生命是如何进化成多细胞生物的？五种简单生物或许能提供答案

大约30亿年来，单细胞生物统治着地球。然后，大约10亿年前，生命的新篇章开启。早期的群体生活尝试开始持续下去，为包括动物、植物和真菌在内的复杂生物的进化铺平了道路。

一项研究表明，在所有已知生命中，向多细胞生物的转变至少发生过40次。但在动物中，这种转变似乎只发生过一次。

从21世纪初开始，对这一非凡事件感兴趣的研究人员取得了一系列意想不到的发现。当时的主流观点认为，大量基因的进化使得多细胞生物具备了关键特性：细胞粘附的能力、利用分子信号进行通讯的能力，以及协调调控基因表达的能力，从而使每个细胞都能特化并在生物体中占据其位置。但研究发现，一些单细胞生物表达了一系列控制动物多细胞生物关键特性的蛋白质。多细胞生物所需的分子工具箱似乎早在第一批动物出现之前就已经存在。

“这项研究改写了我们对动物起源的理解，”亚特兰大佐治亚理工学院的进化生物学家威廉·拉特克利夫说。“它促使我们提出不同的问题。”

这项研究背后的两个团队分别由加州大学伯克利分校的进化生物学家兼遗传学家妮可·金（Nicole King）和西班牙巴塞罗那进化生物学研究所的进化生物学家伊纳基·鲁伊斯-特里洛（Iñaki Ruiz-Trillo）领导。如今，他们已发展成为一个小型科学家团体，并将十多个物种培育成模式生物。所有这些物种都是真核生物，它们与原核生物的区别在于它们拥有细胞核，并且属于与动物密切相关的谱系：领鞭毛虫、丝虫、鱼孢子虫和珊瑚藻（参见“动物的单细胞亲属”）。许多模式生物偶尔会通过形成群落来涉足多细胞生物。

研究人员表示，这些生物如此有趣的部分原因在于它们在外观、生命阶段和基因构成上的巨大差异。这里展示的五种生物，每一种都让我们得以一窥可能演化成动物的进化路径。与鲁伊斯-特里洛共同管理巴塞罗那实验室的分子生物学家埃琳娜·卡萨库贝塔表示，通过研究多个谱系来拼凑这一事件已经成为“这个科学界的哲学”。“只有通过比较的方法，我们才能获得更准确的图景。”

顶级模特

罗塞塔藻（Salpingoeca rosetta）是金早期研究多细胞生物时研究的生物之一。它属于领鞭毛虫，领鞭毛虫是现存动物亲缘关系最近的生物。该物种与动物在6亿多年前就有一个共同的祖先，并由此分化而来。

与其他领鞭毛虫一样，S. rosetta 的细胞体呈球形，细胞壁上长有一层薄膜状突起，被称为微绒毛。微绒毛用于捕获被长尾（称为鞭毛）卷起的细菌。S. rosetta 于 2000 年从弗吉尼亚海岸附近的泥滩中分离出来；研究人员至今仍未在野外找到它。在某些环境条件下，S. rosetta 的细胞会进行克隆分裂，产生基因相同的子细胞，这些子细胞会以玫瑰花结状向上盘旋形成菌落，鞭毛向外起伏。但当 King 第一次在实验室中研究这种生物时，她无法改变它的单细胞形态。一次偶然的实验表明，一种特定猎物细菌的分泌物可以作为细胞开始分裂的信号。

除了形成玫瑰花结外，该生物体至少还有一种其他多细胞构象和几种不同的自由生活细胞类型。例如，当被限制在狭小空间时，玫瑰花形藻的细胞会收回鞭毛，变成变形虫状，失去坚实的形态，而是伸出细长的触手（称为丝状伪足）来牵引自身。

加州大学旧金山分校的生物化学家戴维·布斯说：“它对无数环境线索的反应具有如此惊人的多样性。”

2003年，King和她的同事报道了在领鞭毛虫3种中存在参与细胞粘附和细胞信号传导的蛋白质。后来，他们在对S. rosetta 的基因组进行测序时，发现了更深入的多细胞生物学工具包。

