从单细胞生命进化到多细胞生命需要多久？有什么历程？

单细胞生命进化到多细胞生命究竟要多少时间，这得看条件，只要条件合适就能很快进化。而且如果条件一直都非常合适，那么单细胞到多细胞生物的发展可能是非常普遍和反复发生的生态过程。在地球上，单细胞进化成多细胞生命的过程在地球的历史上可能一直都在不断地发生着，即便今天也有单细胞生物正奔跑在进化为多细胞生物的“大道”上。而科学家们在实验室快速重现了这一过程，下面详述

科学界近年来关于单细胞进化为多细胞的重要研究

在地球上的整个生命历史中，多细胞生命从单细胞进化而来发生了无数次，但是解释这种情况是我们这个时代关于进化论需要解决的主要的难题之一。但是，科学家们现在已经完成了对最重要的模型生物之一盘藻（Gonium pectorale）的完整DNA的研究，盘藻是一种仅包含16个细胞的简单多细胞绿藻。

上图：盘藻，是一种未分化的团藻目多细胞藻类。

这种微生物正在帮助我们填补关于生命进化过程中空白区的理解。这项为期两年的研究项目是堪萨斯州立大学、亚利桑那大学、东京大学以及威斯大学之间的全球合作。相关研究成果发布在《自然通讯》杂志上。

从单细胞生命到多细胞生命的进化意义非常重大。它改变了地球生命体的生存方式。从蠕虫到昆虫、恐龙、到灵长类，从藻类、蕨类植物、裸子植物再到开花植物，最后到人类，您只需环顾四周，即可看到繁荣的多细胞生命形式的广泛存在。

我们还很难解释这种情况是如何发生的，因为要了解真实的情况不是一件容易的事。因此，诸如“为什么单细胞生物在成群地生活在一起之后提升了它们对恶劣环境的适应性？”之类的问题，在相当长的时间内一直挑战着研究者。而到目前为止，科学界对这类问题的大多数都没有答案，但是对于诸如盘藻这种简单多细胞生物的研究无疑填补了这些答案的空白之一。

在生物学界，曾有许多用于研究多细胞生命的模型系统，但是没有比团藻目（G. pectorale所属的目）更好的模型。

向多细胞性的进化过渡已经在生活的所有领域发生了无数次，但是这种过渡的进化历史尚未得到很好的理解。但，活跃的绿藻包括各种各样的单细胞品种多细胞品种。” 。

上图：不同品种的团藻，从单细胞到未分化的多细胞，再到分化的多细胞。

团藻目的许多成员具有不同程度的复杂性，因此有可以用于研究通向多细胞生命体道路上的不同阶段。团藻也相对地进化于较近的地质时期（约在三叠纪时期，大约是第一只恐龙出现的时间），并且其多细胞的奥秘在进化期间没有消失。

在盘藻基因组测序的相关信息报道后，科学家发现了一些调节该生物体细胞生长和分裂的基因。这一发现有助于解释单个细胞如何成群地生活在一起，这是通往多细胞生命的最早步骤之一。

基因组测序揭示了单细胞到多细胞生物的进化之谜

前述研究人员通过对各种绿藻进行基因组测序，几乎解开了“导致多细胞生物进化形成的遗传根源”。

但是仅仅通过检测目前多细胞生物的基因组序列很难对这个谜题进行回答，因为在从单细胞祖先到多细胞生物的过渡过程中，基因组中发生了许多变化。对此问题有大量的研究进行了探讨，如：美国俄勒冈大学团队曾称多细胞生命源于基因的偶然变异；从单细胞到多细胞的进化速度比此前所认为的更快。

研究者们比较分析了团藻目三种绿藻的基因组序列，以查明多细胞生物进化背后的基因变化，包括：莱茵衣藻、胸状盘藻和团藻，将其作为多细胞生物进化的模型，因为它们体现了三个阶段的形态和组织复杂性的逐步递增：

莱茵衣藻是单细胞，类似于多细胞团藻（包括另两个品种在内）的单细胞祖先。

胸状盘藻是多细胞，但未分化，从而形成了由8或16个细胞组成的集群，每个细胞都像一个衣藻细胞。

团藻是由约2000个小的分化的体细胞组成，位于球状体的外表面，包含细胞外基质，其中嵌入了16个大的生殖细胞。

上图：实验所用的三种团藻目藻类品种。

研究者发现，这个过程并非数百个基因同时进化，而是一个基因中的一个非常微妙的变化，导致了细胞周期的重新编程。

该研究团队测定了胸状盘藻的基因组序列，这是一个中等复杂性的品种，然后将其与衣藻和团藻的基因序列相比较，以便识别相关的基因变化。

基于基因序列比对的谱系特异性基因的分析，研究团队在团藻中发现，只有少量基因与多细胞生物的进化有关，从而表明为了变成多细胞生物进行全新的基因进化不是必需的。虽然在某些进化的情况下，基因调控可能至关重要，但与衣藻相比，在胸状盘藻和团藻中反而转录因子更少。

对基因家族和蛋白质结构域的分析发现，在多细胞生物的进化过程中蛋白质的创新很少；事实上，相较于多细胞特异性蛋白的创新，似乎生物体在物种特异性蛋白质方面的创新更多。这些结果表明，至少在团藻类物种，大规模基因组创新并不是多细胞生物进化所必需的。

