從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞體這一過渡是怎么發(fā)生的?據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)1月16日?qǐng)?bào)道,5億多年前,地球表面的單細(xì)胞生物開始形成多細(xì)胞簇,最終變成了植物和動(dòng)物.美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研究人員在實(shí)驗(yàn)室用普通的啤酒酵母菌復(fù)制了這一關(guān)鍵進(jìn)化步驟,演示了這一過渡的發(fā)生過程.相關(guān)論文發(fā)表在近期出版的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上.
研究人員將啤酒酵母菌加入到培養(yǎng)基中,在試管內(nèi)生長(zhǎng)了一天,然后用離心機(jī)攪動(dòng)使試管中的成份分層.當(dāng)混合物穩(wěn)定下來,細(xì)胞簇會(huì)更快地落在試管底部,因?yàn)樗鼈冏钪?研究人員把這些細(xì)胞簇取出來,轉(zhuǎn)移到新的培養(yǎng)基中,然后再次攪動(dòng)它們.六輪循環(huán)后,細(xì)胞簇已經(jīng)包含了幾百個(gè)細(xì)胞,看起來就像球形的雪花.
酵母菌“進(jìn)化”成了多細(xì)胞簇,能協(xié)同合作、繁殖并改變它們的環(huán)境,基本上變成了今天地球生命的初期形式.分析顯示,細(xì)胞簇并不是隨機(jī)粘在一起的細(xì)胞群,而是互相關(guān)聯(lián)的,它們隨著細(xì)胞分裂而保持連接.這表示它們具有遺傳相似性以促進(jìn)合作.當(dāng)細(xì)胞簇達(dá)到臨界大小時(shí),一些細(xì)胞就會(huì)進(jìn)入凋亡過程而死亡,將后代細(xì)胞分隔開來.而后代細(xì)胞簇的繁殖擴(kuò)展也只能到達(dá)它們“父母”所達(dá)到的大小.“這種勞動(dòng)分工進(jìn)化得非?？?以雪花狀集簇的形式不斷繁殖.”國(guó)家科學(xué)基金會(huì)環(huán)境生物學(xué)分部代理副主管喬治•吉爾克利斯特說,“通向多細(xì)胞復(fù)合體的第一步,好像并沒有理論認(rèn)為的那么艱巨.”
“一個(gè)細(xì)胞簇還不能稱為多細(xì)胞體,只有當(dāng)其中的細(xì)胞開始合作,自我犧牲以達(dá)成公共利益并能適應(yīng)變化,這就是向多細(xì)胞體進(jìn)化的一種過渡.”論文作者之一、明尼蘇達(dá)州立大學(xué)科學(xué)家威爾•拉特克利夫解釋說,要形成多細(xì)胞生物,大部分細(xì)胞要犧牲它們的繁殖能力,這是一種有利整體卻不利于個(gè)體的行為.比如人體的幾乎所有細(xì)胞從本質(zhì)上說就是一個(gè)支持系統(tǒng),只有精子和卵子負(fù)責(zé)把DNA傳到下一代.所以多細(xì)胞體是由其合作性來定義的.
進(jìn)化生物學(xué)家們估計(jì),這種多細(xì)胞體獨(dú)立地進(jìn)化成了25個(gè)體系,將來通過對(duì)比多細(xì)胞簇留下來的化石,可進(jìn)一步揭示每個(gè)體系中相應(yīng)的發(fā)展機(jī)制和基因異同.
新實(shí)驗(yàn)方法可用于對(duì)許多醫(yī)療和生物重要課題的研究,比如多細(xì)胞體在癌癥、老化及其他生物學(xué)關(guān)鍵領(lǐng)域中的功能.論文合著者、明尼蘇達(dá)大學(xué)的邁克爾•特拉維薩諾說,最近有人提出,癌癥是一種源自最初的多細(xì)胞體的化石,而老化的起源也與此類似,通過多細(xì)胞酵母菌可以直接對(duì)此進(jìn)行研究.