生物有机体由单细胞向多细胞转变经历了二十多次的独立进化过程。在动植物这样的复杂生物的起源问题上，这种转变能告诉我们什么？
鉴于大多数有机体的复杂性――精密的胚胎发育、迥异的多组织类型、无数细胞间的错综协调――多细胞生物的出现似乎是进化史上的一个重大飞跃。事实上，大多数生物学家认为这是地球居民进化史上最重大的转变之一。然而，单细胞有机体粘附或聚集在一起产生了多达几十倍的多细胞后代，也许说明这并不是个什么大飞跃。
“从单细胞到多细胞的转变对于解释地球生命的多样性十分关键，”布朗大学进化生物学家凯西·邓恩（Casey Dunn）说，“我们倾向于认为这是相当特殊的，但也许并非如此，可能比我们想象的容易。”
探究进化细节
为了解这种现象发生的原因和过程，科学家正在利用最近大量增加的基因组数据来构建更精确的系统发育过程，试图拼接出向多细胞生命转化的各个步骤。然而，尽管做了很多努力，这个奇妙现象的起源仍然笼罩在神秘之中：转化的细节被掩埋在了亿万年来的生物进化和灭绝过程中，基因组测序提供的答案可能导致了更多的疑惑。
“新的研究总是超出我们的想象”，马萨诸塞州怀特德黑生物医学研究所的进化生物学家曼西·斯里瓦斯塔瓦（Mansi Srivastava）说，科学家突破了果蝇、老鼠这些传统的模型系统，动物研究范围更加广泛，“对动物而言，某些特定的基因有什么意义的想法已经改变了。”
传统的进化论思想曾让研究人员相信，基因的进化是向多细胞生物转化的原因。但基因组科学的发展却越来越多地揭示了在简单动物甚至是它们的单细胞近亲中，也存在伴随复杂过程的基因。这表明新基因并不能完全解释对于多细胞体而言的新性状是如何产生的。海绵通常被看作是所有后生动物谱系中最基础的生物，在最近公布的海绵基因组中发现了有关神经肌肉系统发展的基因，然而海绵并没有这一系统。斯里瓦斯塔瓦说：“这些我们以为和复杂的多细胞动物联系在一起的基因，其实也和基本的多细胞功能有关系――要找到最简单的多细胞动物，就必须找出这些基因。”
像某些最古老动物一样，海绵能够提供后生动物谱系进化的相关信息，但为了对多细胞的起源有真正的了解，科学家们必须在进化树上回溯得更久远。领鞭虫和海绵的饲养结构看上去非常相似，它们是后生动物族谱间最近的单细胞亲属。研究发现，它们也含有一些曾被认为是多细胞动物独有的基因。以从领鞭虫中发现的酪氨酸激酶（TK）为例，这是一种在动物发育中发挥细胞间协调作用的酶。2008年公布的领鞭虫基因组测序结果显示，其含有的酪氨酸激酶比任何动物都多，其中还包括酪氨酸激酶信号通路组件。
生物有机体由单细胞向多细胞转变经历了二十多次的进化过程，这显然是进化史上的一个重大飞跃
“因此，这一基因图谱被认为是一个动物起源的触发器，现在我们可以自信地说，在动物产生之前领鞭虫就开始进化了”，加州大学伯克利分校进化生物学家妮可·金（Nicole King）说，她对领鞭虫进行了十多年的生物学研究。
科学家还发现领鞭虫与动物细胞粘附和信号发送中包含的钙粘蛋白同源。最近，在对整合素介导粘附及信号通路相关基因的研究揭示，整合素粘附复合物比领鞭虫出现得早很多，可以追溯到动物和真菌共同祖先的时代。
“在久远的物种中发现这类粘附基因让人很吃惊，”斯里瓦斯塔瓦说，“我们原本认为，整合素信号发送是缘于细胞粘附在一起，但它的出现比其最近的单细胞表亲还要早许多”。
