本文最初发布于 Knowable Magazine。
很久很久以前，有一群单细胞微生物，它们游泳、进食、繁殖，做着单细胞生命所能做的一切事情。
然后，过了一段时间，出现了它们的后代，也就是早期动物：多细胞生物，它们仍然在游泳、进食、繁殖，但这一切都是作为一个个细胞团队来完成的。
在这两个阶段之间究竟发生了什么，这是一个近乎无法想象的谜团。但这丝毫没有阻止科学家们思考、假设和研究大约 6 亿年前的这种转变 可能发生了什么。
这个问题由来已久，但在过去的二十年中，研究人员取得了 巨大进展，这要归功于对作为动物最亲近亲属的单细胞生命形式的基因测序。事实证明，很久以前，动物的单细胞祖先已经具备了相当出色的团队合作能力。它们可能能够采用各种细胞形状，并完成许多对多细胞性有用的工作。事实上，它们甚至可能不时地以群体而非单个细胞的形式活动。
“它们在尝试多细胞性，”西班牙巴塞罗那进化生物学研究所的进化生物学家 Iñaki Ruiz-Trillo 说。
然后，在某个时刻，这次尝试变成了永久性的。
增大体型的优势
这是一场持续了 30 多亿年的 实验。最早的生命细胞出现在大约 35 亿年前，其中一些细胞在大约 20 亿年前迈出了走向动物的重要一步，当时它们增加了一个用于储存 DNA 的细胞核。这些有核微生物在进化史上多次催生了复杂的、多细胞的谱系， 创造了真菌、植物和藻类。它们在大约 6 亿年前也产生了动物。
绝大多数生物数亿年来一直保持着单细胞的生活方式，并取得了卓越的进化成功，因此细胞团队合作的出现并非必然，也远非肯定能提供一种更优越的生活方式。“多细胞性需要时间和精力以及资源来发展，”巴黎巴斯德研究所的进化细胞生物学家 Thibaut Brunet 说。但对于那些成功跨越这一步并保持下来的生命形式来说，多细胞性可能提供了能抵消其成本的优势。
例如，体型可能是一个因素。体型大意味着你可以吃的东西更多，而吃你的东西更少。多细胞性还允许你在同一时间拥有不同的部分执行不同的功能： 有神经进行思考，有肌肉进行运动，有消化食物的胃，等等。
研究人员推测，世界上一定发生了重大的事情，才使得合作变得如此有利。“在很大程度上，这一定是环境造成的，”亚特兰大佐治亚理工学院的进化生物学家 Will Ratcliff 说。两种主要的地球变化突出显示了这种可能性。
一种是地球 “雪球地球” 阶段的结束。这是从大约 7.1 亿到 6.4 亿年前的时期，至少有两个时期地球可能不是完全冰封， 但至少是相当泥泞的。Ruiz-Trillo 认为，气候变暖可能以某种方式为多细胞性的进化创造了机会。
另一种可能性是地球氧气水平的变化。最初，氧气含量远低于今天；早期微生物不需要像现在的动物那样需要氧气。地球的 氧气供应量首次膨胀，是在大约 24 亿年前的大氧化事件期间，当时蓝细菌作为光合作用的一部分释放了氧气。对当时的微生物来说，这种高反应性的气体是有毒的，并毁灭了许多生命形式。第二次氧化事件，其原因不太确定，发生在大约 8.5 亿到 5.4 亿年前之间，这次事件 可能为动物的出现奠定了基础。
Ratcliff 表示，氧气水平对需要氧气的大型生物很重要，因为重要的气体只能扩散到组织的一定深度。对于现代动物来说，解决方案是循环系统，通过身体输送氧气。据推测，最早的大型多细胞生物还没有进化出这样的系统。外部氧气越多，就能越深地扩散到组织中，也就越容易生长得更大。
