單細胞演變成多細胞生物的過程研究新進展 _生物

圖為網柄菌（一種常見的土壤微生物）形成多細胞子實體的過程。

當盤基網柄菌缺乏所需營養時，便會形成多細胞子實體。

圖為一群酵母細胞。一個細胞凋亡時，其余細胞便會解散。

圖為一6000萬年前的多細胞生物化石，其復雜程度令人驚奇。
（報道）據新浪科技（米米）：科學家正在對單個細胞演變成多細胞生物的過程進行研究。研究結果或有助于人們弄清復雜地外生命的演化過程。
詳細的研究成果被發表在2014年10月24日的《科學》期刊上。
地球上首個已知的單細胞生物出現在35億年之前，約為地球形成10億年之后。更加復雜的生物體則經過了更長時間才慢慢出現。而在6000萬年之前，地球上才出現首個多細胞生物。
在地球生物史上，由單細胞微生物向多細胞生物的轉變無疑是極為關鍵的一步，并在很大程度上改變了地球的生態面貌。但問題是，為什么多細胞生物不會退化成單細胞生物呢？
【單細胞演變成多細胞生物的過程研究新進展】“單細胞生物明顯是很成功的——地球上的單細胞生物遠比多細胞生物多得多，而且早誕生了20億年， ”美國新墨西哥州圣菲研究所的一名數學生物學家、該研究的主要作者埃里克·利比（Eric Libby）說，“既然如此，多細胞生物到底有什么優勢呢？它們又為什么能一直保持這種形態、而不向單細胞生物的方向退化呢？”
通常來說，這個問題的答案是“合作”，也就是說，多個細胞進行分工協作時，會比單獨存活更有利。然而利比表示，在進行合作時，細胞們往往會互相“推卸責任” 。
“比方說，在一個蟻群中，只有蟻后才能產卵，其它的工蟻則沒有產卵能力，而它們又必須為了蟻群犧牲自己的時間和精力， ”利比說，“那么，這些工蟻為什么不離開蟻群、自己建立一個新的蟻群呢？顯然是因為它們沒有繁殖能力，所以它們無法建立自己的蟻群。但如果發生了基因突變、工蟻有了繁殖能力，蟻群就有大麻煩了。這在多細胞生物的演化過程中是很常見的，因為第一個多細胞生物就是由單細胞生物基因突變產生的 ?！?br /> 實驗結果顯示，如果一群微生物能產生某種分泌物、讓所有微生物都能從中獲益的話，它們就會生長得更快。但在這群微生物中，最愛占便宜的微生物往往生長速度最快。癌細胞便是這樣一個例子，它們在生長時，會對群體中的其它成員產生危害，因此對于所有多細胞生物來說，癌癥都是一個嚴重的隱患。
的確，許多原始的多細胞生物都既具有單細胞形態、又具有多細胞形態，因此它們有可能放棄多細胞的生存方式。比如說，一種名為熒光假單胞菌的細菌會迅速繁殖、產生多細胞菌簇，但菌簇形成之后，部分單細胞“作弊者”就會趁機停止制造維持菌簇所需的分泌物，從而導致菌簇分崩離析。
多細胞生物究竟是如何維持這種狀態不變的？科學家給出的答案是，因為存在所謂的“棘輪效應” 。棘輪是一種維持齒輪向一個方向轉動的零件。利比和該研究的合作撰稿人、喬治亞理工學院威廉·拉特克利夫（William Ratcliff）表示，在這個問題中，棘輪效應是指某種對群體有利、但對獨自存在的細胞不利的特性，這有力地阻止了多細胞生物朝著單細胞生物方向倒退。
總的來說，在一個細胞群體中，細胞之間越是相互信任，棘輪效應就越強。比方說，群體中的細胞可以進行分工，某些細胞可以制造出分子，其它細胞則可以將這些分子加工成維持生命所必須的復合物，這樣一來，它們所產生的效益便比各自獨立工作時要大。近期的一系列與細菌有關實驗也佐證了這一理論。
棘輪效應還能解釋古微生物之間的共生關系，這種共生關系導致了細胞內部共生體的出現，比如線粒體和葉綠體。它們能幫助寄主對氧氣和陽光加以利用。當科學家在實驗中，將單細胞生物草履蟲體內這些促進光合作用的共生體除去之后，草履蟲利用氧氣和陽光的能力便大大下降，同時共生體也失去了在寄主體外存活所必須的基因。
棘輪效應常常導致出現一些看上去難以解釋的實驗結果。比如說，細胞凋亡（又稱細胞程序性死亡）是指細胞自行死亡的過程。而實驗顯示，細胞凋亡率越高，對細胞群體來說反而更有利。在一大群酵母細胞中，凋亡的細胞就像是解開了維系一小群酵母細胞的紐帶，讓這些細胞移動到更寬敞、營養更充足的地方去。
“對于單個細胞來說，這樣的優勢是不存在的，也就是說，任何離開群體的細胞都會自食其果，”利比表示，“我們的研究結果表明，和其它細胞共存的細胞能享受到獨自存活時無法享受的待遇。多細胞環境是如此不同，像死亡率升高之類的現象對于單細胞生物來說可能是致命的，但對于一個細胞群體來說，則是十分有利的 ?！?br /> 而這些研究結果對于探索地外生命又有怎樣的幫助呢？利比說，這一研究表明，除非我們真正理解了群居生活對個體生物的益處，否則在我們看來，外星生命可能表現得很怪異。
“群體中的生物可以適應一定的生活方式，而如果我們不考慮這種生活方式對所有生物的共同益處的話，這些生活方式就會顯得很奇怪 ?！崩缺硎?，“就好像一塊拼圖，只有當你把它拼成一大塊的時候，你才會知道它到底有什么用。”
利比和同事們計劃對更多的棘輪效應展開研究，“我們還進行了別的實驗，希望能計算出其它可能存在的棘輪效應特征的穩定性 ?！?br />