对多细胞生物进化的基因组探索其实刚刚开始，但已经出现了某种趋势。“几乎被我们认为是后生动物独有的基因已经存在于它们的单细胞亲属之中了。”巴塞罗那大学的进化生物学家依纳吉·鲁伊斯-特略（Inaki Ruiz-Trillo）说，“我认为这意味着对远祖基因功能的多种选择较多细胞生物起源进化的意义重大。”
“也许我们收集的数据越多，动物特异基因就会越少，”邓恩认同鲁伊斯-特略的观点，“我们将不得不从这些基因产物相互作用方式变化的角度解释多细胞生物的起源问题”。
遗憾的是，由于基因组的数据还在充实中，有关这些单细胞有机体中的基因功能的实验数据还很有限。如纽约大学石溪分校的生化学家托德·米勒（Todd Miller）及其同事的研究显示，尽管领鞭虫中含有大量的酪氨酸激酶，但它们缺乏在动物信号通路中具有的监控功能，因而可以推测出调控元件可能是多细胞生物进化的关键。而米勒认为，这种观点带有投机性，因为动物的单细胞亲属所含酶的指标和它们活化的细节仍然是个未知数。
“我们真正想做的是对信号通路进行全面比较，看看它们是如何进化的，”米勒说，“如果我们在调控元件还没附加之前找出其通路的核心要素是什么，就如同我们对后生动物细胞研究的那样深入一样。”
随着测序研究引发的更多疑问，系统发育研究也给动物家谱增添了阴影。例如，海绵真如一直公认的是最基础的动物吗？邓恩及其同事最近的一项测序研究显示，也许栉水母才是现存最早的多细胞动物的分支。”邓恩说：“你得到的答案将取决于你的研究对象以及你使用的统计方法。”
“要理解进化过程中的转变，你得有一个厚实的系统发育框架。”鲁伊斯-特略说。测序的基因组越多，发现的多细胞有机体和它们的单细胞表亲的相似性以及差异性也就越多。就多细胞生物的进化研究而言，“这是一个激动人心的时刻”，金说。因为这么多的开放问题和越来越多的基因组测序，“就有了很多可以实现的目标”。
多细胞模型？
当然，动物不是唯一的多细胞生物，因此也不是多细胞生物起源研究唯一适用的系统。事实上，人们认为多细胞生物已经在物种间进行了多达25次不同的进化。尽管对后生动物起源的探索中可能充满不确定性，但科学家或许可以通过对其他谱系的多细胞生物研究进行推演。
以对褐藻和它们的单细胞硅藻亲属的比较为例，研究人员从中观测到膜覆盖受体激酶――一种在动物和绿色植物细胞分裂和图案中都发挥作用的蛋白质家族――的增长。这一谱系中的每个成员都独立进化出更多的激酶基因，说明这一蛋白质家族可能曾是转化的关键。
然而，在所有的多细胞生物谱系中，梳理多细胞生物进化研究的最好也最契合的系统是团藻（其基因序列去年夏天公布）。同其他一般发生在近一亿年以前的多细胞生物的起源相比，这种藻类向多细胞生物的转变仅出现在200万年前――尽管这可能会减少它们的基因组在进化上留下的印记。不仅如此，在单细胞物种衣藻和派生度最大的多细胞生物团藻之间，可能还存在着中间级物种，其中一些似乎从它们的单细胞祖先中分化后变化微乎其微。尽管最近的证据表明它们的进化史十分复杂，其中包含着多重起源和反复，但这种藻类仍然展示了一份系统发育路线图，从中可以推断出它们的转化过程。
团藻是水生的鞭毛真核生物，其复杂性包括从单细胞物种到多种集合体形式再到多细胞团藻，这种转化隐含了一系列的细胞间粘附、反演以及体细胞系和生殖细胞系的分化，其中的两个物种已经成为了代表多细胞生物进化的典型――单细胞的莱茵衣藻和拥有差不多2000个细胞的团藻。
和动物相比，最近对团藻基因组测序的结果显示，它们的遗传密码中很少有什么能解释其形态上的显著差异。“开始时这非常令人失望”，马里兰大学巴尔的摩分校的发育生物学家、曾参与团藻基因组分析的斯蒂芬·米勒（Stephen Miller）说，“我们希望能发现一些差异来解释为什么团藻比莱茵衣藻发育复杂的多，结果没有找到。”
