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单细胞演变成多细胞生物的过程研究新进展

收藏 打印 发给朋友 来源: 中国化石网 网站编辑:cnfossil
热度278票 浏览1064次 时间:2015年2月10日 15:16

图为网柄菌(一种常见的土壤微生物)形成多细胞子实体的过程。

图为网柄菌(一种常见的土壤微生物)形成多细胞子实体的过程。

当盘基网柄菌缺乏所需营养时,便会形成多细胞子实体。

当盘基网柄菌缺乏所需营养时,便会形成多细胞子实体。

图为一群酵母细胞。一个细胞凋亡时,其余细胞便会解散。

图为一群酵母细胞。一个细胞凋亡时,其余细胞便会解散。

图为一6000万年前的多细胞生物化石,其复杂程度令人惊奇。

图为一6000万年前的多细胞生物化石,其复杂程度令人惊奇。

(中国化石网报道)据新浪科技(米米):科学家正在对单个细胞演变成多细胞生物的过程进行研究。研究结果或有助于人们弄清复杂地外生命的演化过程。

详细的研究成果被发表在2014年10月24日的《科学》期刊上。

地球上首个已知的单细胞生物出现在35亿年之前,约为地球形成10亿年之后。更加复杂的生物体则经过了更长时间才慢慢出现。而在6000万年之前,地球上才出现首个多细胞生物。

在地球生物史上,由单细胞微生物向多细胞生物的转变无疑是极为关键的一步,并在很大程度上改变了地球的生态面貌。但问题是,为什么多细胞生物不会退化成单细胞生物呢?

“单细胞生物明显是很成功的——地球上的单细胞生物远比多细胞生物多得多,而且早诞生了20亿年,”美国新墨西哥州圣菲研究所的一名数学生物学家、该研究的主要作者埃里克·利比(Eric Libby)说,“既然如此,多细胞生物到底有什么优势呢?它们又为什么能一直保持这种形态、而不向单细胞生物的方向退化呢?”

通常来说,这个问题的答案是“合作”,也就是说,多个细胞进行分工协作时,会比单独存活更有利。然而利比表示,在进行合作时,细胞们往往会互相“推卸责任”。

“比方说,在一个蚁群中,只有蚁后才能产卵,其它的工蚁则没有产卵能力,而它们又必须为了蚁群牺牲自己的时间和精力,”利比说,“那么,这些工蚁为什么不离开蚁群、自己建立一个新的蚁群呢?显然是因为它们没有繁殖能力,所以它们无法建立自己的蚁群。但如果发生了基因突变、工蚁有了繁殖能力,蚁群就有大麻烦了。这在多细胞生物的演化过程中是很常见的,因为第一个多细胞生物就是由单细胞生物基因突变产生的。”

实验结果显示,如果一群微生物能产生某种分泌物、让所有微生物都能从中获益的话,它们就会生长得更快。但在这群微生物中,最爱占便宜的微生物往往生长速度最快。癌细胞便是这样一个例子,它们在生长时,会对群体中的其它成员产生危害,因此对于所有多细胞生物来说,癌症都是一个严重的隐患。

的确,许多原始的多细胞生物都既具有单细胞形态、又具有多细胞形态,因此它们有可能放弃多细胞的生存方式。比如说,一种名为荧光假单胞菌的细菌会迅速繁殖、产生多细胞菌簇,但菌簇形成之后,部分单细胞“作弊者”就会趁机停止制造维持菌簇所需的分泌物,从而导致菌簇分崩离析。

多细胞生物究竟是如何维持这种状态不变的?科学家给出的答案是,因为存在所谓的“棘轮效应”。棘轮是一种维持齿轮向一个方向转动的零件。利比和该研究的合作撰稿人、乔治亚理工学院威廉·拉特克利夫(William Ratcliff)表示,在这个问题中,棘轮效应是指某种对群体有利、但对独自存在的细胞不利的特性,这有力地阻止了多细胞生物朝着单细胞生物方向倒退。

总的来说,在一个细胞群体中,细胞之间越是相互信任,棘轮效应就越强。比方说,群体中的细胞可以进行分工,某些细胞可以制造出分子,其它细胞则可以将这些分子加工成维持生命所必须的复合物,这样一来,它们所产生的效益便比各自独立工作时要大。近期的一系列与细菌有关实验也佐证了这一理论。

棘轮效应还能解释古微生物之间的共生关系,这种共生关系导致了细胞内部共生体的出现,比如线粒体和叶绿体。它们能帮助寄主对氧气和阳光加以利用。当科学家在实验中,将单细胞生物草履虫体内这些促进光合作用的共生体除去之后,草履虫利用氧气和阳光的能力便大大下降,同时共生体也失去了在寄主体外存活所必须的基因。

棘轮效应常常导致出现一些看上去难以解释的实验结果。比如说,细胞凋亡(又称细胞程序性死亡)是指细胞自行死亡的过程。而实验显示,细胞凋亡率越高,对细胞群体来说反而更有利。在一大群酵母细胞中,凋亡的细胞就像是解开了维系一小群酵母细胞的纽带,让这些细胞移动到更宽敞、营养更充足的地方去。

“对于单个细胞来说,这样的优势是不存在的,也就是说,任何离开群体的细胞都会自食其果,”利比表示,“我们的研究结果表明,和其它细胞共存的细胞能享受到独自存活时无法享受的待遇。多细胞环境是如此不同,像死亡率升高之类的现象对于单细胞生物来说可能是致命的,但对于一个细胞群体来说,则是十分有利的。”

而这些研究结果对于探索地外生命又有怎样的帮助呢?利比说,这一研究表明,除非我们真正理解了群居生活对个体生物的益处,否则在我们看来,外星生命可能表现得很怪异。

“群体中的生物可以适应一定的生活方式,而如果我们不考虑这种生活方式对所有生物的共同益处的话,这些生活方式就会显得很奇怪。”利比表示,“就好像一块拼图,只有当你把它拼成一大块的时候,你才会知道它到底有什么用。”

利比和同事们计划对更多的棘轮效应展开研究,“我们还进行了别的实验,希望能计算出其它可能存在的棘轮效应特征的稳定性。”

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