聚眾之力：造就豐富多彩的生命

編譯 張茜

一系列簡單的步驟即可解釋從單細胞進化到多細胞生命這一重大轉變。

在馬薩諸塞州伍茲霍爾研究所的海洋生物實驗室里，學生們用不同的著色劑對動物胚胎進行了處理，多細胞的特性使得復雜結構和特殊組織能夠在動物胚胎中被不同著色劑顯示出來（見封二）

數十億年前，生命跨越了一個門檻。單個的細胞開始結合起來，眾多無定型的單細胞生命正逐漸演變為如今擁有各種形態和功能的多細胞生命，從螞蟻到梨樹再到人類。這是生命歷史上最重要的轉變，直到最近，我們仍不知道它是如何發生的。

單細胞和多細胞生命之間的鴻溝看似幾乎無法逾越。單個細胞的存在是簡單而有限的。就像隱士一樣，微生物只需要關心自身溫飽；雖然有些微生物偶爾也會團結協作，但與其他微生物之間無論協調還是合作都是不必要的。相比之下，多細胞生物體內的細胞，從某些藻類的4個細胞到人類的37萬億個細胞，放棄了自身的獨立性，頑強地結合在一起；它們肩負特殊功能，為了更大的利益而縮減自身的繁殖，只增長到它們履行其功能所需的數量即止。它們一旦“造反”，癌癥便會爆發。

多細胞生物帶來了新的能力。例如，動物為了尋找更好的棲息地、躲避捕食者和追捕獵物而獲得了移動的能力。植物可以深入土壤尋找水分和養分；它們同樣也可以向陽光充足的地方生長，以期將光合作用最大化。真菌通過建立巨大的生殖結構來散播孢子。但是，賽格德匈牙利科學院生物研究中心的進化生物學家拉什路·納吉（L á szl ó Nagy）說，盡管多細胞生物具有諸多優勢，但在傳統上它被視為“一個有著巨大遺傳障礙的重大轉變”。

現在，納吉和其他研究人員逐漸意識到這可能并沒有那么困難。證據來自多個方面。部分生物群體的進化歷史記錄了從單細胞到多細胞形式的反復轉變，表明這種遺傳障礙并非難以逾越。簡單的多細胞生物與其單細胞親屬之間的基因比對表明，細胞間結合與協調活動所需的許多分子設備可能早在多細胞生物進化之前就已經存在了。巧妙的實驗已經證實，在試管中，單細胞生命可以在短短數百代內演化出多細胞生物的起源這一進化瞬間。

進化生物學家仍在爭論是什么促使細胞的簡單聚集變得越來越復雜，從而引出了如今生命奇妙的多樣性。但是，踏上這條道路似乎不再那么令人氣餒?！拔覀冮_始了解到它是如何發生的，”西雅圖華盛頓大學進化生物學家本·科爾（Ben Kerr）說道：“你采取的似乎是進化的主要步驟，并將其分解成一系列小步驟?！?/p>

多細胞生命的蛛絲馬跡可以追溯到30億年前，在那時，化石記錄中似乎出現了類似微生物墊的印記。一些人認為，在美國和亞洲發現的距今20億年的、有可能是藍綠色或綠色藻類的螺旋狀化石，以及在南非記錄到的被稱為卷曲藻（Grypania spiralis）的25億年前的微絲，是多細胞生命的第一個真實證據。其他種類的復雜生命體直到很久以后才出現在化石記錄中。被許多人認為是活著的最原始生物的海綿可以追溯到7.5億年前，但是許多研究人員認為一群5.7億年前很常見的、被叫作埃迪卡拉的葉狀生物是第一個明確的動物化石。同樣，化石孢子也表明多細胞植物是在至少4.7億年前由海藻進化而來的。

植物和動物成為多細胞生物都只經歷了一次飛躍。但在其他生物種群中，這種轉變卻一再發生。基于對不同種類的真菌——有些是單細胞的，有些是多細胞的——相互間如何聯系的回顧性研究，納吉2017年12月8日發表在bioRxiv上的一份預印本總結道，在十幾種不同的情況下，真菌很可能會以子實體的形式進化出復雜的多細胞生物——就像蘑菇一樣。藻類也同樣如此：紅藻、褐藻和綠藻均在過去的10億年左右進化出了它們自己的多細胞形態。

