经历3000多代的进化，变大了20000倍！
如果没有多细胞生物
如果将所有植物、动物、真菌和海藻，通通从地球上抹去，这个世界将变成什么样？科学家推测，如果没有这些多细胞生物，地球看起来将会像是火星的一个更湿润、更绿色的版本。
在塑造地球成为现如今的样貌方面，多细胞生物扮演了至关重要的角色。然而，关于多细胞生物究竟是如何从单细胞祖先进化而来的，科学家却知之甚少，只知道这种转变发生在数亿年前，许多早期的多细胞物种现在都已灭绝。
在一篇新发表于《自然》杂志上的论文中，一组研究人员展示了他们的模式生物雪花酵母（Saccharomyces cerevisiae）经过3000多代的进化后，变成了更强壮，比它们的祖先大2万多倍的多细胞个体。
一个旷日持久的进化实验
这项新的研究是一个正在进行的大型实验项目的第一份重要报告。2018年，为了研究多细胞生命是如何从零开始进化的，这个研究团队决定启动了一个预期将持续几十年的长期进化研究——“多细胞长期进化实验”（MuLTEE）。研究人员希望能在实验室中，观察到生命从单细胞祖先进化成新的多细胞生物的过程。
从概念上讲，研究人员想要通过MuLTEE实验了解到，简单的细胞群是如何进化成具有特化、协调生长、涌现的多细胞行为，以及生命周期的有机体的。这些特征可用于区分一堆池塘浮渣和能够持续进化的有机体。因此，了解这些特征的进化过程是这一研究领域的一个主要目标。
在新发表的这项研究中，研究人员在振荡培养箱中培养单细胞的雪花酵母，然后每一天，他们都会对那些有着更快的生长速度和更大的群体规模的雪花酵母进行选择。
之所以根据生物体的大小进行选择，是因为所有的多细胞谱系一开始都是小而简单的，随着时间的推移，许多可以进化得更大更健壮。科学家认为，生物体能够长得又大又结实，对于其复杂性的增强是有帮助的，因为这需要新的生物物理创新。然而，这一假设从未在实验室中得到过直接验证。
雪花酵母簇从每簇约100个细胞（左）进化到每簇近50万个细胞（右）。（图/Bozdag et al）
新的生物物理适应
在实验中，经过600轮的选择，大约3000代的进化迭代，研究人员发现这些雪花酵母进化成了宏观的，比它们的单细胞祖先大2万多倍的群体。它们从肉眼不可见的大小，长到果蝇大小，包含超过50万个细胞。
在研究雪花酵母如何适应变大的过程中，研究人员观察到酵母细胞本身变得细长了，这减少了细胞的密度，而且这种细胞延伸可以减缓细胞间应力（通常会导致细胞簇断裂）的积累，从而使细胞群能够变得更大。
但是，细胞延伸本身只会导致尺寸和多细胞韧性的小幅增加。为了揭示允许单细胞生物生长到宏观大小的精确生物物理机制，研究人员必须深入酵母簇的内部去了解细胞如何在物理上相互作用。
普通光学显微镜无法穿透大而密集的细胞群，因此研究人员使用扫描电子显微镜对成千上万的超薄酵母切片进行了成像，进而获悉了它们的内部结构。
扫描电子显微镜下的酵母的内部结构。（图/Bozdag et al）
他们发现了一种能使这些群体发展到如此庞大的规模的全新物理机制：酵母的分支已经纠缠在了一起，细胞群进化出了藤蔓状的行为，它们相互纠缠，加固了整个结构。
通常情况下，雪花酵母的韧性只有明胶的1/100。但在经历了3000多代的进化后，这些雪花酵母在进化出了新的材料特性，它们变得像木头一样坚韧。利用这种纠缠的生物力学机制，雪花酵母的材料硬度增强了大约1万倍。
一个成功的模型生物
其实，以前就有科学家在完全不同的系统中研究过这种纠缠，但主要是在聚合物中。在这次的研究中，研究人员通过细胞的生长看到了纠缠。
作为一种全新的多细胞生物，雪花酵母缺乏现代多细胞生物所特有的复杂发育机制。但经过3000多代的实验室进化，酵母发现了如何驱动和选择细胞纠缠作为一种发育机制。
研究人员认为，观察到这种纠缠是理解多细胞群体是如何进化的一个转折点。他们还对其他一些多细胞真菌进行了初步研究，发现它们也形成了高度纠缠的多细胞体，这表明纠缠是多细胞生命分支中广泛且重要的细胞特征。
能够拥有一个可以在数千代的时间里进化出早期的多细胞生命的生物学模型，是令人欣喜的。原则上，科学家现在可以理解发生在模型中的一切，从进化细胞生物学到直接受选择影响的生物物理特征。
研究人员表示，他们希望这只是多细胞发现的漫长故事的首个篇章，他们将在MuLTEE实验中，让雪花酵母继续进化。
#创作团队：
编译：糖兽
排版：雯雯
#参考来源：
https://research.gatech.edu/journey-origins-multicellular-life-long-term-experimental-evolution-lab
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06052-1
#图片来源：
封面图&首图：Bozdag et al