多细胞生命起源之旅：实验室的长期实验进化

如果没有多细胞生物，世界将看起来非常不同——去掉植物、动物、真菌和海藻，地球开始看起来像一个更潮湿、更绿色的火星版本。但究竟多细胞生物是如何从单细胞祖先进化而来的，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零开始进化，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跨学科研究生项目主任威廉·拉特克利夫(William Ratcliff)的带领下，一组研究人员发起了第一个长期进化实验，旨在从实验室中的单细胞祖先进化出新型多细胞生物。

经过3多代的实验室进化，研究人员观察了他们的模式生物“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，研究小组展示了雪花酵母如何进化到身体更强壮，比它们的祖先大000万倍以上。

这种类型的生物物理进化是肉眼可以看到的大型多细胞生命的先决条件。他们的研究是正在进行的多细胞长期进化实验(MuLTEE)的第一份主要报告，该团队希望运行数十年。

“从概念上讲，我们想要了解的是简单的细胞群如何进化成具有专业化，协调生长，紧急多细胞行为和生命周期的生物体 - 这些东西将一堆池塘浮渣与能够持续进化的生物体区分开来，”拉特克利夫说。“了解这一过程是我们领域的主要目标。

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，每天选择更快的生长和更大的群体规模。

该团队选择了生物体的大小，因为所有多细胞谱系最初都是小而简单的，并且随着时间的推移，许多谱系进化得更大，更健壮。生长大而坚韧的身体的能力被认为在增加复杂性方面发挥作用，因为它需要新的生物物理创新。然而，这一假设从未在实验室中直接测试过。

在大约3代的进化过程中，它们的酵母进化成比它们的祖先大000万多倍的群体。它们从肉眼看不见到果蝇的大小，包含超过五十万个细胞。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，但它们进化成像木材一样坚固和坚韧。

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得细长，降低了包装在群体中的细胞密度。这种细胞伸长减缓了细胞间应力的积累，这通常会导致簇断裂，从而使基团变大。但仅凭这一事实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。普通的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的超薄切片进行成像，这赋予了它们内部结构。

“我们发现有一种全新的物理机制，允许这些群体发展到非常非常大的规模，”Bozdag说。“酵母的分支已经纠缠在一起 - 簇细胞进化出藤蔓状行为，相互缠绕并加强整个结构。

通过简单地选择生物体大小，研究人员找到了如何利用缠绕的生物力学机制，最终使酵母作为材料坚韧约10，000倍。

“纠缠以前已经在完全不同的系统中进行了研究，主要是在聚合物中，”物理学院副教授，该论文的合著者Peter Yunker说。“但在这里，我们看到的纠缠是通过一种完全不同的机制 - 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所特有的复杂发育机制。但经过短短3代的实验室进化，酵母就找到了如何驱动和选择细胞纠缠作为发育机制的方法。

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而重要的多细胞特征。

“我真的很高兴有一个模型系统，我们可以在数千代人中进化早期多细胞生命，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。

长期以来，人类一直在与生物学合作进化新事物——从我们吃的玉米到驯养的狗、鸡和表演鸽。根据拉特克利夫的说法，他们的团队正在做的事情并没有太大的不同。

“通过把我们的手指放在单细胞生物进化的规模上，我们可以弄清楚它们如何进化成越来越复杂和整合的多细胞生物，并可以在此过程中研究这一过程，”他说。“我们希望这只是多细胞发现的漫长故事的第一章，因为我们继续在MuLTEE中进化雪花酵母。

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