加州大學伯克利分校的生物學家妮可·金（Nicole King）找到了一個可以展示這些古老轉變的窗口：領鞭毛蟲——一群似乎正處于向多細胞生物進化邊緣的現存原生生物。這些動物的單細胞近親具有鞭毛和衣領狀短毛，類似于排列在海綿腔體內用來過濾食物的“衣領”細胞。有些領鞭毛蟲本身可以形成球形的菌落。20多年前，金學會了培養和研究這些水生生物，到2001年，她的基因分析開始對當時的觀點——向多細胞生物的轉變是一個重大的基因飛躍——提出質疑。

她的實驗室開始發現一個又一個基因，這些基因一度被認為是復雜動物所獨有的——而且似乎在孤立的細胞中并不需要。領鞭毛蟲具有編碼酪氨酸激酶的基因，在復雜的動物體內，酪氨酸激酶有助于調控特殊細胞的功能，如胰腺中的胰島素分泌。他們有細胞生長調節因子，如p53，一種因與人類癌癥相關而臭名昭著的基因。他們甚至擁有編碼鈣粘蛋白和c型凝集素的基因，這些蛋白質可以幫助細胞粘連在一起，使組織保持其完整性。

團藻，一種由數百或數千個細胞組成的水藻群落，為多細胞生物起源提供了線索

總的來說，通過對21種領鞭毛類生物活性基因的調查，金的團隊發現這些“簡單”的生物體有大約350個一度被認為是多細胞動物獨有的基因家族，他們將這一研究結果發表在了5月31日的eLife上。正如她和其他人所相信的那樣，如果領鞭毛蟲能讓我們一睹動物單細胞祖先之“芳容”，那么這種生物就已經為進化成多細胞生物做好了充分準備。金和她的實驗室“把原生生物放在研究動物起源的前沿。”西班牙國家研究委員會及西班牙巴塞羅那龐培法布拉大學的進化生物學家英納基·魯茲-特里洛（Iaki Ruiz-Trillo）說道。

這些基因的原始版本可能并不具備他們后來所具有的功能。例如，領鞭毛蟲有對神經元至關重要的相關蛋白質的基因，但他們的細胞并不像神經細胞，金說道。同樣地，它們的鞭毛中含有一種蛋白質，這種蛋白質在脊椎動物中可以幫助形成身體的左右不對稱，但它在單細胞生物中的作用卻是未知的。然而，無論從哪方面來講，領鞭毛蟲的基因組都不指望自己能進化成多細胞生物；它們缺乏一些關鍵的基因，包括像Pax和Sox這類在動物發育中至關重要的轉錄因子?！斑@些缺失的基因讓我們對什么是真正的動物界革新有了更好的認識?！苯鹫f。

當細胞結合在一起時，它們并不僅僅是給現有的基因賦予新的用途。有關團藻（一種能夠形成美麗的、具有鞭毛的綠色球狀的水藻）研究表明，多細胞生物也找到了利用現有功能的新方法。團藻及其近親跨越了向多細胞的過渡狀態。團藻個體有500到60000個細胞排列在一個空心的球體中，而它的有些親戚，如盤藻，僅有區區4到16個細胞；其他團藻近親則完全是單細胞生物了。通過對比從一個細胞到數千個細胞的生物學和遺傳學連續體，生物學家們正在收集生物變得越來越復雜時的需求。“這群海藻教給了我們多細胞生物進化相關的一些步驟?！眮喬靥m大佐治亞理工學院的進化生物學家馬修·赫倫（Matthew Herron）說道。

這些研究表明，復雜生物體中特殊細胞的許多功能并不是新出現的。恰恰相反，常見于單細胞生物的特征和功能在它們的多細胞近親中，在時間和空間上進行了重新排列，普林斯頓大學理論生物學家科瑞娜·塔爾尼塔（Corina Tarnita）如是說。例如，在團藻的單細胞親戚衣藻中，被稱為中心粒的細胞器即具有雙重功能。在細胞一生的大部分時間里，中心粒錨定在兩條推動細胞暢游于水中的旋轉的鞭毛上。但是當細胞準備繁殖時，它會蛻去鞭毛，此時中心粒即向細胞核移動，在那里它們幫忙將分裂中的細胞的染色體拉開。之后，子代細胞分別重新長出鞭毛。衣藻既能游動又能繁殖，但二者不能同時進行。

