据国外媒体报道，科学家正在对单个细胞演变成多细胞生物的过程进行研究。研究结果或有助于人们弄清复杂地外生命的演化过程。


　　详细的研究成果被发表在2014年10月24日的《科学》期刊上。

地球上首个已知的单细胞生物出现在35亿年之前，约为地球形成10亿年之后。更加复杂的生物体则经过了更长时间才慢慢出现。而在6000万年之前，地球上才出现首个多细胞生物。


　　在地球生物史上，由单细胞微生物向多细胞生物的转变无疑是极为关键的一步，并在很大程度上改变了地球的生态面貌。但问题是，为什么多细胞生物不会退化成单细胞生物呢？


　　“单细胞生物明显是很成功的——地球上的单细胞生物远比多细胞生物多得多，而且早诞生了20亿年，”美国新墨西哥州圣菲研究所的一名数学生物学家、该研究的主要作者埃里克·利比（Eric Libby）说，“既然如此，多细胞生物到底有什么优势呢？它们又为什么能一直保持这种形态、而不向单细胞生物的方向退化呢？”


　　通常来说，这个问题的答案是“合作”，也就是说，多个细胞进行分工协作时，会比单独存活更有利。然而利比表示，在进行合作时，细胞们往往会互相“推卸责任”。


　　“比方说，在一个蚁群中，只有蚁后才能产卵，其它的工蚁则没有产卵能力，而它们又必须为了蚁群牺牲自己的时间和精力，”利比说，“那么，这些工蚁为什么不离开蚁群、自己建立一个新的蚁群呢？显然是因为它们没有繁殖能力，所以它们无法建立自己的蚁群。但如果发生了基因突变、工蚁有了繁殖能力，蚁群就有大麻烦了。这在多细胞生物的演化过程中是很常见的，因为第一个多细胞生物就是由单细胞生物基因突变产生的。”


　　实验结果显示，如果一群微生物能产生某种分泌物、让所有微生物都能从中获益的话，它们就会生长得更快。但在这群微生物中，最爱占便宜的微生物往往生长速度最快。癌细胞便是这样一个例子，它们在生长时，会对群体中的其它成员产生危害，因此对于所有多细胞生物来说，癌症都是一个严重的隐患。


　　的确，许多原始的多细胞生物都既具有单细胞形态、又具有多细胞形态，因此它们有可能放弃多细胞的生存方式。比如说，一种名为荧光假单胞菌的细菌会迅速繁殖、产生多细胞菌簇，但菌簇形成之后，部分单细胞“作弊者”就会趁机停止制造维持菌簇所需的分泌物，从而导致菌簇分崩离析。


　　多细胞生物究竟是如何维持这种状态不变的？科学家给出的答案是，因为存在所谓的“棘轮效应”。棘轮是一种维持齿轮向一个方向转动的零件。利比和该研究的合作撰稿人、乔治亚理工学院威廉·拉特克利夫（William Ratcliff）表示，在这个问题中，棘轮效应是指某种对群体有利、但对独自存在的细胞不利的特性，这有力地阻止了多细胞生物朝着单细胞生物方向倒退。


　　总的来说，在一个细胞群体中，细胞之间越是相互信任，棘轮效应就越强。比方说，群体中的细胞可以进行分工，某些细胞可以制造出分子，其它细胞则可以将这些分子加工成维持生命所必须的复合物，这样一来，它们所产生的效益便比各自独立工作时要大。近期的一系列与细菌有关实验也佐证了这一理论。


　　棘轮效应还能解释古微生物之间的共生关系，这种共生关系导致了细胞内部共生体的出现，比如线粒体和叶绿体。它们能帮助寄主对氧气和阳光加以利用。当科学家在实验中，将单细胞生物草履虫体内这些促进光合作用的共生体除去之后，草履虫利用氧气和阳光的能力便大大下降，同时共生体也失去了在寄主体外存活所必须的基因。


　　棘轮效应常常导致出现一些看上去难以解释的实验结果。比如说，细胞凋亡（又称细胞程序性死亡）是指细胞自行死亡的过程。而实验显示，细胞凋亡率越高，对细胞群体来说反而更有利。在一大群酵母细胞中，凋亡的细胞就像是解开了维系一小群酵母细胞的纽带，让这些细胞移动到更宽敞、营养更充足的地方去。


“对于单个细胞来说，这样的优势是不存在的，也就是说，任何离开群体的细胞都会自食其果，”利比表示，“我们的研究结果表明，和其它细胞共存的细胞能享受到独自存活时无法享受的待遇。多细胞环境是如此不同，像死亡率升高之类的现象对于单细胞生物来说可能是致命的，但对于一个细胞群体来说，则是十分有利的。”


　　而这些研究结果对于探索地外生命又有怎样的帮助呢？利比说，这一研究表明，除非我们真正理解了群居生活对个体生物的益处，否则在我们看来，外星生命可能表现得很怪异。


　　“群体中的生物可以适应一定的生活方式，而如果我们不考虑这种生活方式对所有生物的共同益处的话，这些生活方式就会显得很奇怪。”利比表示，“就好像一块拼图，只有当你把它拼成一大块的时候，你才会知道它到底有什么用。”


　　利比和同事们计划对更多的棘轮效应展开研究，“我们还进行了别的实验，希望能计算出其它可能存在的棘轮效应特征的稳定性。”