罗塞塔氏果蝇（Salpingoeca rosetta）是领鞭毛虫中的“果蝇”（Drosophila），是研究最广泛的物种，也是研究人员开发出直接修改基因组工具最多的物种。2018年，在King实验室从事博士后研究期间，Booth和他的同事成功地将编码荧光蛋白的DNA添加到罗塞塔氏果蝇（S. rosetta ）中，并于2020年找到了使用CRISPR ⁷编辑其基因组的方法。这些方法使得直接修改研究人员认为可能是多细胞生物关键的基因，并研究这些基因表达的蛋白质成为可能。

借助这些工具，德克萨斯大学奥斯汀分校的微生物学家、曾是King实验室研究生的Arielle Woznica正在探索领鞭毛虫如何应对细菌攻击。曾是King实验室博士后、现就职于加州斯坦福大学的生物化学家Florentine Rutaganira正在研究一种名为酪氨酸激酶的酶——酪氨酸激酶是动物细胞信号传导的关键酶，在S. rosetta中也存在类似数量的酪氨酸激酶。

主聚合器

Capsaspora owczarzaki是丝状虫谱系的一个成员，它与动物的共同祖先分化的时间可能比领鞭毛虫早几亿年。

Ruiz-Trillo 最初是在博士后期间对这种生物产生兴趣的，当时 King 的实验室正准备研究S. rosetta。他和同事发现C. owczarzaki似乎也与动物关系密切。Ruiz-Trillo 着手研究领鞭毛虫以外的其他谱系，因为研究多个谱系可以更全面地了解其与动物的共同祖先。在对C. owczarzaki的基因组进行测序后，Ruiz-Trillo 和他的团队在 2013 年报告称，该种藻类含有许多与多细胞性相关的基因，包括一些领鞭毛虫所缺乏的基因，例如编码细胞表面蛋白整合素的基因，这种蛋白可以帮助细胞彼此粘附并粘附于周围环境。

C. owczarzaki于2002年在一只淡水蜗牛体内被发现，其生命周期的大部分时间都处于单细胞变形虫状态，但环境因素可以促使其细胞进入多细胞阶段，在此阶段，细胞簇拥在一起，融合成越来越大的聚集体。这种多细胞化的路径与在领鞭毛虫中观察到的通过克隆分裂聚集的方式不同。Ruiz-Trillo表示，克隆分裂是“人们思考动物进化的标准方式”。

在动物发育过程中，单个细胞会分裂成许多具有相同基因组的细胞，这一过程可能避免了细胞间发生任何遗传冲突。因此，Ruiz-Trillo 表示，很容易就推断克隆分裂也是最早动物的进化路径。但聚集现象存在于许多真核生物谱系中，是细胞形成三维结构的一种快速简便的方式，他认为这种机制值得深入研究。

Ruiz-Trillo和他的同事发现，C. owczarzaki在聚集阶段使用了一些与多细胞性相关的关键基因。Ruiz -Trillo说，聚集或许是动物进化过程中必不可少的一步，又或许只是进化过程的一部分。

Capsaspora owczarzaki是 Casacuberta 和 Ruiz-Trillo 乐意应其他实验室的要求送往的少数单细胞物种之一。

二元论者

2017年，另一种领鞭毛虫——Choanoeca flexa的偶然发现，证明了仅在这一类群中就存在着如此巨大的变异。现就职于巴黎巴斯德研究所的进化细胞生物学家Thibaut Brunet与同事在库拉索岛参加King实验室的博士后研讨会时发现了C. flexa。在游览该岛期间，他和同事从浅海潮汐池采集了水样，并在显微镜下对这一景象惊叹不已。

这些单细胞看起来很像罗塞塔氏菌（S. rosetta ）的细胞，形成杯状单分子层，所有鞭毛都指向同一方向。为了响应光照或黑暗，“它们可以在几秒钟内扭转弯曲，像儿童玩具或雨伞一样内外翻转，”布鲁内特说。“我们看到这一幕时尖叫连连，上蹿下跳——我们当时可能觉得滑稽可笑。”

尽管研究人员仍在开发操纵其基因组的方法，但C. flexa至少有一个巨大的优势，可以作为模式生物。Brunet实验室的博士后、进化生物学家 Núria Ros-Rocher 表示，其他生物在被发现后仅在实验室中进行过研究。研究人员不知道如何或在哪里再次找到它们。但C. flexa已被多次从最初发现它的潮池中回收。“我们非常幸运，因为我们可以回到自然环境中，了解它与这种生物的多细胞行为之间的联系，”Ros-Rocher 说。

