從單細胞到多細胞生物的轉變是地球生命史上最重要的發展之一。沒有它，所有生物都仍然是微觀而簡單的；就不會有植物、大腦或人類這樣的東西。多細胞性究竟是如何產生的仍然是一個謎，但1月16日發表在《美國國家科學院院刊》上的一項新研究發現，它可能比許多科學家預期的更快、更容易。
加州大學戴維斯分校的進化生物學家裡克·格羅斯伯格說：“這是一篇重要的論文，它解決進化和發育生物學中最基本的問題之一。” 他沒有參與這項研究。
由於進化作用於單個細胞，因此細胞自私是有回報的。透過獨佔資源和阻礙鄰居，細胞可以增加其自身更多基因傳遞到下一代的機率。這種邏輯是難以想象多細胞性如何產生的原因之一；它需要為了群體的生存而壓制自我利益。
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柏林自然博物館的古生物學家卡爾·辛普森說：“傳統理論認為這是一個艱難的轉變，因為你必須以某種方式關閉對單個細胞的選擇，並將其開啟以用於集體。”他也沒有參與這項研究。“這裡最大的結果是這些轉變可以非常容易。”
在這篇新論文中，明尼蘇達大學的研究人員使用了一種簡單而巧妙的技術，人為地選擇了酵母中的多細胞性。他們將單細胞酵母倒入一管液體食物中，等待幾分鐘讓細胞沉澱。然後，他們提取了液體中最低的部分，並允許其中包含的任何細胞形成下一代。由於細胞必須聚集在一起才能沉到底部並存活，因此人為的選擇使酵母合作而不是獨處更有利。
僅僅 60 代之後，所有存活的酵母種群都形成了雪花狀的多細胞簇。領導這項研究的生物學家邁克爾·特拉維薩諾說：“因此，我們知道簡單的條件足以選擇多細胞性。”
但是，酵母在什麼時候變得不僅僅是一簇細胞呢？它們什麼時候開始像一個有機體一樣行動呢？
在真正的多細胞生物（如兔子）中，進化作用於兔子，而不是組成它的數十億個細胞。因此，研究人員著手確定人工選擇是否也會像多細胞生物一樣作用於雪花酵母。為了對其進行測試，一批多細胞酵母只允許在試管中沉澱五分鐘（代表著強大的選擇壓力），而另一批則給予 25 分鐘（較弱的選擇壓力）。經過 35 代之後，暴露於較強選擇的酵母進化出更大的簇大小，而弱選擇組的酵母實際上縮小了大小。這表明每個細胞簇都在作為一個有機體進化。
此外，延時攝影（下面的影片）顯示，為了繁殖，多細胞酵母將自身分裂成枝條，這些枝條也發育為多細胞形式。子簇在達到與其親本相似的大小之前，不會產生自己的後代。特拉維薩諾實驗室的博士後學生威廉·拉特克利夫說，這種幼年期的存在表明雪花酵母已經採用了多細胞的生活方式。
研究人員還發現了基本分工的證據，這是更復雜的多細胞生命形式的基本特徵。例如，在人類中，一些細胞可能會分化為血細胞，另一些可能會分化為免疫細胞，但只有選擇的卵細胞或精細胞有助於形成下一代。
在多細胞酵母中，分工更加微妙。儘管實驗的人工選擇偏愛較大的簇，但較大的簇需要更多的時間才能在繁殖前生長。這意味著分裂速度更快的小簇很快就會超過大簇。但是經過多代選擇，大簇進化出了一種解決方案：非繁殖細胞，這些細胞作為後代可以從親本簇中分離出來的點。透過提供更多的斷裂點，這些特殊細胞使簇可以分裂成更多碎片，從而快速產生更多的後代。
格羅斯伯格說：“發現存在專門死亡的細胞以使結構能夠繁殖，這表明細胞分化的第一步。”
儘管研究人員一致認為酵母簇確實可以被認為是多細胞生物，但它們仍然相對簡單。辛普森說：“研究人員不會使用這種方法進化海綿，但他們能夠如此迅速地做到這一點令人驚訝。”
對於格羅斯伯格來說，快速進化並不令人驚訝，他曾撰寫論文認為多細胞性應該相對容易進化；其他研究人員估計，在生命史上，多細胞性至少在 25 個不同的場合獨立出現。然而，沒有人真正知道它是如何起源的，或者這個過程中涉及哪些步驟。透過觀察進化過程，這項新研究發現了這些理論的實驗證據，並揭示了多細胞性可能如何進化的一種可能情景。
拉特克利夫說：“我們有關於多細胞性如何進化的假設，但直到現在，還沒有人真正能夠對其進行測試。”“現在我們有了這個實驗系統，我們可以提出許多非常令人興奮的問題。”