研究人员观察到，多细胞生物的进化与某些至关重要的遗传变异相关，并且这些变异在盘藻和团藻之间是共享的，且主要参与细胞周期的监管机制的删选。与其他真核生物一样，团藻类的细胞周期是由视网膜母细胞瘤(Rb)通路的同系物调控的，在这条通路中，细胞周期蛋白依赖性激酶结合细胞周期素，以使Rb蛋白磷酸化，然后去阻遏细胞周期。

视网膜母细胞瘤(Rb)是一种来源于光感受器前体细胞的恶性肿瘤。常见于3岁以下儿童，具有家族遗传倾向。

上图：Rb的生化路径，这是在几乎所有多细胞生物都具备的生化路径。

虽然这些蛋白质在三个物种中是几乎相同的，但是有两个显著的差异。

首先，衣藻中的单个细胞周期蛋白D1基因，在盘藻和团藻中扩大到了四个副本，从而表明细胞周期蛋白D1基因的这种串联阵列扩展，在到未分化集群的过渡中扮演了一个角色。

其次，RB基因在盘藻和团藻中是发生了改变的，表明其与染色质结合连同特定的转录因子可能会受到影响，这可能改变多细胞生物所需的基因表达。

研究者的这一发现揭示了一个似乎可以贯穿所有多细胞生物的基因标志，他们不仅仅找到了多细胞生物的一个关键基因，而且发现它原来是一个肿瘤抑制基因。这个结果是非常有趣的，因为这条途径和这个基因在很多独立的多细胞种系之间是共有的，这些多细胞种系已经分化了数亿年。包括我们人类也具有这个基因的一个版本。

单细胞生物在实验室内短期内进化为多细胞生物的案例

几个世纪以来，科学家一直困惑于多细胞生物如何以及为什么进化出使用卵子和精子等单细胞繁殖的几乎普遍的特征。而在2013年，由明尼苏达大学生物科学院的博士后研究员William Ratcliff和副教授Michael Travisano带领的研究团队在实验室内通过进化选择将单细胞藻类转变为多细胞藻类（通过分散单细胞繁殖），找到了多细胞生物进化问题的一种可能的解答。

生物学家一直认为，单细胞瓶颈效应是在多细胞形式出现之后发展出来的，它是一种减少组成生物体的细胞之间的利益冲突的机制。但实验证明事实可能与此猜想相反，研究者发现单细胞瓶颈与多细胞生物同时出现。这对自然界中多细胞复杂性的产生方式具有重大影响，因为它表明，这一关键特征为不断发展的多细胞复杂性打开了大门，并且可以非常迅速地发展。

在今天发表在《自然通讯》杂志上的一篇文章中，研究人员描述了他们如何通过反复选择和培养迅速沉降到充满液体的试管底部的藻类来产生性的多细胞藻类品种。经过73轮选择，研究人员发现其中一根试管中的藻类已经由单细胞形式变成了多细胞的形式。

上图：实验室进行细胞进化选择的步骤及原理示意。

在这项实验中，研究者对多细胞起源的第一步进行了重新排序，显示出两个关键的进化步骤可以比以前预期的快得多。展望未来，我们希望直接调查发育复杂性的起源或少年如何使用我们在实验室中进化出的多细胞生物并发育为成体。

几年前，特拉维萨诺（Travisano）和拉特克利夫（Ratcliff）还使酵母进化出多细胞性，称为了国际性新闻，它们的研究的重要意义在于在从未具有多细胞祖先的生物体在短时间内实现了单细胞到多细胞的进化，并为多细胞生命周期中单细胞瓶颈的进化起源提供了新的假设。

从根本逻辑上说，正是实验室积极的人工选择促使了单细胞生物在短时间内发展称为多细胞生物。这是生物体适应环境的一种自然的过程，只要环境适宜，这样的过程发展得非常快。

上图：团藻的进化假说。

但研究也发现生殖细胞则保留了单细胞的形式

生殖细胞则保留单细胞的形式，是多细胞生物的一种“单细胞瓶颈”，也就是说在传宗接代方面，几乎所有有性生殖的生物都倾向于采用单细胞来进行繁殖，即精子和卵子都是单细胞，它们结合成一个“合子”之后才从新发育为多细胞生物，而不是将身体上的一块组织分离出去发育成为新的个体。包括我们人类在内，几乎所有的有性生殖的物种都是从一个细胞发育而来的多细胞生物。

而研究者的实验也阐明了这个机制的原理——

通过观察上面提到的这种新的多细胞体形式，研究人员发现实验所用的单细胞藻类是通过主动分裂、脱去能运动的单细胞而继续发育生长成为新的多细胞簇而实现繁殖的，而不是将一部分细胞簇整体脱离出去发育成新个体。由此，研究者们开发了一个数学模型，该模型解释了这种单细胞繁殖策略与细胞集群产生较大繁殖体的替代假说相比的生殖优势。该模型预测，从长远来看，单个细胞的繁殖将更为成功。即使单个细胞比大的繁殖体存活的可能性更小，但这个缺点被单细胞大量的数目的优势所克服，也就是说像雄性排出的精子可以数以万亿计，而不少雌性排除的卵子也很巨大，虽然个别生殖细胞的存活几率很小，但是由于数量优势，繁殖成功率得到了非常好的保障。