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(xì)胞進(jìn)化到多細(xì)胞生命這一重大轉(zhuǎn)變。

在馬薩諸塞州伍茲霍爾研究所的海洋生物實驗室里，學(xué)生們用不同的著色劑對動物胚胎進(jìn)行了處理，多細(xì)胞的特性使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)十億年前，生命跨越了一個門檻。單個的細(xì)胞開始結(jié)合起來，眾多無定型的單細(xì)胞生命正逐漸演變?yōu)槿缃駬碛懈鞣N形態(tài)和功能的多細(xì)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(zhuǎn)變，直到最近，我們?nèi)圆恢浪侨绾伟l(fā)生的。

單細(xì)胞和多細(xì)胞生命之間的鴻溝看似幾乎無法逾越。單個細(xì)胞的存在是簡單而有限的。就像隱士一樣，微生物只需要關(guān)心自身溫飽；雖然有些微生物偶爾也會團(tuán)結(jié)協(xié)作，但與其他微生物之間無論協(xié)調(diào)還是合作都是不必要的。相比之下，多細(xì)胞生物體內(nèi)的細(xì)胞，從某些藻類的4個細(xì)胞到人類的37萬億個細(xì)胞，放棄了自身的獨立性，頑強(qiáng)地結(jié)合在一起；它們肩負(fù)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(shù)量即止。它們一旦“造反”，癌癥便會爆發(fā)。

多細(xì)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(yǎng)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(jié)構(gòu)來散播孢子。但是，賽格德匈牙利科學(xué)院生物研究中心的進(jìn)化生物學(xué)家拉什路·納吉（L á szl ó Nagy）說，盡管多細(xì)胞生物具有諸多優(yōu)勢，但在傳統(tǒng)上它被視為“一個有著巨大遺傳障礙的重大轉(zhuǎn)變”。

現(xiàn)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(jù)來自多個方面。部分生物群體的進(jìn)化歷史記錄了從單細(xì)胞到多細(xì)胞形式的反復(fù)轉(zhuǎn)變，表明這種遺傳障礙并非難以逾越。簡單的多細(xì)胞生物與其單細(xì)胞親屬之間的基因比對表明，細(xì)胞間結(jié)合與協(xié)調(diào)活動所需的許多分子設(shè)備可能早在多細(xì)胞生物進(jìn)化之前就已經(jīng)存在了。巧妙的實驗已經(jīng)證實，在試管中，單細(xì)胞生命可以在短短數(shù)百代內(nèi)演化出多細(xì)胞生物的起源這一進(jìn)化瞬間。

進(jìn)化生物學(xué)家仍在爭論是什么促使細(xì)胞的簡單聚集變得越來越復(fù)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(fā)生的，”西雅圖華盛頓大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家本·科爾（Ben Kerr）說道：“你采取的似乎是進(jìn)化的主要步驟，并將其分解成一系列小步驟。”

多細(xì)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(xiàn)了類似微生物墊的印記。一些人認(rèn)為，在美國和亞洲發(fā)現(xiàn)的距今20億年的、有可能是藍(lán)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(xì)胞生命的第一個真實證據(jù)。其他種類的復(fù)雜生命體直到很久以后才出現(xiàn)在化石記錄中。被許多人認(rèn)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(rèn)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(xì)胞植物是在至少4.7億年前由海藻進(jìn)化而來的。

植物和動物成為多細(xì)胞生物都只經(jīng)歷了一次飛躍。但在其他生物種群中，這種轉(zhuǎn)變卻一再發(fā)生?；趯Σ煌N類的真菌——有些是單細(xì)胞的，有些是多細(xì)胞的——相互間如何聯(lián)系的回顧性研究，納吉2017年12月8日發(fā)表在bioRxiv上的一份預(yù)印本總結(jié)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(jìn)化出復(fù)雜的多細(xì)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(jìn)化出了它們自己的多細(xì)胞形態(tài)。

