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scimonth - Nature | 2014-11-11 | 人氣:2108

 多細胞生物皆由單細胞生物而來,單細胞生物演變成多細胞生物所遭遇到的第一個門檻,便是從原先獨自作業的單元演變成共同合作的單位。這時,好逸惡勞的作弊細胞就會變成一大障礙。位於普倫的馬克斯普朗克演化生物學研究所的研究人員,與紐西蘭和美國的研究人員合作,親眼見證原本各自生長的單細胞生物演變成會自我複製的群體。這種新生有機體組合成一種專司氧氣獲取的組織,而這組織也會特化出專司生殖的細胞。有趣的是,那些生殖細胞居然是由作弊細胞演變而來,而這些品行不良的作弊細胞,也漸漸隨著細胞世代馴服成專司生殖的細胞群。與其說是直接調整細胞,演化反而像是一套發展中的制度,慢慢地將許多細胞整合為單一生物。

 

在這些培養皿當中,具有許多不同的螢光假單孢菌(Pseudomonas fluorescens),研究人員藉此及時觀察單細胞生物是怎麼演化出簡單的自我複製單位。© Gayle Ferguson

螢光假單孢菌(Pseudomonas fluorescens)是一種習慣單獨生長的細菌,細菌有時會發生突變,某些突變型的假單孢菌會分泌黏性物質,使細胞在分裂後仍會黏在一起。雖然生成這類黏膠需要額外耗能,但若是在適當環境下,有時反而長得比正常菌型好,並形成集體黏著的菌墊(mat)。隨著假單孢菌在試管內成長,問題也紛來沓至!靠近試管溶液表面的上層菌能獲得足夠氧氣,但位於試管底部的細菌就相對處於弱勢。

 

對上層優勢菌而言,原本帶來優勢的黏膠與集體生活逐漸變成累贅,天擇開始偏好不生產黏膠,並且掌握位置優勢快速生長的細胞。我們將其稱做作弊細胞,這類細胞仗著菌墊所帶來的優勢,卻絲毫沒有付出任何責任。實驗裡的作弊者越來越多,最後導致崩落 ── 因為上方作弊者越長越多,雖然牠們獲得足夠養分,但卻不會維持結構穩固,最後菌墊崩毀,作弊者落入氧氣不足的底部。

 

帶領這項研究進行的是任職紐西蘭先端研究所與馬克斯普朗克演化生物學研究所的保羅.蘭尼:「簡單的單細胞合作團體 — 像在這場研究裡引起我們興趣的菌墊,都可能是多細胞生物的起源,但當團體發展到一定後,整個菌墊便會崩解。天擇使細菌合作,也使得合作破裂。」但最主要問題則是:菌墊形成後,需有負責繁殖自身(reproducing)的辦法,否則細菌整體演化的機率會大幅降低。

 

在琢磨過問題後,蘭尼想出一個巧妙的辦法。如果那些作弊細胞能做為種子—生殖細胞,並做為下一代菌墊的起始?這些作弊細胞導致整個菌墊崩毀,那有沒有可能也身兼救世主的角色?「我個人認為這只是視角不同的問題」蘭尼表示。這個想法過於美好,甚至有些違反直覺。然而,確實能回答幾個深奧的問題,例如:生殖的起源( origins of reproduction )、體細胞與生殖細胞的區別( soma / germ distinction ),甚至是發育本身的起源。

 

Pseudomonas fluorescens on TY agar (UV light).JPG
螢光假單孢菌(Pseudomonas fluorescens

在實驗裡,研究人員比較兩種會影響菌墊演化的生命周期。第一種是菌墊藉由作弊細胞類似生殖細胞系( germ line )的作用,生成菌墊子代補充菌墊。在第二種則是作弊細胞垮台,菌墊細菌自身進行斷裂生殖。「當我們把菌群彼此放在一起相互競爭,無論是何種方式,細菌都會逐漸增進自身生存能力,也就是生物適應度( biological fitness )的提高。」紐西蘭先端研究所的凱特琳.翰默斯密博士表示。

 

結果讓人感到驚訝,研究人員發現當作弊細胞參與細胞週期時,團體合作所組成菌墊的適應度,反而與單一細胞無關。維持對菌墊最佳的適應度,對維持細菌個體適應度而言不佳。「在天擇馴化下,那些細胞只好收起自身私利 — 組成菌墊,細胞彼此團結一心。如此形成的菌墊不輸給隨意組成的多細胞。牠們發展成一種新型生物體 — 一種不再以單細胞適應度為主而組成的多細胞有機體。」蘭尼表示。

 

「這種兩階段的生命週期與今日多細胞生物極其類似,例如今日的生殖細胞:卵子以及精子,都可能是當初演化過程裡的作弊細胞演變而來。」蘭尼做結。

 

原文網站 : ScienceDaily

討論原文     :  

Katrin Hammerschmidt, Caroline J. Rose, Benjamin Kerr, Paul B. Rainey Life cycles, fitness decoupling and the evolution of multicellularity. Nature, 2014; 515 (7525): 75 DOI: 10.1038/nature13884

編輯&翻譯:林建霖

 
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