这些水池面临着剧烈的变化——水温通常会在几天内升温蒸发，导致生物体漂浮在盐度急剧升高的环境中，或搁浅在干淤泥上，然后再次被潮水淹没。Brunet 和他的团队发现，C. flexa和S. rosetta一样，可以通过克隆分裂从单细胞状态转变为多细胞状态。但它也可以采用聚集方式，有时还会同时使用这两种策略。

然而，当水质特别咸时，C. flexa只会采用聚集的方式。“我们认为，这种短暂的环境可能是促使这种混合多细胞模式进化的一种选择压力，”Ros-Rocher 说。

这种生物的多样化策略表明，其他微生物或许能带来更多惊喜。“这些生物的创造力比我们预想的还要强，”布鲁内特说道。

准备好拍照的表弟

另一种模式生物——北极球藻（Sphaeroforma arctica） ——属于鱼孢子纲（Ichthyosporea）——与动物的血缘关系比领鞭毛虫和丝状虫更远。该血缘大约在10亿年前从一个共同的动物祖先分化而来。与其他模式生物不同，鱼孢子纲拥有细胞壁，这是植物和真菌细胞的特征，但在动物细胞中却明显缺失。

许多鱼孢子虫以寄生虫或共生体的形式生活在海洋动物和其他动物体内，S. arctica于 2002 年从北极甲壳类动物的肠道中分离出来。

瑞士日内瓦大学进化细胞生物学家奥玛雅·杜丁（Omaya Dudin）于2017年开始在鲁伊斯-特里洛（Ruiz-Trillo）的实验室担任博士后，研究北极沙门氏菌（S. arctica），部分原因是它是科研界的“活靶子”。“它不会移动，很容易成像，始终呈球形，而且生命周期非常精确，”他说。

尽管北极沙蚕在其生命周期中只有约2%的时间处于多细胞期，但它如何进入多细胞期却是高度可预测的。它通过一种被称为多核细胞发育（一种克隆分裂）的过程实现多细胞形态。在此过程中，单个细胞的细胞核反复分裂，产生一定数量的细胞核，直到细胞分裂。

最后一个动作发生得很快，但杜丁和他的同事们能够观察到细胞膜向内折叠包裹细胞核的协调步骤。他说，这个过程与昆虫的胚胎发育大致相似。而且，在这个过程中激活的一些基因也与昆虫发育过程中激活的基因相似。杜丁说，这些发现暗示某些发育过程也早于动物的出现。

发展的镜子

杜丁随后转向另一种鱼孢子虫。2017年在夏威夷海洋沉积物中发现的Chromosphaera perkinsii单细胞形态呈球形，与S. arctica的形状看起来并无太大区别。然而，Chromosphaera perkinsii进入多细胞阶段的路径不同，多细胞阶段占其生命周期的30%至40%。

当杜丁在 2021 年首次观察到这种转变时，他几乎将其误认为是小鼠早期胚胎的快速细胞分裂。这些细胞克隆分裂持续约 30 小时，形成由 1000 多个细胞组成的群落。此外，该生物的多细胞阶段涉及两种细胞类型，而且这些细胞类型的定位方式似乎截然不同。这种跨空间的组织对于动物体内的劳动分工至关重要。“这些群落展现出高度复杂的组织结构，”杜丁说。“这些细胞能够做到这一点，对于我们理解生物形状的出现至关重要。”

这个过程与动物的细胞分化有多相似？这种机制可能是胚胎发育的前兆吗？还是单独进化而来的？“我要用整个职业生涯来弄清楚这一切，”他说。

布鲁内特对这些模式生物所使用的多细胞方法的多样性感到欣喜——他称之为“自然实验的丰富多彩”。鲁伊斯-特里洛表示，可能还有更多类似的方法有待发现；或许存在一些与动物密切相关的、尚未被人知的生物谱系。通过研究其他生物群体（包括藻类、植物和真菌）向多细胞生物的转变，或许能找到其他策略。欧洲分子生物学组织 (EMO) 将于今年10月在巴塞罗那主办一场会议，研究人员希望探索这些转变之间的相似之处。

“我认为这个领域正处于黄金时代，”罗斯-罗谢尔说。“有很多问题，每个人都渴望为了共同的探索而相互合作。”

自然 644 , 856-859 (2025)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02635-2