无论是什么压力或机会促使我们的祖先选择多细胞性，它确实选择了这条路——但“它”是谁呢？这仍然是个谜：它的细胞是柔软、易碎的，没有留下多少化石。“我们不知道它长什么样子，而且我老实说认为我们永远也不会知道，”Ratcliff 说。“试图逆向工程近十亿年前发生的事情非常困难。”
伟大的曾祖母是单细胞奇迹
尽管如此，研究人员仍在努力。为了推测这些生物可能是什么样子，像 Ruiz-Trillo 这样的科学家采取了一种“家庭聚会”式的方法：假设你举办一个盛大的聚会，邀请你所有的表兄弟、表姐妹、二表兄弟、远房表亲等等。然后，假设你把你所有的亲戚，即使他们有共同的祖先——比如同一个曾曾曾祖母——都排成一队，寻找共同的特征。如果所有这些表亲都有雀斑和酒窝，你说，你可能也会猜到曾曾曾祖母可能也有这些特征。
科学家们也做类似的，尽管更技术性的研究，比较动物的基因组与我们非常遥远的近亲的基因组。这真是一次奇怪的家庭聚会：除了动物种类繁多，包括最早分化出来的几类动物 动物进化树——海绵和栉水母——之外，科学家们还知道四类单细胞近亲。
与动物最接近的是 领鞭毛虫。它们生活在淡水和咸水水道中，利用称为鞭毛的鞭状尾部游泳，或将细菌扇向自己以便进食。完成家庭聚会的是变形虫样或鞭毛状的 filastereans、ichthyosporeans（ 它们经常寄生在鱼类身上），以及变形虫样或不动的 corallochytreans（也称为 pluriformeans）。
今天存在的这些生物都不是动物的祖先。相反，我们的谱系和它们的谱系都在大约 6 亿年前从某个共同祖先分化出来，并且我们都自那以后进化了。但是，我们与它们之间某些特征的相似性表明，我们失散已久的祖先可能也拥有这些特征。
在过去十年里，科学家们已经对其中 15 种遥远近亲的 基因组 进行了测序。这其中就包含了惊喜。Brunet 说，这些奇特的单细胞生物拥有的基因数量几乎和人类一样多，包括一些曾经被认为是动物独有的 DNA 编码。这些生物拥有与构成 整合素 和 粘着蛋白 的基因，这些蛋白质帮助动物细胞相互连接。它们拥有控制细胞身份的基因，类似于决定动物细胞是成为脑细胞、肌肉细胞还是胃细胞的因素。它们还拥有参与细胞间通讯的基因。
换句话说，这些生物似乎已经为多细胞性做好了准备，因此我们的共同祖先也很可能做好了准备。但是，一个孤独的单细胞前动物，会有这些基因做什么呢？
在单细胞生命形式中，像粘着蛋白这样的蛋白质可能很有用，因为它们具有粘附性。“我把它们比作魔术贴，”英国布里斯托大学的进化生物学家 Jordi Paps 说。对于一个单细胞生物来说，粘附分子可能是捕捉路过细菌作为晚餐的好方法。
控制细胞身份的基因可能帮助了动物的单细胞祖先在不同时间采取不同的形态。所有四种动物的近亲都这样做。例如，Filastereans 可以采用变形虫状，带有长臂，可以分裂成子细胞，但它们也可以采用无臂、不分裂的形态。
最后，所有四种动物的近亲都有它们生命中的某些时刻会“玩弄”多细胞性。一些领鞭毛虫可以通过分裂时不完全分离而形成群落。至少有一种 Filasterean 可以 聚集已经分离的细胞。Corallochytreans 会在至少一段时间内以具有两个或更多细胞核的形式生存，而 Ichthyosporeans 会反复分裂形成一个由几十到数百个细胞核组成的大球，然后 突然爆炸成独立的个体。这表明动物的前体也可能暂时地将细胞聚集在一起。科学家们不确定这有什么好处；他们推测细胞可能通过成群行动、或集体旅行或捕猎来获得保护。
