一项新实验将酵母菌落进化为包含超过 400,000 个细胞的簇，与较小的细胞簇相比，这是一个重大飞跃。当这些酵母团块被挤压时，它们会分化成分支细胞簇，如图所示。资料来源：OZAN BOZDAG

一项多年的实验使酵母团块变得更大、更坚固，为科学家提供了地球早期复杂生命如何形成的线索。

编剧: 迈克尔·格雷什科

走到户外，无论你走到哪里，你都会遇到许多多细胞生物，从蘑菇到树木，从鱼到海藻。但对于 35 亿多年前地球上的大部分生命来说，我们今天在植物、动物、藻类和真菌中看到的复杂性并不存在。

生命是如何从单细胞进化到今天查尔斯·达尔文所说的“无限的形式之美”？细胞最初是如何聚集在一起、学会​​合作并创造出包含数百万、数十亿或数万亿细胞的器官的？

科学家们仍然不知道这种转变是如何发生的，但由于酵母等不起眼的真菌，他们​​可能离解开这个谜团又近了一步。在一项新实验中，佐治亚理工学院的研究人员观察了酵母菌落的进化，每个酵母菌落变成了包含数十万个细胞的簇，这是同类中最大的，使科学家能够研究复杂多细胞结构的可能起源。

新的研究成果已提交给《自然》杂志，并已在线发表预印本。该研究产生了几毫米宽的酵母细胞团，每个细胞团包含大约 450,000 个细胞，这是同类中最大的细胞团。在这个过程中，酵母也从比明胶软一百倍变成了像木头一样硬，这是酵母进化成一个巨大的、错综复杂的细胞网络的结果。 “一切都令人惊讶，”该论文的合著者、佐治亚理工学院的进化生物学家威尔·拉特克利夫说。 “这是我们写过的最酷的论文。”

实验中使用的原始酵母簇（左图）足够小，可以悬浮在液体中。但经过 600 天的进化，研究人员观察到了更大的簇结构（右）。资料来源：OZAN BOZDAG 和 WILLIAM C. RATCLIFF

酵母的巨大转变凸显了自然选择塑造生命的力量。由于该实验预计将持续数年，未来研究这些酵母种群后代的科学家可能会发现导致更复杂生物类型形成的关键因素。

一个细胞、两个细胞、饲养细胞、培养细胞

纵观进化史，由数百个细胞组成的球形或片状简单多细胞生物相当频繁地出现。例如，绿藻Volvox可以形成像球一样的空心群体。但复杂的多细胞生物在生命树上只出现六次：植物、动物、两组真菌和两组藻类。

佐治亚理工学院培养的酵母不具备这种复杂程度，因为每个团块仅包含一种类型的酵母细胞，而不是构成复杂生物体的多种类型的组织。但这个实验室模型可以代表早期的多细胞生物体，它们只是试图弄清楚如何将许多细胞聚集在一起而不散开，从而有助于揭示这些进化飞跃背后的基本规则。

在实验室中模拟进化的尝试已有 100 多年的历史。最著名的实验之一来自 20 世纪 80 年代美国密歇根州立大学的生物学家理查德·伦斯基 (Richard Lenski)。他的实验观察了大肠杆菌超过 60,000 代的进化过程。在此期间，一些大肠杆菌已经获得了在氧气环境中吃柠檬酸盐的能力，而野外的大肠杆菌却从来没有这样做过。

受到理查德·伦斯基的启发，拉特克利夫花了十年时间利用酵母来探索多细胞体的起源。 2012年，他宣布了“雪花”酵母突变菌株的一些有希望的发现。在这种突变菌株中，发育中的子细胞不容易与亲本细胞分离，形成小的树突状细胞簇，因此被称为“雪花”酵母。然而，当这些簇积累到数百个细胞时，它们就会变得笨重并分裂成两半。

就像雪花酵母一样，生命可以通过多种方式进化成简单的多细胞生物。然而，多细胞体起源专家、美国哈佛大学古生物学家安迪·诺尔认为，真正的问题是如何由数十万甚至更多的细胞形成稳定的细胞簇。将如此多的细胞聚集在一起是复杂多细胞生命进化的关键一步，因此拉特克利夫尝试了多种方法来培养更大的酵母簇。

试管中的自然选择

为了在实验室中顺利进化，拉特克利夫和同事在摇动培养箱中培养酵母，使其混合并移动。每天，研究人员从一支试管中随机抽取十分之一的酵母液，注入一支新试管中。然后，他们将这个较小样本中的酵母簇放在试管底部，并让它们静置五分钟。酵母簇越大，沉淀得越快。

