科学家发现跨越生命的重要门槛或许没那么难

通过比较团藻(有数百个细胞的藻类)及其相对简单的近亲单细胞衣藻(左上)和4-16个细胞的扁藻(右上)，揭示了多细胞生命的步骤。照片来源:科学

几十亿年前，生命跨过了一个门槛。单细胞开始结合在一起。没有形态和单细胞生命的世界开始了进化之旅，形成了从蚂蚁到梨树再到人类的各种形态和功能的多细胞生命。这是生命史上最重要的变化，但很长一段时间，人们不知道它是如何发生的。

单细胞和多细胞生命之间的差距几乎是不可逾越的。单个细胞的存在既简单又有限。像隐士一样，微生物只需要养活自己。虽然有些微生物偶尔会结合，但它们与其他微生物之间的协调与合作是不必要的。相比之下，多细胞生物的细胞——从一些藻类拥有的4个细胞到人体内的37万亿个细胞——都放弃了独立性，顽强地结合在一起，并承担起特殊的功能。为了获得更大的利益，他们减少了繁殖，只增加了履行职能所需的数量。当他们抵抗时，癌症就会爆发。

多细胞生物带来新的功能。例如，动物可以灵活地寻找更好的栖息地，躲避捕食者，捕食猎物。植物可以深入土壤寻找水分和养分，也可以生长在阳光充足的地方，从而最大限度地提高光合作用。真菌建立巨大的繁殖结构来传播孢子。匈牙利科学院生物研究中心的进化生物学家拉兹洛·纳吉说，尽管多细胞生物有许多优势，但传统上它被认为是“一种重大的转变，充满了巨大的基因障碍”。然而，纳吉和其他研究人员现在明白，这个过程可能不像预期的那么困难。

也许没那么难

多细胞生物的迹象可以追溯到30亿年前，当时化石记录中出现了类似微生物垫的印记。一些人声称20亿年前在美国和亚洲发现的卷曲化石(或蓝绿藻或绿藻化石)，或25亿年前在南非发现的微小细丝，是代表多细胞生命的第一个真正证据。其他种类的复杂生物直到很久以后才出现在化石记录中。许多人认为海绵是最原始的生物，可以追溯到7.5亿年前。然而，许多研究者认为埃迪卡拉生物群，一个5.7亿年前常见的多叶生物群，是第一个被证实的动物化石。同样，化石孢子显示，多细胞植物至少在4.7亿年前由藻类进化而来。

植物和动物只在多细胞生物中“跳跃”一次。然而，在其他群体中，这种变化一再发生。基于对不同种类真菌(有些是单细胞的，有些是多细胞的)之间相互关系的研究，纳吉在去年12月8日发表在bioRxiv上的预印本中得出结论，真菌很可能在十几种不同条件下以子实体的形式进化成复杂的多细胞生物。同样的原理也适用于藻类:红藻、褐藻和绿藻在过去10亿年左右已经进化成多细胞形式。

加州大学伯克利分校的生物学家妮可·金发现了一个揭示这些古老变化的窗口:鞭毛虫，一种现存的原生动物，似乎正处于向多细胞生物飞跃的边缘。这些单细胞动物的近亲有鞭状鞭毛，颈部有短绒毛，类似于海绵中用来过滤食物的“项圈”细胞。一些鞭毛虫本身可以形成球形菌落。20多年前，金学会了培养和研究这些水生生物。到2001年，她的基因分析开始质疑当时的观点，即向多细胞生物的转变是一次重大的基因飞跃。

总的来说，通过对21个鞭毛体活性基因的研究，金的团队发现，这些“简单”生物有大约350个基因家族，这些基因家族曾被认为是多细胞动物所独有的，相关的结果于5月31日发表在《生命科学》杂志上。如果鞭毛虫能像她和其他人认为的那样让人们一瞥动物的单细胞祖先，那么这种生物已经具备了多细胞生命的条件。西班牙国家研究委员会和巴塞罗那庞贝法布拉大学的进化生物学家伊纳基·鲁伊斯-特里洛说，金和他的团队“将原生动物带到了研究动物起源的前沿”。