然而，有些基因就存在于莱茵衣藻中，它们同团藻基因已经相似到几乎可以代表它们缺失或变异的副本了。例如，团藻的glsA基因是不对称分裂的重要组成代码，其突变导致了对称分裂，使得成年团藻完全由细小的体细胞组成，而不能产生下一代大生殖细胞。包括莱茵衣藻中的70%同源蛋白质与glsA蛋白质一致，但其基因在向glsA突变中能还原不对称细胞分裂。米勒说：“衣藻中的同源蛋白质完全有能力发挥同样的功能”，
同样，invA在反演过程中也必不可少。它们形成了团藻的球状结构（藻胞在中间，小的鞭毛体细胞围绕在其周围）。不过，在invA突变中，由于细胞不能向连接它们的胞质移动，藻胞因此暴露在球体表面致使反演失败。但和glsA突变一样，可以由衣藻中的同源蛋白质IAR1挽回。
不过也有例外。同莱茵衣藻相比，团藻中会出现许多新的为细胞壁或细胞外基质（ECM）蛋白质编码的基因，并伴随着团藻基因一起增殖。尽管团藻的细胞数量只是莱茵衣藻的几千倍，但细胞壁或细胞外基质数量的增加，构成了成熟团藻99%的体量，将上述差距提高到十万多倍。
当检测团藻交配基因座区域时――染色体中决定团藻性别的特异性基因――还发现了一个明显的变化。莱茵衣藻和团藻性策略的显著区别在于它们配子的大小不同。莱茵衣藻的精子和卵子大小几乎没有什么区别，数量也相等。但团藻的卵子要比精子大许多，数量也少很多。这种向卵式生殖的转变，就像它的名字一样，似乎是多细胞生物的一个标志。
“这是一个非常保守的性状，”索尔克生物学研究所的细胞和进化生物学家詹姆斯·尤门（James Umen）说，“当你对任何一个开始出现多细胞生物并且产生性别的谱系进行观察，会发现交配型从同体积配子发展到精子和卵子的过程中，其变化微乎其微”。相对于团藻生命周期中无性繁殖阶段，新基因更像是二型配子进化的重要组成部分。莱茵衣藻的交配基因座有20——30万对碱基，团藻交配基因座的体积则是它的5倍，相当于至少13个新的性别特异性基因的大小。
“总体来说，这两个基因组非常相似，但是团藻基因组交配座在体积和容量上都大了很多倍，”尤门说，“一般来说，与性别相关的因素往往不遵循普遍的进化原则，革新对其而言可能更重要”。
研究团藻生物究竟可以让科学家了解到多少动物或其他族谱生物展现出的复杂进化过程？一些科学家认为，并不是很多。团藻显示的是一个相对简单的多细胞生物结构，也没有有序的组织或器官。
“我认为过度概括是危险的，”米勒说，“因为不同的多细胞生物的进化是独立的，在进化上不必一致。但我估计它们最终会有相似之处。”
金说，一种新兴的观点认为，复杂的多细胞生物，如动物、植物和真菌进化的次数可能屈指可数，而且它们几乎是从细胞分裂开始发展到更大的有机物物体。与通过邻近细胞聚集成形的粘菌不同，最早的多细胞生物可能是在细胞分裂后未完成分化而进化的。
这方面的证据来自金的实验室。金在近期的一项研究中发现，如果细胞分裂受到抑制，领鞭虫就不能形成菌落。如果动物的祖先和现代的领鞭虫有些许相似之处，这就能说明进化的核心，即动物是由单细胞胚胎发展而来，而不是二次发育。
类似的，团藻是通过多次细胞分裂形成的。细胞核在细胞质之前分裂很多次，每分裂一次可以产生相当的子细胞。“这种方法可以一次生产出大量基因一致的细胞。”英属哥伦比亚大学的进化生物学家马修·赫伦（Matthew Herron）说，“比如，制作一个八细胞菌群时，只需要把它们粘附在一起就可以了。”
