显微镜下的洋葱表皮细胞
摘要：从单细胞生命进化为多细胞生命是一个复杂漫长的过程。人们提出了多种假说来说明这一过程。不管怎样多细胞生命长久维持必须具备“棘轮效应”。而且这种优势被记录在DNA中不断遗传才能实现生生不息。
多细胞生命的进化最初单细胞生物可能出于自卫需求，或者因为适应相同的环境聚集到了一起。开始只是简单的聚集并产生了连接。机械连接还不够，它们还学会了分泌了某些化学物质，用化学信号相互沟通、分工协作，进而演化出了多细胞生命，这其中包含了漫长的过程与复杂的机制。科学家给出了很多推测,比较著名的有以下几种学说：
多细胞生命进化理论
群体学说单细胞生物在原始的环境中，有一些组合成简单的群落，它们之间并没有任何分化，只是简单的聚合在一起。这样出现了一些优势，例如可以透过细胞膜相互交换营养物质，以及体积较大不容易被其他单细胞生物吞吃等。此阶段尚不能被称为多细胞生物，它只是众多细胞简单的聚合体。（这与原始人类群居生活有点类似。）多细胞生物应该是指细胞出现简单的功能分化，例如一些细胞负责支撑群体，一些细胞负责进食，另一些负责传递营养物质。（这很类似人类社会后来出现的社会分工。）但这些只是功能分化还没有出现任何器官和结构。出现细胞功能分化后，我们可以认为它是一个最简单的多细胞动物，现代可参考的生物如海绵。
图为海绵 Photo by James Lee on Unsplash
最新研究显示，这种单细胞生物向多细胞生物进化过渡可能比之前预想得更加微妙，地球远古单细胞生物已具有扩展至较复杂生命形式的一些功能。一些简单的细胞群已经可以负责完成不同的任务。例如：“品尝”环境中的化学物质，在身体内运输氧气，或者激活神经信号。而之前科学家一直认为这些功能仅存在于多细胞生物组织。西班牙科学家发现有一种特殊的变形虫（“Capsaspora owczarzaki”）具有许多复杂生命的一些行为特征，可以使细胞群形成不同组织。虽然这种变形虫不会自发形成不同组织，但它制造了一个从单独个体至群体生物的转换机会。它们甚至可以和其它变形虫的种群组成一个胞囊结构。这些变形虫可以通过改变基因读取和转录来修改蛋白质。研究人员分析了数千个蛋白质样本并微调它们，最终改变了整体细胞功能性。研究人员认为基于这些数据，可以认为在多细胞动物出现之前已有相关基因机制和调控功能。单细胞生物已具有动物细胞分化的机制。一旦条件成熟，它们将扩展其基因谱系和循环再造机制，构建出一个复杂、多细胞生命。
共生学说该学说认为不同种的原生生物共生在一起，发展成为多细胞动物。对于不同遗传基础的单细胞生物如何聚在一起形成能繁殖的多细胞动物还难以解释。但是一种神奇的生物在中国被称为太岁，可以为这种假说提供例证。现代科学家认为太岁是一种大型粘菌复合体，生长于地下20-100米的厌氧环境中，生活于土壤中，靠水存活，所以放在水中不会腐烂、变质。研究表明这是一种由粘菌、细菌和真菌三类菌构成的稀有的聚合体。主要靠孢子、菌丝繁殖，活性很强，随意切割都能够再生。这些菌种如何聚集在一起，为何可以形成稳定的形态仍然是个迷。研究证明它是以细菌、酵母菌、霉菌孢子等微小生物为食，以纤维素、几丁素、甲壳质等为营养，肌体含有丰富的蛋白质、核酸以及假丝酵母菌和白地霉。它的细胞中含光合色素。按照《生命起源及进化谱系图》分析，它的位置应在菌（藻）类植物和原生生物、动物之间。可惜的是该生物进化到此种程度后停止了进化。因此生物专家称它为“盲支”，处于生命演化的一个岔道口上。往左会发展到植物界，往右就会向动物界发展，原地不动就会变成像蘑菇灵芝一样的真菌类，为自然界中非植物、非动物和非菌类的第四种生命形式，是迄今发现的最古老的古生物活体标本，是人类和一切动植物的祖先。
