多细胞生命起源之旅实验室中的长期实验进化
如果没有多细胞生物，世界将大不相同——除去植物、动物、真菌和海藻，地球开始看起来像一个更湿润、更绿色的火星。但究竟多细胞生物是如何从单细胞祖先进化而来的，人们仍然知之甚少。这种转变发生在数亿年前，早期的多细胞物种在很大程度上已经灭绝。
为了研究多细胞生命如何从无到有地进化，佐治亚理工学院的研究人员决定将进化掌握在自己手中。在生物科学学院副教授兼定量生物科学研究生项目主任William Ratcliff的带领下，一组研究人员启动了第一个长期进化实验，旨在从单细胞祖先进化出新型多细胞生物在实验室里。
经过 3,000 多代实验室进化，研究人员观察到他们的模式生物“雪花酵母”开始适应多细胞个体。在发表在《自然》杂志上的研究中，该团队展示了雪花酵母如何进化为身体更强壮并且比其祖先大 20,000 倍以上。这种类型的生物物理进化是肉眼可见的大型多细胞生命的先决条件。他们的研究是关于正在进行的多细胞长期进化实验 (MuLTEE) 的第一份主要报告，该团队希望该实验能够运行数十年。
“从概念上讲，我们想要了解的是简单的细胞群是如何进化成有机体的，它们具有专门化、协调生长、出现的多细胞行为和生命周期——这是将一堆池塘浮渣与能够持续进化的有机体区分开来的东西”拉特克利夫说。“了解这个过程是我们领域的一个主要目标。”
多细胞长期进化实验
Ozan Bozdag是 Ratcliff 小组的研究科学家和前博士后研究员，也是该论文的第一作者，他于 2018 年发起了 MuLTEE，从单细胞雪花酵母开始。Bozdag 在摇晃的培养箱中培养酵母，并选择每一天以实现更快的生长和更大的群体规模。
该团队选择了生物体大小，因为所有多细胞谱系开始时都是小而简单的，随着时间的推移，许多进化为更大、更健壮。长出又大又硬的身体的能力被认为在增加复杂性方面发挥了作用，因为它需要新的生物物理学创新。然而，这个假设从未在实验室中直接测试过。
经过大约 3,000 代的进化，它们的酵母进化形成比其祖先大 20,000 倍的群体。它们从肉眼不可见到果蝇大小，包含超过 50 万个细胞。单个雪花酵母进化出新的材料特性：虽然它们开始时比明胶弱，但它们演变成像木头一样坚固和坚韧。
新的生物物理适应
在研究雪花酵母如何适应变大时，研究人员观察到酵母细胞本身变长，从而降低了挤入该组的细胞密度。这种细胞伸长减缓了细胞间压力的积累，这种压力通常会导致细胞团破裂，从而使细胞群变得更大。但仅这一事实就应该只导致尺寸和多细胞韧性的小幅增加。
为了揭示允许生长到宏观尺寸的精确生物物理机制，研究人员需要观察酵母簇内部以了解细胞如何物理相互作用。普通光学显微镜无法穿透大而密集的群体，因此研究人员使用扫描电子显微镜对数千个酵母超薄切片进行成像，从而确定了它们的内部结构。
Bozdag 说：“我们发现有一种全新的物理机制可以让这些群体成长到如此非常非常大的规模。” “酵母的分支已经纠缠在一起——簇状细胞演化出类似藤蔓的行为，相互缠绕并加强了整个结构。”
通过简单地选择生物体大小，研究人员想出了如何利用纠缠的生物力学机制，最终使酵母作为一种材料的强度提高了大约 10,000 倍。
“以前曾在完全不同的系统中研究过纠缠，主要是在聚合物中，”物理学院副教授、该论文的合著者彼得云克说。“但在这里，我们通过一种完全不同的机制看到了纠缠——细胞的生长，而不仅仅是通过它们的运动。”
观察纠缠是研究人员理解简单的多细胞群体如何进化的转折点。作为一种全新的多细胞生物，雪花酵母缺乏现代多细胞生物特有的复杂发育机制。但是经过仅仅 3,000 代的实验室进化，酵母就弄清楚了如何驱动和选择细胞纠缠作为一种发育机制。
对其他多细胞真菌的初步研究表明，它们也形成高度纠缠的多细胞体，这表明纠缠是多细胞生命这一分支中广泛存在且重要的多细胞特征。
“我真的很高兴有一个模型系统，我们可以在其中进化出数千代的早期多细胞生命，利用现代科学的强大力量，”拉特克利夫说。“原则上，我们可以理解正在发生的一切，从进化细胞生物学到直接选择的生物物理特征。”
很长一段时间以来，人类一直在利用生物学来进化新事物——从我们吃的玉米到驯养的狗、鸡和赛鸽。根据 Ratcliff 的说法，他们的团队所做的并没有太大不同。
“通过了解单细胞生物进化的规模，我们可以弄清楚它们是如何进化成越来越复杂和完整的多细胞生物的，并且可以研究这个过程，”他说。“随着我们继续在 MuLTEE 中进化雪花酵母，我们希望这只是多细胞发现漫长故事的第一章。”
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