酵母菌团或将揭开多细胞生物的奥秘酵母菌是多细胞( 二 ) _小知识

科学家只利用底部沉淀的酵母菌，即最大的酵母菌簇来繁育下一代。这一过程给酵母菌施加了巨大的进化压力，使其尽可能产生最大的酵母菌簇。
但从2012年至2016年，Ratcliff却一直碰壁。在实验开始最初的几个月里，酵母菌簇越来越大，但之后却停滞在300至400个细胞的高点。Ratcliff开始怀疑这一系统可能在自我约束。
给酵母菌施加恰当的进化压力使其产生更大的团簇的关键，是博士后研究员G. Ozan Bozdag加入Ratcliff的实验室之后发现的。他建议在不同氧气水平下培育酵母菌。在整个生命历史中，地球大气层的氧气水平曾发生过剧烈变化，可能对多细胞生命的进化方式及进化时间产生过重大影响。于是，Bozdag和Ratcliff在无氧、部分有氧、全氧的环境下分别进行了实验。
这三项实验开始于2016年末，在每个氧气水平下都使用了5个酵母菌副本世系。酵母菌簇的大小起初缓慢增长并停滞下来，直到实验进行到约200天，一个无氧环境下的世系开始显现出一些大到肉眼可见的团簇。之后，无氧环境下的另外四个谱系也长出了可见的团簇。
起初，Bozdag以为这些团簇只是“一场意外，一个偶然事件” 。但在多次重复这个实验后，他开始意识到“这并不是一场意外，而是自然选择的结果。”
600天后，无氧环境下生长的每个酵母菌簇平均所含的细胞数量增长到了450000个。这项惊人的结果表明，在多细胞生物的早期，氧气可能是某些生物体发育的障碍。
细胞改造
【酵母菌团或将揭开多细胞生物的奥秘酵母菌是多细胞】随着试验继续进行，Bozdag和Ratcliff观察到，最大的团簇中的细胞开始变得越来越狭长，与其近乎球形的祖先大不相同。酵母菌团簇中进化后的细胞与其最初萌发的细胞之间的接触点更大，很可能会强化团簇的分支。

文章插图
在显微镜下，团簇大小的进化变得更为明显。在进化3000多代之后，酵母菌团簇的体积增长了大约20000倍，从一小块（右上角）变成了一大团（中间）。图中左下角的比例尺的长度为0.05mm 。图源：OZAN BOZDAG
科学家惊讶地发现，进化后的酵母菌团簇像木头一样坚硬，比之前预想得更为坚固。起初，其强度增加的原因完全是个谜团。
经过几个月的研究，该研究论文的合著者、佐治亚理工学院之前的博士生Seyed Alireza Zamani-Dahaj在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校用强大的扫描电镜观察了几瓶这种野蛮生长的酵母。他将酵母菌团簇嵌入树脂中，并使用极其精细的金刚石刀片逐渐暴露酵母菌层，以便在显微镜下进行扫描。
Zamani-Dahaj花了六个月的时间将大量2D扫描图像转换成一个团簇内部的3D模型。完成后，他意识到团簇的细胞分支紧密交织在一起，这使得分支内部的任何一个断裂都很难破坏整个结构。
让生命绽放
尽管佐治亚理工学院不断进化的酵母团为探索复杂生命的起源提供了令人兴奋的新工具，但它们并不代表多细胞生命起源的确切方式。植物和人类并非从酵母菌进化而来，毕竟酵母菌本身就是高度进化后的菌类，而非几十亿年前第一次聚集在一起的基础细胞。
现代酵母菌在无氧环境下的新陈代谢，可能也无法反映出早期复杂多细胞生命的生活方式。哈佛大学的古生物学家Andy Knoll指出，现代发酵用的酵母菌的祖先似乎需要氧气才能生存，而其后代可能进化出了发酵功能，以应对开花植物，以及它们高糖的果实的到来。
英国巴斯大学的进化生物学家Tiffany Taylor（并未参与本研究）称，这项实验真正的力量在于再让它进行几十年，正如Richard Lenski对大肠杆菌的实验那样。只有这样，进化才将把酵母菌带向一个真正无法预料的境地。`
随着酵母菌团簇变得越来越大，在每个团簇内获取资源将越来越成问题，团簇内部深处的细胞将面临饿死的风险。酵母菌簇是否会偶然发生突变，使它们形成气孔或通道，以便营养物能扩散到核心？最后，酵母菌是否会发育出不同类型的细胞，每种都有特别的分工，如同一个真正的多细胞生物？
没人知道答案，Ratcliff和Bozdag也一样。找到答案的唯一方法就是做出毕生的承诺，让这个实验持续数年甚至数十年再看。
Ratcliff说：“没多少人愿意做一个为期30年的进化实验。但我认为它的回报将会很丰厚。”
（译者：高召锋）

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