辽西朝阳出土的“国宝太岁”
个人认为不同类型的细胞要共生，需要细胞之间能协调配合，它们之间一定有着复杂的生理机制，一旦形成生命力会很强。但是细胞共生形成的条件要求比较高，而且这种共生机制如何实现复制现在还不清楚。太岁的生长速度缓慢但生命力顽强可以适应恶劣环境。以上种种特性可以推测这种古老的生命形态，诞生于恶劣的环境中。当环境向着更适宜生命的方向变化时，它们由于生长缓慢、遗传机制上的欠缺在竞争上处于被动的劣势。所以最终成了少数派，只是由于生命力强所以延续到现在。
合胞体学说这一学说认为多细胞动物来源于多核纤毛虫的原始类群。后生动物的祖先开始是合胞体结构，即多核的细胞，后来每个核获得一部分细胞质和细胞膜形成了多细胞结构。对该学说持反对意见者较多，但这个学说的优势可以解释为什么很多高等生命的体细胞都有相同的基因。
棘轮效应不管多细胞生命体是通过怎样的方式进化而来的，有一个巨大的门槛是它们必须要跨越的，那就是合作机制的建立与稳定的复制。不同细胞之间可以合作共生，但这种机制是什么？如何产生的？又如何稳定地保证这种合作机制不失效，从而导致多细胞生物能一直保持这种形态、而不退化为单细胞生物？目前还在研究。显而易见的是多个细胞进行分工协作时，会比单独存活更有利。但在这群微生物中，如果有谁偷懒或爱占便宜那它在系统内部会有优势，这类个体往往生长速度最快，癌细胞便是这样一个例子。所以对任何一个多细胞生物而言癌细胞都是大敌。早期很多不成熟的多细胞生命都因为无法阻止这类现象的发生而消亡了。
科学家认为能够在进化中胜出的多细胞生命都有着很强的“棘轮效应”。棘轮效应是指某种对群体有利、但对独自存在的细胞不利的特性，这有力地阻止了多细胞生物朝着单细胞生物方向倒退。棘轮效应可以称之为细胞的集体主义精神。比如前面提到的细胞凋亡（又称细胞程序性死亡）是指细胞自行死亡的过程。研究表明细胞凋亡率越高，对细胞群体来说反而更有利。例如在一大群酵母细胞中，凋亡的细胞可以解开了维系一小群酵母细胞的纽带，让这些细胞移动到更宽敞、营养更充足的地方去。在一个细胞群体中，细胞之间越是相互信任，棘轮效应就越强。
被记录遗传的优势信息由此我们可以发现群体性细胞与单细胞生命的行为有很大的差异。也许一开始这种差异只是自发形成的，当细胞进化成真核生命之后这些行为被记录到DNA中之后，多细胞生命就拥有了相对的优势。我们知道受精卵细胞通过自我复制、分裂形成一个群体，然后不同的细胞个体再分化成不同的功能性细胞形成组织。基因控制的不仅是细胞自身的特性，还要包含整个生长发育过程、各细胞、组织之间的沟通合作方式。这些信息、机能通过基因遗传方式非常灵活且快速地复制，所以生命的演化进程中它们成了主流。今天我们所见到的绝大多数的多细胞生命都是通过DNA进行繁衍的。
最后需要强调一点这种机制的胜利前提是地球的自然环境趋于稳定且温和，更适于高级生命的发展，如果自然环境恶劣那么今天占领这个星球的一定是生命力顽强的低等生命体。
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本文来自专辑《进化的历史》