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

她的實驗室開始發(fā)現(xiàn)一個又一個基因，這些基因一度被認(rèn)為是復(fù)雜動物所獨有的——而且似乎在孤立的細(xì)胞中并不需要。領(lǐng)鞭毛蟲具有編碼酪氨酸激酶的基因，在復(fù)雜的動物體內(nèi)，酪氨酸激酶有助于調(diào)控特殊細(xì)胞的功能，如胰腺中的胰島素分泌。他們有細(xì)胞生長調(diào)節(jié)因子，如p53，一種因與人類癌癥相關(guān)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(zhì)可以幫助細(xì)胞粘連在一起，使組織保持其完整性。

團(tuán)藻，一種由數(shù)百或數(shù)千個細(xì)胞組成的水藻群落，為多細(xì)胞生物起源提供了線索

總的來說，通過對21種領(lǐng)鞭毛類生物活性基因的調(diào)查，金的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這些“簡單”的生物體有大約350個一度被認(rèn)為是多細(xì)胞動物獨有的基因家族，他們將這一研究結(jié)果發(fā)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(lǐng)鞭毛蟲能讓我們一睹動物單細(xì)胞祖先之“芳容”，那么這種生物就已經(jīng)為進(jìn)化成多細(xì)胞生物做好了充分準(zhǔn)備。金和她的實驗室“把原生生物放在研究動物起源的前沿?！蔽靼嘌绹已芯课瘑T會及西班牙巴塞羅那龐培法布拉大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)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(lǐng)鞭毛蟲有對神經(jīng)元至關(guān)重要的相關(guān)蛋白質(zhì)的基因，但他們的細(xì)胞并不像神經(jīng)細(xì)胞，金說道。同樣地，它們的鞭毛中含有一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)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(xì)胞生物中的作用卻是未知的。然而，無論從哪方面來講，領(lǐng)鞭毛蟲的基因組都不指望自己能進(jìn)化成多細(xì)胞生物；它們?nèi)狈σ恍╆P(guān)鍵的基因，包括像Pax和Sox這類在動物發(fā)育中至關(guān)重要的轉(zhuǎn)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(rèn)識。”金說。

當(dāng)細(xì)胞結(jié)合在一起時，它們并不僅僅是給現(xiàn)有的基因賦予新的用途。有關(guān)團(tuán)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(xì)胞生物也找到了利用現(xiàn)有功能的新方法。團(tuán)藻及其近親跨越了向多細(xì)胞的過渡狀態(tài)。團(tuán)藻個體有500到60000個細(xì)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(qū)區(qū)4到16個細(xì)胞；其他團(tuán)藻近親則完全是單細(xì)胞生物了。通過對比從一個細(xì)胞到數(shù)千個細(xì)胞的生物學(xué)和遺傳學(xué)連續(xù)體，生物學(xué)家們正在收集生物變得越來越復(fù)雜時的需求?！斑@群海藻教給了我們多細(xì)胞生物進(jìn)化相關(guān)的一些步驟。”亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院的進(jìn)化生物學(xué)家馬修·赫倫（Matthew Herron）說道。

這些研究表明，復(fù)雜生物體中特殊細(xì)胞的許多功能并不是新出現(xiàn)的。恰恰相反，常見于單細(xì)胞生物的特征和功能在它們的多細(xì)胞近親中，在時間和空間上進(jìn)行了重新排列，普林斯頓大學(xué)理論生物學(xué)家科瑞娜·塔爾尼塔（Corina Tarnita）如是說。例如，在團(tuán)藻的單細(xì)胞親戚衣藻中，被稱為中心粒的細(xì)胞器即具有雙重功能。在細(xì)胞一生的大部分時間里，中心粒錨定在兩條推動細(xì)胞暢游于水中的旋轉(zhuǎn)的鞭毛上。但是當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備繁殖時，它會蛻去鞭毛，此時中心粒即向細(xì)胞核移動，在那里它們幫忙將分裂中的細(xì)胞的染色體拉開。之后，子代細(xì)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(jìn)行。

多細(xì)胞團(tuán)藻在游動的同時亦能繁殖，因為它的細(xì)胞已經(jīng)分化了。較小的細(xì)胞一直具有鞭毛，鞭毛能夠?qū)I養(yǎng)物質(zhì)掃過團(tuán)藻的表面，并幫助團(tuán)藻游動。較大的細(xì)胞沒有鞭毛，而是專職利用中心粒進(jìn)行細(xì)胞分裂。