多细胞进化的关键

当细胞结合在一起时，它们不仅将现有的基因用于新的目的。对团藻的研究表明，多细胞生物也找到了利用现有功能的新方法。团藻是一种带有鞭毛的绿色球体。团藻及其相关群体已经过渡到多细胞生物。团藻有5到60，000个细胞排列在一个空心球中，而它的一些相关类群，如扁藻，只有4到16个细胞，而其他相关类群都是单细胞。生物学家正在通过比较从一个细胞到数千个细胞的连续体的生物学和遗传学来收集越来越复杂的生命需求。亚特兰大佐治亚理工学院的进化生物学家马修·赫伦说:“这些藻类群让我们了解多细胞生物进化的一些步骤。”

这些研究表明，特殊细胞的许多功能在复杂的生物体中并不是新的。然而，普林斯顿大学的理论生物学家科瑞娜·塔尼塔说，单细胞生物的特征和功能在它们的多细胞亲属中在空间和时间上被重新安排。

另一组生物体表明了现有基因和功能的重组是如何发生的。在过去的10年里，鲁伊斯-特里洛和他的同事比较了十几种原生动物和动物的基因组。这种比较强调了动物基因组的更大规模和复杂性。相关结果于7月20日发表在电子生活杂志上。鲁伊斯-特里洛与以色列魏茨曼科学研究所的阿尔瑙·塞贝-佩德罗斯和巴塞罗那基因调控中心的卢西亚诺·迪·克罗齐合作，也取得了更令人信服的发现。他们分析了原生动物Capsaspora的基因调节信号组合，发现原生动物在特定的时间和地点使用与某些动物相同的分子来开启和关闭基因:称为转录因子的蛋白质和不编码蛋白质的长链核糖核酸。然而，它的启动子(与转录因子相互作用的调节性DNA)比动物的启动子短得多，也简单得多，表明它的调节并不复杂。相关结果发表在2016年5月的《细胞》杂志上。

对鲁伊斯-特里洛(Ruiz-Trillo)和他的团队来说，这一发现指向了多细胞生物的关键:增加基因调控的微调。与单细胞祖先相比，这似乎是一个巨大的飞跃，但如果部分原因是为了重置基因开关，使现有的基因在新的时间和空间中活跃，那么看起来就不会那么困难了。佐治亚理工学院的威廉·拉特克利夫说:“这就是进化一直在做的事情，利用周围的事物来实现新的目标。”

跨过门槛很少回头。

如果多细胞生物如此容易找到，为什么要花数十亿年才能在复杂的有机体中确定生命的起源？传统上，研究人员将其归因于早期大气中的低氧含量:为了获得足够的氧气，生物体需要尽可能高的表面积与体积之比，这迫使它们保持较小的体积。更大的多细胞生物只有在10亿年前氧气水平上升后才能产生。

然而，英国剑桥大学的古生物学家尼古拉斯·巴特菲尔德在2015年提出，低氧水平实际上有利于古代海洋生物中多细胞生物的进化。较大的多细胞生物(有多个鞭毛)更擅长将水扫过细胞膜以获取氧气。古代海洋中稀缺的营养物质将推动下一阶段，即特殊细胞类型的进化，因为更复杂的生物可以更有效地获取食物。至于为什么复杂的生物需要这么长时间才能出现，巴特菲尔德认为这种滞后反映了进化更复杂的基因调控所需的时间。

加州大学戴维斯分校的进化生物学家理查德·格罗斯伯格说，巴特菲尔德的理论“非常优雅和简单”。它以物理和化学的基本原理为基础，深深植根于地球化学、生物地球化学和生物物理学的背景之中。”

一旦生物跨过了多细胞的门槛，它们很少会回头。在许多谱系中，细胞和器官的类型越来越多，它们已经发展出更复杂的方式来协调它们的活动。拉特克利夫和瑞典尤姆科大学的理论生物学家埃里克·利比在四年前提出了棘轮效应，这导致了复杂性的增加。复杂生物体的细胞越专业化和相互依存，就越难恢复单细胞生活方式。英国牛津大学的进化生物学家盖伊·库珀和斯图尔特·韦斯特最近也在数学模拟中验证了这一观点。在5月28日发表在《自然-生态和进化》杂志上的一份报告中，两人写道:“分工不是结果，而是更复杂生物体的驱动因素。”

一旦从单细胞到多细胞的最初转变被触发，一个不断增加的复杂性的循环就被固定下来了，今天丰富多彩的多细胞生活就是结果。

(晋南编)

中国科学新闻(2018-07-10第三版国际版)