30 5 月, 2024

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一项重复 600 次的实验发现了进化秘密的线索

一项重复 600 次的实验发现了进化秘密的线索

在亚特兰大的一个实验室里,成千上万的酵母细胞每天都在为生存而挣扎。 多活一天的生物生长得更快,繁殖得更快,并形成最大的聚集体。 大约十年来,细胞已经进化为相互依附,形成分支的雪花形状。

这些奇怪的雪花是探索数百万年前单细胞生物聚在一起成为多细胞生物时可能发生的事情的实验的中心。 然而,这个过程最终导致了章鱼、鸵鸟、仓鼠和人类等极其不切实际和奇异的生物。

尽管据信多细胞生物在地球生命史上至少进化了 20 次,但尚不清楚生物体是如何从单细胞转变为许多生物体共享一个命运的。 但在 周三发表在《自然》杂志上的一篇研究论文研究人员揭示了细胞如何开始在体内构建自身的线索。 生产雪花酵母的团队发现,经过 3,000 多代,酵母团块已经长得如此之大,以至于肉眼都能看到。 在此过程中,它从一种柔软、粘稠的材料演变为具有木材硬度的材料。

佐治亚理工学院教授威尔·拉特克利夫 (Will Ratcliffe) 在读研究生时就开始用酵母进行实验。 他受到密歇根大学生物学家 Richard Lenski 及其同事的启发,他们培养了 12 株大肠杆菌,跨越 75,000 多代,并记录了自 1988 年以来种群的变化。 Ratcliffe 博士想知道,研究鼓励细胞粘在一起的进化是否可以阐明多细胞性的起源。

“我们所知道的所有进化出多细胞性的谱系,”他说,“在数亿年前迈出了这一步。” “而且我们没有太多关于单个细胞如何形成簇的信息。”

于是他做了一个简单的实验。 每天,他都会在试管中旋转酵母细胞,吸出沉底最快的那些,然后在第二天用它们来培养酵母菌群。 他推断,如果它选择最重的个体或细胞群,酵母就会有动力进化出一种粘在一起的方式。

它起作用了: 60 天内,雪花酵母已经出现。 当这些酵母分裂时,由于突变,它们不会完全彼此分离。 相反,它们形成遗传相同细胞的分支结构。 酵母已经变成多细胞的。

但拉特克利夫发现,随着他继续调查,雪花似乎并没有变得很大,而是顽固地保持在微观状态。 他将氧气或缺氧方面的突破归功于他所在团队的博士后研究员 Ozan Bozdag。

对于许多生物来说,氧气是一种火箭燃料。 储存在糖中的能量很容易获取。

Bozdag 博士在实验中为一些酵母提供了氧气,并移植了其他具有阻止它们使用它的突变的酵母。 他发现在 600 次转移过程中,缺氧酵母的体积出现爆炸式增长。 他们的雪花越来越大,最终变得肉眼可见。 仔细检查配方发现酵母细胞比正常细胞长得多。 树枝已经长成了密密麻麻的一丛。

科学家认为,这种密度可以解释为什么氧气是酵母生长的障碍。 对于可以使用氧气的酵母来说,增加它们的体积有很大的缺点。

只要雪花保持很小,细胞通常就能平等地获得氧气。 但是大而致密的填充物意味着每个肿块内的细胞都与氧气隔绝了。

相比之下,不能使用氧气的酵母没有什么可失去的,所以它变大了。 结果表明,喂养集群中的所有细胞是生物体在成为多细胞时所面临的权衡取舍的重要组成部分。

组的组也难。

“打破这些东西所需的能量增加了超过一百万倍,”佐治亚理工学院教授、该论文的合著者彼得容克说。

拉特克利夫博士说,这种能力可能是多细胞生物发展的又一步的关键——循环系统之类的东西的发展。 如果大团块中的细胞需要帮助获取营养,那么一个足够坚固以引导液体流动的物体是关键。

容克博士说:“这就像将消防水龙带射入酵母团。” 如果细胞质量很差,这种营养流入会在每个细胞可以进食之前破坏它。

该团队现在正在探索密集的雪花酵母团块是否会进化出将营养物质输送到它们最内层器官的方法。 如果他们这样做了,那么亚特兰大试管中的这些酵母可能会告诉我们一些关于很久以前的事情,当你的祖先和你周围的许多生物开始用细胞构建身体时。

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