复杂品种协作
除了分子和发育的增长模型外，遗传冲突也使多细胞生物的进化更加复杂。将单个细胞们聚集在一起并发挥一体功能需要令人难以置信的大量协作。加上自然选择在个体细胞层面的作用，想要在该体系中蒙混过关并破坏多细胞生物的整体成功，会面临巨大的进化压力。
细胞为了创造一种全新的“个体”，进行了由开始少数几个到后来的百万计的合作，这需要进行生物组织这一层次上的转换，这种转换会受到自然选择的作用。通过这种方式，多细胞生物的进化可以被认为是一项“个体内进化转变”，自然选择的单位由单细胞变为一群细胞――新进化出的多细胞个体。另一些“个体进化转变”包括复制分子聚集产生原核细胞；原核细胞联合起来创造具有细胞器的真核细胞，如叶绿体和线粒体；以及由离散的多细胞个体，如完全社会性的昆虫群落组成的协作社会的建立。
“总的原则是，无论在什么转化中总需要某种形式的协作。”赫伦说。“在蚂蚁和蜜蜂中，工蚁和工蜂在某种意义上牺牲了自己的繁殖，为蚁后和蜂后的繁殖协作服务。在人类和团藻这样的多细胞有机物中，体细胞也在在某种意义上一样牺牲自己以支持生殖细胞的繁殖。”
但是这种转变并不总是一帆风顺，因为自私突变会产生只从群体获利而不做应有贡献的欺骗者，从而引发冲突。团藻藻类中多细胞生物进化过程中协作的第一步是细胞壁结构里的细胞外基质的发展，它可以通过宝贵的代谢来创造。细胞外基质因此可以被看做首个共享资源，有些并不能帮助它产生的细胞仍然能从它的存在中获益，从而获得成长或繁殖的优势。
为了防范这种欺骗行为，这些新个体种类必须进化出冲突调解机制。有一种理论认为，团藻防御细胞外基质欺骗者的方法是进化出对细胞数量的基因控制。在单细胞的莱茵衣藻中，所生产的细胞的数量取决于亲代细胞的大小，其次取决于可获得资源的数量。在这种情况下，可以推测，多细胞有机物中的某个细胞可以把能量存储起来以生产更多的子代细胞，而不是去帮助生产细胞外基质，从而自身获益。但所有已经进化出细胞外基质的团藻藻类也已经转而对细胞数量进行遗传控制了。由于其中子代细胞的总数受到了限制，欺骗者能获得的也就少了。
体细胞和生殖细胞分化产生的生存能力和繁殖之间的分工是另一项潜在的冲突。本质上，体细胞放弃了自己的生殖输出，通过也许是提供增强动力的方式支持整个细胞群落的成功。然而赫伦指出，它们并不总是愿意合作，突变仍然会出现，致使一些团藻体细胞试图自我繁殖，而不是做一个不育的泳者支持整个有机物的繁殖。
体细胞的再生，或regA基因可能是控制体细胞叛变的重要因素。在regA突变体中，体细胞最初正常发育，但随后会变大并发展为藻胞，能够分裂产生团藻后代。“这会造成一个功能失调的菌落，”赫伦说，“在实验室中，我们能够维持这些突变菌落的生存，但它们沉在试管的底部。我们估计它们在自然中很难维持”。
调解上述转化后的冲突的一种机制是提早隔离生殖系。团藻中发挥繁殖功能的藻胞在发育初期是由很少几轮不对称细胞的分裂形成的，所以能够积累突变的时间很短。虽然体细胞仍可能积累突变，但这些缺陷不会遗传。“它们是进化的死胡同。”赫伦说。
团藻中的这些经常性突变说明“个体细胞和群落之间的利益冲突仍可能继续，”他补充道。这些冲突可能会限制有机物的复杂性，例如对个体细胞的选择同有机体整体生存繁殖的意图的斗争，表明了高等多细胞动物的进化可能并不容易。“由单细胞向有一个以上细胞的有机体的转变很多，但能进化到复杂的多细胞有机体并仍保持细胞分裂的非常少，只发生了有限的几次。”
资料来源 The Scientist
责编 彦 隐