、海绵和水母，以及克隆细菌，它们是第一批将感光细胞组合在一起并创造出感光“眼点”的生物。这些原始的视觉中心可以检测光强度，但缺乏定义物体的能力。但这并不是说眼点不重要——眼点是一种如此重要的资产，以至于它们在至少40个不同的谱系中独立出现。但正是其他的无脊椎动物谱系将简单的眼点变成了令人难以置信的东西。
根据施瓦布的说法，从眼点到眼睛的转变非常小。“一旦建立了眼点，识别空间特征的能力——我们的眼睛定义——就需要两种机制之一：内陷（一个坑）或外凸（一个凸起）。” 那些坑或凸起然后可以用任何透明材料聚焦形成晶状体（不同的谱系为其晶状体使用各种各样的分子）。添加更多的色素或更多的细胞，视觉就会变得更清晰。每一次改变都只是与前一次略有不同，这是一个在进化工具包范围内的微小改进，但随着时间的推移，这些微小的调整导致了错综复杂的复杂性。
在寒武纪，眼睛风靡一时。节肢动物是视觉潮流的引领者，通过使用后一种方法，即凸起，然后将许多小凸起组合在一起，创造了复眼。那个时代最顶级的掠食者之一，奇虾，有超过16,000个晶状体！在寒武纪时期，如此多的生物长出了眼睛，以至于牛津大学动物学系的访问成员安德鲁·帕克认为，视觉的发展是进化爆发背后的驱动力。他的“光开关”假说假设视觉为动物创新打开了大门，允许在广泛的生态特征的模式和机制中快速多样化。即使眼睛没有刺激寒武纪大爆发，它们的发展肯定也彻底改变了进化的进程。
我们的眼睛，以及章鱼和鱼的眼睛，采取了与节肢动物不同的方法，将光感受器放入一个坑中，从而创造了所谓的相机式眼睛。在化石记录中，眼睛似乎是从无眼祖先那里迅速出现的，在不到500万年的时间里。但是，像我们这样的眼睛真的有可能如此突然地出现吗？是的，生物学家丹-E·尼尔森和苏珊娜·佩尔格说。他们悲观地估计了将扁平眼点变成像我们自己的眼睛那样需要多长时间的小变化——每一代长度、深度等仅提高1%。他们的结论是什么？只需要大约40万年——地质学上的瞬间。
但是复杂性最初是如何产生的呢？细胞是如何获得光感受器，或者迈向视觉等创新的第一步的呢？嗯，复杂性可以通过多种方式产生。
我们每一个细胞都是复杂性可以产生的最简单方式的证明：让一个简单的东西与另一个不同的东西结合起来。我们细胞的动力源，称为线粒体，是复杂的细胞器，据认为是以一种非常简单的方式产生的。大约在30亿年前的某个时候，某些细菌弄清楚了如何利用来自氧气的电子产生能量，从而变成了需氧菌。我们古老的祖先认为这是一个非常巧妙的技巧，而且，就像单细胞生物通常所做的那样，它们吃掉了这些小得多的产能细菌。但是，我们的祖先并没有消化它们的食物，而是允许细菌作为内共生体生活在它们体内，因此达成了协议：我们的祖先为细菌进行的化学反应提供燃料，而细菌反过来为它们两者产生ATP。即使在今天，我们也可以看到这种早期协议的证据——线粒体与其他细胞器不同，它们有自己的DNA，独立于细胞繁殖而繁殖，并且被双层膜包围（细菌的原始膜和我们祖先用来吞噬它的膜囊）。随着时间的推移，线粒体失去了它们不需要的其他生物学部分，例如四处移动的能力，融入它们的新家，就好像它们从未独自生活过一样。当然，这一切的最终结果是一个更复杂的细胞，具有专门用于不同功能的细胞内区室：我们现在称之为真核生物。
复杂性也可能在细胞内产生，因为我们的分子机器会犯错。有时，它会复制DNA片段、整个基因，甚至整个染色体，而这些我们遗传物质的微小变化可能会产生巨大的影响。当我们观察人工选择如何塑造狗时，我们看到了突变如何导致各种各样的表型特征。这些分子意外甚至可以导致完全的创新，就像我在上一篇关于进化的帖子中谈到的开花植物的各种适应性一样。并且随着这些创新的积累，物种发生分化，失去彼此繁殖的能力，并在生态系统中填补新的角色。虽然我们现在知道的生物可能看起来深不可测地复杂，但它们是数十亿年来细微变化积累的产物。
当然，虽然我这篇文章的重点是复杂性是如何产生的，但重要的是要注意，更复杂并不一定意味着更好。虽然我们可能会注意到眼睛并惊叹于它的细节，但从进化谱系的角度来看，成功不是关于成为最精致的。只有当复杂性有利于生存和繁殖时，进化才会导致复杂性的增加。诚然，简单也有它的好处：你越简单，你繁殖的速度就越快，因此你就能拥有更多的后代。许多细菌过着快乐的简单生活，产生数十亿的后代，并继续茁壮成长，它们是已经存活数十亿年的谱系的代表。即使是复杂的生物也可能偏爱较低的复杂性——例如，寄生虫以其不必要特征甚至整个器官系统的丧失而闻名，只保留它们进入和寄生在宿主体内生存所需的东西。达尔文称它们为退化，因为它们似乎违反了从不复杂到更复杂而不是相反的无声规则。但是通过不制造它们不需要的身体部位，寄生虫可以节省能量，它们可以将这些能量投入到其他方面，如繁殖。
当我们回顾过去，试图掌握进化时，可能反而是缺乏复杂性，而不是复杂性的崛起，才是最耐人寻味的。
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参考文献
Ratcliff, W. C., Denison, R. F., Borello, M., & Travisano, M. (2012). 多细胞性的实验进化。PNAS Early Edition, 1–6. doi:10.1073/pnas.1115323109
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Parker, A. (2003). 《一眨眼的功夫》。基础图书，352页。
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Reijnders, L. (1975). 线粒体的起源。《分子进化杂志》第5卷，第3号，第167-176页。DOI: 10.1007/BF01741239