科学家只使用沉淀在底部的酵母（最大的酵母簇）来繁殖下一代。这个过程给酵母带来了巨大的进化压力，以产生尽可能最大的酵母簇。

但从2012年到2016年，拉特克利夫不断碰壁。在实验的前几个月，酵母簇变得更大，但随后稳定在 300 至 400 个细胞的高水平。拉特克利夫开始怀疑该系统可能具有自我约束能力。

博士后研究员 G. Ozan Bozdag 加入拉特克利夫的实验室后，发现了对酵母施加适当的进化压力以产生更大簇的关键。他建议在不同的氧气水平下培养酵母。在整个生命历史中，地球大气中的氧气水平发生了巨大变化，可能对多细胞生命进化的方式和时间产生重大影响。因此，博兹达格和拉特克利夫在无氧、部分有氧和全氧环境下进行了实验。

这三项实验于 2016 年底开始，在每个氧气水平下使用了五个重复的酵母谱系。酵母簇的大小一开始增长缓慢，然后趋于稳定，直到实验进行约 200 天，此时无氧环境中的一个谱系开始显示出一些大到足以用肉眼看到的簇。后来，其他四个谱系在无氧环境中也长出了可见的簇。

起初，博兹达格认为这些星团只是“一次意外，一次意外”。但在多次重复实验后，他开始意识到“这不是偶然，而是自然选择的结果”。

600天后，在无氧环境中生长的每个酵母簇的平均细胞数已增长至45万个。这一令人惊讶的结果表明，在多细胞生物的早期，氧气可能是某些生物体发育的障碍。

细胞修饰

随着实验的继续，博兹达格和拉特克利夫观察到，最大簇中的细胞开始变得越来越长，这与它们近乎球形的祖先非常不同。酵母簇中进化的细胞与其最初萌发的细胞之间较大的接触点可能会加强簇的分支。

在显微镜下，簇大小的演变变得更加明显。经过3000多代的进化，酵母簇的大小增加了约20000倍，从一小块（右上）变成了一大团（中）。图中左下角比例尺的长度为0.05mm。资料来源：OZAN BOZDAG

科学家们惊讶地发现，酵母团块进化得像木头一样坚硬，比之前想象的还要坚固。起初，其强度增加的原因完全是个谜。

经过几个月的研究，该研究论文的合著者、佐治亚理工学院的前博士生 Seyed Alireza Zamani-Dahaj 在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校使用强大的扫描电子显微镜观察了几瓶这种野生酵母。 。 。他将酵母团块嵌入树脂中，并使用极细的金刚石刀片逐渐暴露酵母层，以便可以在显微镜下扫描它们。

Zamani-Dahaj 花了六个月的时间将大量 2D 扫描转换为星团内部的 3D 模型。完成后，他意识到该簇的细胞分支紧密地缠绕在一起，使得分支内的任何一个断裂都很难破坏整个结构。

让生命绽放

虽然佐治亚理工学院不断进化的酵母团块为探索复杂生命的起源提供了令人兴奋的新工具，但它们并不代表多细胞生命起源的确切方式。植物和人类并不是从酵母进化而来的。毕竟，酵母本身是高度进化的真菌，而不是数十亿年前首次聚集在一起的基本细胞。

现代酵母在无氧环境中的新陈代谢可能无法反映早期复杂多细胞生命的生活方式。哈佛大学古生物学家安迪·诺尔（Andy Knoll）指出，现代发酵酵母的祖先似乎需要氧气才能生存，而它们的后代可能为了响应开花植物及其富含糖分的果实的到来而进化出了发酵。

英国巴斯大学的进化生物学家蒂芙尼·泰勒（Tiffany Taylor）并未参与这项研究，她表示，这项实验的真正力量在于让它能够持续数十年，就像理查德·伦斯基（Richard Lenski）对大肠杆菌所做的那样。只有这样，进化才会导致酵母陷入真正不可预测的境地。 `

随着酵母簇变得越来越大，获取每个簇内的资源变得越来越困难，并且簇内深处的细胞面临饥饿的风险。酵母簇是否会意外突变，从而形成孔或通道，以便营养物质可以扩散到核心？最后，酵母能否发育出不同类型的细胞，每个细胞都有专门的分工，就像真正的多细胞生物一样？

没有人知道答案，甚至连拉特克利夫和博兹达格也不知道。找到答案的唯一方法是做出终生的承诺，并持续进行数年甚至数十年的实验。

“没有多少人愿意进行 30 年的进化实验，”拉特克利夫说。 “但我认为回报将是巨大的。”

（译者：高兆峰）