團(tuán)藻也重新定位了單細(xì)胞祖先的其他特征。在衣藻中，當(dāng)夜間光合作用停止并且資源稀缺時，一種古老的應(yīng)激反應(yīng)通路會阻止其進(jìn)行繁殖。但在團(tuán)藻中，同樣的通路在它的游動細(xì)胞中始終處于激活狀態(tài)，以永久阻止這些細(xì)胞繁殖。科爾說，單細(xì)胞祖先對環(huán)境信號的應(yīng)答被用來促進(jìn)其更復(fù)雜后代的“勞工”細(xì)胞的分裂。

第三組生物體暗示了現(xiàn)有基因和功能的重新定位是如何發(fā)生的。在過去10年里，魯茲-特里洛和他的同事們已經(jīng)將十幾種原生生物的基因組和動物的基因組進(jìn)行了比對——這項比對強(qiáng)調(diào)了動物基因組更宏大的規(guī)模和更復(fù)雜的特性，他們將這項研究結(jié)果發(fā)表在了7月20日的eLife雜志上。但是，當(dāng)魯茲-特里洛、現(xiàn)供職于以色列雷霍沃特魏茨曼科學(xué)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(diào)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(diào)控信號組合進(jìn)行分析后，他們有了更有說服力的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)原生生物利用與動物相同的一些分子——被稱作轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)分子和并不編碼任何蛋白質(zhì)的長鏈RNA分子——在特定的時間和地點開啟和關(guān)閉基因。但是它的啟動子——與轉(zhuǎn)錄因子相互作用的調(diào)節(jié)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(fù)雜的調(diào)控，這些研究團(tuán)隊2016年5月19日在《細(xì)胞》雜志中對研究結(jié)果進(jìn)行了報道。

對于魯茲-特里洛和他的團(tuán)隊來說，這一發(fā)現(xiàn)指向了多細(xì)胞生物的關(guān)鍵：在基因調(diào)控中增加了微調(diào)的部分。與單細(xì)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(guān)的問題：使現(xiàn)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(xué)院的威廉·拉特克利夫（William Ratcliff）表示：“這就是進(jìn)化一直在做的事情，善用周圍的事物來達(dá)到新的目的?！?/p>

這種節(jié)約型再利用也許能夠解釋拉特克利夫?qū)嶒炇抑姓宫F(xiàn)的迅速轉(zhuǎn)變。他在實驗室培養(yǎng)中重新創(chuàng)造了進(jìn)化，而不是去查看化石記錄或者對現(xiàn)有生物的基因組進(jìn)行比對。他解釋說：“我自己的研究并沒有試圖找出現(xiàn)實世界中發(fā)生了什么，而是研究細(xì)胞如何在進(jìn)化中增加了復(fù)雜性這一過程?！?/p>

拉特克利夫是明尼蘇達(dá)大學(xué)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(yǎng)變成了人工選擇的一種形式。他以細(xì)胞黏附生長在培養(yǎng)瓶底的速度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，只允許最大的細(xì)胞存活和繁殖。兩個月內(nèi)，隨著新生的子代細(xì)胞黏附在母體上并形成分支結(jié)構(gòu)，多細(xì)胞簇開始出現(xiàn)。(《科學(xué)》，2011年11月18日，第893頁。)

隨著每一代培養(yǎng)中的酵母的不斷進(jìn)化——有些已經(jīng)經(jīng)歷了3000多代——酵母“雪花”變得越來越大，酵母細(xì)胞也變得更加持久、更加細(xì)長，一種新的繁殖方式也隨之進(jìn)化。在大片的雪花狀酵母中，一些沿著長的分支生長的細(xì)胞經(jīng)歷了某種形式的自殺，它們會釋放處于頂端的細(xì)胞，開啟新的雪花之旅。垂死的細(xì)胞犧牲掉自己的生命，以成全群體的繁殖。這是細(xì)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(xiàn)的特征的遺傳基礎(chǔ)；它似乎是一種被賦予了新功能的現(xiàn)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(xì)胞分裂的基因。

