010 多細胞生命（下）| 進化的歷史010

顯微鏡下的洋蔥表皮細胞

摘要：從單細胞生命進化為多細胞生命是一個複雜漫長的過程。人們提出了多種假說來說明這一過程。不管怎樣多細胞生命長久維持必須具備「棘輪效應」。而且這種優勢被記錄在DNA中不斷遺傳才能實現生生不息。

多細胞生命的進化

最初單細胞生物可能出於自衛需求，或者因為適應相同的環境聚集到了一起。開始只是簡單的聚集並產生了連接。機械連接還不夠，它們還學會了分泌了某些化學物質，用化學信號相互溝通、分工協作，進而演化出了多細胞生命，這其中包含了漫長的過程與複雜的機制。科學家給出了很多推測,比較著名的有以下幾種學說：

多細胞生命進化理論

群體學說

單細胞生物在原始的環境中，有一些組合成簡單的群落，它們之間並沒有任何分化，只是簡單的聚合在一起。這樣出現了一些優勢，例如可以透過細胞膜相互交換營養物質，以及體積較大不容易被其他單細胞生物吞吃等。此階段尚不能被稱為多細胞生物，它只是眾多細胞簡單的聚合體。（這與原始人類群居生活有點類似。）多細胞生物應該是指細胞出現簡單的功能分化，例如一些細胞負責支撐群體，一些細胞負責進食，另一些負責傳遞營養物質。（這很類似人類社會後來出現的社會分工。）但這些只是功能分化還沒有出現任何器官和結構。出現細胞功能分化後，我們可以認為它是一個最簡單的多細胞動物，現代可參考的生物如海綿。

圖為海綿 Photo by James Lee on Unsplash

最新研究顯示，這種單細胞生物向多細胞生物進化過渡可能比之前預想得更加微妙，地球遠古單細胞生物已具有擴展至較複雜生命形式的一些功能。一些簡單的細胞群已經可以負責完成不同的任務。例如：「品嘗」環境中的化學物質，在身體內運輸氧氣，或者激活神經信號。而之前科學家一直認為這些功能僅存在於多細胞生物組織。西班牙科學家發現有一種特殊的變形蟲（「Capsaspora owczarzaki」）具有許多複雜生命的一些行為特徵，可以使細胞群形成不同組織。雖然這種變形蟲不會自發形成不同組織，但它製造了一個從單獨個體至群體生物的轉換機會。它們甚至可以和其它變形蟲的種群組成一個胞囊結構。這些變形蟲可以通過改變基因讀取和轉錄來修改蛋白質。研究人員分析了數千個蛋白質樣本並微調它們，最終改變了整體細胞功能性。研究人員認為基於這些數據，可以認為在多細胞動物出現之前已有相關基因機制和調控功能。單細胞生物已具有動物細胞分化的機制。一旦條件成熟，它們將擴展其基因譜系和循環再造機制，構建出一個複雜、多細胞生命。

共生學說

該學說認為不同種的原生生物共生在一起，發展成為多細胞動物。對於不同遺傳基礎的單細胞生物如何聚在一起形成能繁殖的多細胞動物還難以解釋。但是一種神奇的生物在中國被稱為太歲，可以為這種假說提供例證。現代科學家認為太歲是一種大型粘菌複合體，生長於地下20-100米的厭氧環境中，生活於土壤中，靠水存活，所以放在水中不會腐爛、變質。研究表明這是一種由粘菌、細菌和真菌三類菌構成的稀有的聚合體。主要靠孢子、菌絲繁殖，活性很強，隨意切割都能夠再生。這些菌種如何聚集在一起，為何可以形成穩定的形態仍然是個迷。研究證明它是以細菌、酵母菌、黴菌孢子等微小生物為食，以纖維素、幾丁素、甲殼質等為營養，肌體含有豐富的蛋白質、核酸以及假絲酵母菌和白地黴。它的細胞中含光合色素。按照《生命起源及進化譜系圖》分析，它的位置應在菌（藻）類植物和原生生物、動物之間。可惜的是該生物進化到此種程度後停止了進化。因此生物專家稱它為「盲支」，處於生命演化的一個岔道口上。往左會發展到植物界，往右就會向動物界發展，原地不動就會變成像蘑菇靈芝一樣的真菌類，為自然界中非植物、非動物和非菌類的第四種生命形式，是迄今發現的最古老的古生物活體標本，是人類和一切動植物的祖先。

遼西朝陽出土的「國寶太歲」

個人認為不同類型的細胞要共生，需要細胞之間能協調配合，它們之間一定有著複雜的生理機制，一旦形成生命力會很強。但是細胞共生形成的條件要求比較高，而且這種共生機制如何實現複製現在還不清楚。太歲的生長速度緩慢但生命力頑強可以適應惡劣環境。以上種種特性可以推測這種古老的生命形態，誕生於惡劣的環境中。當環境向著更適宜生命的方向變化時，它們由於生長緩慢、遺傳機制上的欠缺在競爭上處於被動的劣勢。所以最終成了少數派，只是由於生命力強所以延續到現在。

合胞體學說

這一學說認為多細胞動物來源於多核纖毛蟲的原始類群。後生動物的祖先開始是合胞體結構，即多核的細胞，後來每個核獲得一部分細胞質和細胞膜形成了多細胞結構。對該學說持反對意見者較多，但這個學說的優勢可以解釋為什麼很多高等生命的體細胞都有相同的基因。

棘輪效應

不管多細胞生命體是通過怎樣的方式進化而來的，有一個巨大的門檻是它們必須要跨越的，那就是合作機制的建立與穩定的複製。不同細胞之間可以合作共生，但這種機制是什麼？如何產生的？又如何穩定地保證這種合作機制不失效，從而導致多細胞生物能一直保持這種形態、而不退化為單細胞生物？目前還在研究。顯而易見的是多個細胞進行分工協作時，會比單獨存活更有利。但在這群微生物中，如果有誰偷懶或愛佔便宜那它在系統內部會有優勢，這類個體往往生長速度最快，癌細胞便是這樣一個例子。所以對任何一個多細胞生物而言癌細胞都是大敵。早期很多不成熟的多細胞生命都因為無法阻止這類現象的發生而消亡了。

科學家認為能夠在進化中勝出的多細胞生命都有著很強的「棘輪效應」。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。棘輪效應可以稱之為細胞的集體主義精神。比如前面提到的細胞凋亡（又稱細胞程序性死亡）是指細胞自行死亡的過程。研究表明細胞凋亡率越高，對細胞群體來說反而更有利。例如在一大群酵母細胞中，凋亡的細胞可以解開了維繫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。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。

被記錄遺傳的優勢信息

由此我們可以發現群體性細胞與單細胞生命的行為有很大的差異。也許一開始這種差異只是自發形成的，當細胞進化成真核生命之後這些行為被記錄到DNA中之後，多細胞生命就擁有了相對的優勢。我們知道受精卵細胞通過自我複製、分裂形成一個群體，然後不同的細胞個體再分化成不同的功能性細胞形成組織。基因控制的不僅是細胞自身的特性，還要包含整個生長發育過程、各細胞、組織之間的溝通合作方式。這些信息、機能通過基因遺傳方式非常靈活且快速地複製，所以生命的演化進程中它們成了主流。今天我們所見到的絕大多數的多細胞生命都是通過DNA進行繁衍的。

最後需要強調一點這種機制的勝利前提是地球的自然環境趨於穩定且溫和，更適於高級生命的發展，如果自然環境惡劣那麼今天佔領這個星球的一定是生命力頑強的低等生命體。

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本文來自專輯《進化的歷史》