Ruiz-Trillo 和他的同事提出，单细胞前动物在其生命周期中会经历重大的形态变化。也许有时它像变形虫一样，能够爬行寻找食物，也许有时它会长出鞭毛来游泳。也许它有时独自生存，有时将细胞聚集在一起。
但任何时候，我们的单细胞近亲只能保持一种形态，科学家们预计前动物祖先也可能是如此。Brunet 说，如果它在分裂，它可能无法游泳或进食。它必须做出选择。这意味着，即使在一个单细胞生物中，也可能存在劳动分工，并带来好处——但这是随着时间而不是空间来管理的。
科学家们认为，多细胞性的一大诀窍是重新利用那些负责这些时间变化（而非空间变化）的基因，让它们在 空间上 起作用，控制不同身体部位的细胞形状和工作。这种基因的回收利用，或“协同进化”，在进化过程中 一次又一次地发生。例如， 甲虫 是用从腿和触角等其他附肢的形成过程中 协同进化而来的基因 来形成它们的角的。同样，用于游泳的鱼鳍被协同进化，使动物能够陆地行走，用于 光合作用 的叶子被仙人掌协同进化为尖刺防御。相同的基因，不同的功能。
像动物一样行动
日内瓦大学的进化细胞生物学家 Omaya Dudin 说，为了进一步探索多细胞的奥秘，关键一步是超越基因比较，研究动物单细胞近亲的生物学。他的团队在研究 ichthyosporeans 时，发现了与动物发育惊人的相似之处。当 ichthyosporeans 形成它们的大细胞核球然后将其分离时，细胞分裂的方式看起来非常像早期动物胚胎中的细胞分裂（一种物种 像昆虫胚胎 ，另一种 像青蛙或小鼠胚胎）。
Dudin 说，这并不一定意味着昆虫、哺乳动物和 ichthyosporeans 的共同祖先也进行了类似胚胎的细胞分裂。有可能是共同祖先仅仅拥有足够的必要基因和能力，使其后代进化出惊人相似的分裂过程。
尽管如此，这也意味着，即使是看似非常动物特有的东西，比如胚胎分裂，也不一定是动物独有的。
事实上，即使同时拥有多种细胞类型，也可能不是动物独有的特征。Dudin 的团队观察 ichthyosporean Chromosphaera perkinsii 的多核球时，注意到了一些令人惊讶的事情：有两种细胞，一种有鞭毛，另一种没有。研究人员还在 领鞭毛虫群落 中发现了多种细胞类型的证据——大多数是圆形的，但有些是椭圆形的。这表明，也许，动物的前体不仅曾有过短暂的多细胞性，而且也有过细胞劳动分工的时刻。
总而言之，似乎很清楚，我们的单细胞祖先已经为多细胞性做好了准备。虽然简单地联合起来这个行为可能发生得很快，“动物起源的过程可能非常复杂，”Brunet 说。“动物多细胞性的全部复杂性无疑是在数千年，甚至最可能是数百万年里形成的。”
科学家们仍然有许多细节需要弄清楚：前动物是像一种 流行的理论所声称的那样 长得像领鞭毛虫，还是在不同时期采取了多种形态？最初的动物是 像海绵，还是 更像栉水母？
Ruiz-Trillo，他是 2023 年《 Annual Review of Microbiology 》杂志上关于多细胞性起源的文章的合著者，他拒绝说出他最喜欢的假说：“我认为我们没有足够的数据来断定，”他说。
为了获得更多数据，他必须邀请更多的生物参加家庭聚会。他正在忙于此， 在世界各地的水生环境中寻找尚未发现的微生物。到目前为止，他仅通过分析基因就识别出了至少八个新的动物近亲群体。如果科学家们能够找到、培养和研究这些生物，他们很可能会发现关于多细胞动物起源的新线索。
这应该是一场盛大的聚会。
本文最初发布于 Knowable Magazine，这是一个来自《年鉴评论》的独立新闻项目。订阅通讯。