多細胞團藻在游動的同時亦能繁殖，因為它的細胞已經分化了。較小的細胞一直具有鞭毛，鞭毛能夠將營養物質掃過團藻的表面，并幫助團藻游動。較大的細胞沒有鞭毛，而是專職利用中心粒進行細胞分裂。

團藻也重新定位了單細胞祖先的其他特征。在衣藻中，當夜間光合作用停止并且資源稀缺時，一種古老的應激反應通路會阻止其進行繁殖。但在團藻中，同樣的通路在它的游動細胞中始終處于激活狀態，以永久阻止這些細胞繁殖?？茽栒f，單細胞祖先對環境信號的應答被用來促進其更復雜后代的“勞工”細胞的分裂。

第三組生物體暗示了現有基因和功能的重新定位是如何發生的。在過去10年里，魯茲-特里洛和他的同事們已經將十幾種原生生物的基因組和動物的基因組進行了比對——這項比對強調了動物基因組更宏大的規模和更復雜的特性，他們將這項研究結果發表在了7月20日的eLife雜志上。但是，當魯茲-特里洛、現供職于以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的阿爾瑙·瑟比-皮德羅斯（Arnau Seb é-Pedr ó s）以及來自巴塞羅那基因調控中心的盧西亞諾·迪克羅斯（Luciano di Croce）對原生生物Capsaspora的基因調控信號組合進行分析后，他們有了更有說服力的發現。他們發現原生生物利用與動物相同的一些分子——被稱作轉錄因子的蛋白質分子和并不編碼任何蛋白質的長鏈RNA分子——在特定的時間和地點開啟和關閉基因。但是它的啟動子——與轉錄因子相互作用的調節DNA——比動物的啟動子要短得多，也簡單得多，這就意味著不那么復雜的調控，這些研究團隊2016年5月19日在《細胞》雜志中對研究結果進行了報道。

對于魯茲-特里洛和他的團隊來說，這一發現指向了多細胞生物的關鍵：在基因調控中增加了微調的部分。與單細胞祖先相比，這似乎是一個巨大的飛躍，但如果這在一定程度上就是個重置基因開關的問題：使現有基因在新的時間和地點被激活，這一巨大飛躍看起來也就沒那么高不可攀了。佐治亞理工學院的威廉·拉特克利夫（William Ratcliff）表示：“這就是進化一直在做的事情，善用周圍的事物來達到新的目的?！?/p>

這種節約型再利用也許能夠解釋拉特克利夫實驗室中展現的迅速轉變。他在實驗室培養中重新創造了進化，而不是去查看化石記錄或者對現有生物的基因組進行比對。他解釋說：“我自己的研究并沒有試圖找出現實世界中發生了什么，而是研究細胞如何在進化中增加了復雜性這一過程。”

拉特克利夫是明尼蘇達大學圣保羅分校的博士后，他與邁克爾·特拉維薩諾（Michael Travisano）共事。他將酵母培養變成了人工選擇的一種形式。他以細胞黏附生長在培養瓶底的速度作為衡量標準，只允許最大的細胞存活和繁殖。兩個月內，隨著新生的子代細胞黏附在母體上并形成分支結構，多細胞簇開始出現。(《科學》，2011年11月18日，第893頁。)

隨著每一代培養中的酵母的不斷進化——有些已經經歷了3000多代——酵母“雪花”變得越來越大，酵母細胞也變得更加持久、更加細長，一種新的繁殖方式也隨之進化。在大片的雪花狀酵母中，一些沿著長的分支生長的細胞經歷了某種形式的自殺，它們會釋放處于頂端的細胞，開啟新的雪花之旅。垂死的細胞犧牲掉自己的生命，以成全群體的繁殖。這是細胞分化的最初形式，拉特克利夫解釋道。他剛剛開始探索這些快速顯現的特征的遺傳基礎；它似乎是一種被賦予了新功能的現有基因和失效的其他基因的混合體，比如一種有助于酵母細胞分裂的基因。