酵母還衍生出了一種保護(hù)措施，這種保護(hù)措施對多細(xì)胞生物來講至關(guān)重要：這是一種防止細(xì)胞背叛的方法。當(dāng)突變使某些細(xì)胞異于其他細(xì)胞，并且可能不那么樂于團(tuán)結(jié)協(xié)作時，細(xì)胞中的叛徒就出現(xiàn)了。在復(fù)雜生物體例如人類中，這種保護(hù)機(jī)制在某種程度上來自于擁有可摧毀異常細(xì)胞的免疫系統(tǒng)。它還依賴于代際間的瓶頸期，在瓶頸期時，單個細(xì)胞（例如，受精卵）可作為下一代的起點。其結(jié)果就是，新一代的所有細(xì)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(jīng)叛道的細(xì)胞。因為突變會隨著時間累積，狀態(tài)最為異常的細(xì)胞通常會在雪花的頂端被發(fā)現(xiàn)。但他們在有機(jī)會成為叛徒細(xì)胞之前，就會分裂形成新的菌落。

這種機(jī)制也能使群體特性在酵母中進(jìn)化。每個雪花分支釋放出的細(xì)胞產(chǎn)生的突變都會被傳遞給下一個菌落中的所有細(xì)胞。因此，隨后的雪花開始將新的群體特征——比如細(xì)胞的大小和數(shù)量，或者自殺細(xì)胞出現(xiàn)的頻率和位置——作為進(jìn)一步進(jìn)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(xì)胞。

有關(guān)酵母的研究結(jié)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(xì)胞對單細(xì)胞藻類衣藻進(jìn)行了同樣的篩選，并再次發(fā)現(xiàn)了大量的菌落。為了應(yīng)對人們對于他的人工選擇技術(shù)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(fù)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(xì)胞的草履蟲。一種多細(xì)胞生物又一次快速出現(xiàn)了：在750代之內(nèi)——大約1年時間——5組實驗群體中的兩組開始形成多細(xì)胞生物并以群體的形式進(jìn)行繁殖，研究小組在1月12日的bioRxiv預(yù)印本中寫道。

如果多細(xì)胞生物的出現(xiàn)如此的簡單，為什么復(fù)雜的生物體要在生命起源后的數(shù)十億年后才被牢固地建立起來呢？傳統(tǒng)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(chǎn)生更大的多細(xì)胞生物。

然而，2015年，英國劍橋大學(xué)的古生物學(xué)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(xì)胞生物的進(jìn)化。體積更大的多細(xì)胞生物——有多個鞭毛——更擅長將水從細(xì)胞膜上掃過以獲取氧氣。古代海洋中匱乏的營養(yǎng)物質(zhì)將有助于推進(jìn)下一個階段的進(jìn)化，即特殊細(xì)胞類型的進(jìn)化，因為更復(fù)雜的生物體可以更高效地獲取食物。至于為什么復(fù)雜的生物需要這么長時間才能出現(xiàn)，巴特菲爾德認(rèn)為這種滯后反映了進(jìn)化出多細(xì)胞生物更為復(fù)雜的基因調(diào)控機(jī)制所需的時間。

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

一旦生物跨越了多細(xì)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(xì)胞和器官的種類數(shù)量持續(xù)增長，并且發(fā)展出更為復(fù)雜的方式來協(xié)調(diào)它們的活動。拉特克利夫和瑞典于默奧大學(xué)的理論生物學(xué)家埃里克·利比（Eric Libby）4年前提出，棘輪效應(yīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，推動了多細(xì)胞生物在復(fù)雜性方面勢不可擋的增長（《科學(xué)》，2014年10月24日，第426頁）。復(fù)雜生物體的細(xì)胞越專門化、越相互依賴，就越難恢復(fù)單細(xì)胞的生活方式。英國牛津大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家蓋伊·庫珀（Guy Cooper）和斯圖爾特·韋斯特（Stuart West）最近在數(shù)學(xué)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(tài)與進(jìn)化》雜志上寫道，在形成更為復(fù)雜的生物體時，“勞動分工不是結(jié)果，而是驅(qū)動因素?！?/p>

從一個細(xì)胞到許多細(xì)胞的最初轉(zhuǎn)變觸發(fā)了一輪不斷增長的生物復(fù)雜性，如今豐富多彩的多細(xì)胞生命就是結(jié)果。

資料來源 Science