酵母還衍生出了一種保護措施，這種保護措施對多細胞生物來講至關重要：這是一種防止細胞背叛的方法。當突變使某些細胞異于其他細胞，并且可能不那么樂于團結協作時，細胞中的叛徒就出現了。在復雜生物體例如人類中，這種保護機制在某種程度上來自于擁有可摧毀異常細胞的免疫系統。它還依賴于代際間的瓶頸期，在瓶頸期時，單個細胞（例如，受精卵）可作為下一代的起點。其結果就是，新一代的所有細胞生成時在基因上都是一模一樣的。雪花狀酵母用自己的方式來清除自身那些離經叛道的細胞。因為突變會隨著時間累積，狀態最為異常的細胞通常會在雪花的頂端被發現。但他們在有機會成為叛徒細胞之前，就會分裂形成新的菌落。

這種機制也能使群體特性在酵母中進化。每個雪花分支釋放出的細胞產生的突變都會被傳遞給下一個菌落中的所有細胞。因此，隨后的雪花開始將新的群體特征——比如細胞的大小和數量，或者自殺細胞出現的頻率和位置——作為進一步進化的“原材料”。從那時起，需要適配的是組合方式，而不是單個細胞。

有關酵母的研究結果并非僥幸成功。2014年，拉特克利夫和他的同事為了獲得更大的細胞對單細胞藻類衣藻進行了同樣的篩選，并再次發現了大量的菌落。為了應對人們對于他的人工選擇技術人為干涉過多的批評，他和赫倫使用了一種更為自然的選擇壓力重復了衣藻實驗：他們引入了一群以衣藻為食、并傾向于選擇較小細胞的草履蟲。一種多細胞生物又一次快速出現了：在750代之內——大約1年時間——5組實驗群體中的兩組開始形成多細胞生物并以群體的形式進行繁殖，研究小組在1月12日的bioRxiv預印本中寫道。

如果多細胞生物的出現如此的簡單，為什么復雜的生物體要在生命起源后的數十億年后才被牢固地建立起來呢？傳統上，研究人員將此歸咎于早期大氣的低氧水平：為了獲得足夠的氧氣，生物體需要盡可能高的體表面積與體積比，這就迫使它們保持著較小的體積。只有在大約10億年前氧氣水平上升之后，才能產生更大的多細胞生物。

然而，2015年，英國劍橋大學的古生物學家尼古拉斯·巴特菲爾德（Nicholas Butte rfield）提出，低氧水平實際上有利于古代海洋生物向多細胞生物的進化。體積更大的多細胞生物——有多個鞭毛——更擅長將水從細胞膜上掃過以獲取氧氣。古代海洋中匱乏的營養物質將有助于推進下一個階段的進化，即特殊細胞類型的進化，因為更復雜的生物體可以更高效地獲取食物。至于為什么復雜的生物需要這么長時間才能出現，巴特菲爾德認為這種滯后反映了進化出多細胞生物更為復雜的基因調控機制所需的時間。

巴特菲爾德的理論是“非常優雅和簡單的，建立在物理和化學的基本原則之上，整合入深層的地球化學、生物地球化學和生物物理環境?！奔又荽髮W戴維斯分校的進化生物學家理查德·格羅斯伯格（Richard Grosberg）說。

一旦生物跨越了多細胞性這一門檻，就幾乎開弓沒有回頭箭了。在許多遺傳譜系中，細胞和器官的種類數量持續增長，并且發展出更為復雜的方式來協調它們的活動。拉特克利夫和瑞典于默奧大學的理論生物學家埃里克·利比（Eric Libby）4年前提出，棘輪效應占據了主導地位，推動了多細胞生物在復雜性方面勢不可擋的增長（《科學》，2014年10月24日，第426頁）。復雜生物體的細胞越專門化、越相互依賴，就越難恢復單細胞的生活方式。英國牛津大學的進化生物學家蓋伊·庫珀（Guy Cooper）和斯圖爾特·韋斯特（Stuart West）最近在數學模擬圖像中證實了這一說法。5月28日，庫珀和韋斯特在《自然生態與進化》雜志上寫道，在形成更為復雜的生物體時，“勞動分工不是結果，而是驅動因素?！?/p>

從一個細胞到許多細胞的最初轉變觸發了一輪不斷增長的生物復雜性，如今豐富多彩的多細胞生命就是結果。

資料來源 Science