一项研究展示了细胞之间合作组织的显著例子，作为多细胞生命演化的潜在力量。该研究基于大单细胞生物斯生 (Stentor) 的合作进食的流体动力学。
人类喜欢认为，多细胞（且体型更大）是一种明显的优势，尽管地球上80％的生命由单细胞生物组成——有些在对任何动物来说致命的条件下茁壮成长。
事实上，多细胞生命是如何以及为何演化的，长期以来困扰着生物学家。已知的首次多细胞的实例是在约25亿年前，当时海洋细胞（蓝藻）结合形成丝状群落。然而，这一转变是如何发生的，以及给细胞带来了什么好处，仍不太清楚。
本周，来源于海洋生物实验室（MBL）的研究展示了细胞之间合作组织的显著例子，作为多细胞生命演化的潜在力量。该报告基于相对巨型单细胞生物斯生（Stentor）的合作进食的流体动力学，发布在自然物理学（Nature Physics）期刊上。
“我们退后一步，回到生物独立的时候。它们为什么在变得相对固定之前，会组合成一个群落呢？”罗杰·威廉姆斯大学的合著者肖恩·科林与MBL惠特曼中心的资深作者普罗维登斯学院的约翰·科斯特洛说。
“许多关于多细胞生命起源的研究都集中在化学上。我们想探讨物理力量在这一过程中的作用，”主作者、埃默里大学物理学助理教授及前MBL惠特曼中心早期职业奖得主沙山克·谢卡尔表示。
多嘴胜过单嘴
Stentor 是一种喇叭形的单细胞生物，最长可达2毫米。在它的原生栖息地——池塘或湖泊中，Stentor 将其细长的末端（称为附着器）附着在叶子或树枝上，而喇叭的末端自由摇摆，形成水流漩涡，通过其带有纤毛的口腔吸入食物，如细菌。
在实验室中，科学家们注意到，当Stentors被放入池塘水的盘子中时，它们迅速形成一个动态的群落，细胞之间并没有真正附着在一起，但它们的附着器在玻璃上相互接触。通过量化流体流动，研究小组显示，在一个群落中，两个相邻的Stentors能够双倍于各自能力的水流量进入它们的口中。这使得它们可以吸入更多的猎物以及更快游动的猎物，因为它们创造的漩涡更强，可以从更远处吸入水。
“她爱我，她不爱我”
然而，研究小组发现，相邻的两个Stentor所获得的进食利益并不相等。较弱的Stentor从合作中获益更多，而较强的则较少。并且，奇怪的是，它们表现出谢卡尔所称的”她爱我，她不爱我”行为。当配对的Stentors一起摇摆喇叭的末端时，它们的流体流动增加，但它们会不可避免地震荡，拉开嘴部。为什么会这样呢？
为了回答这个问题，他们转向了由俄亥俄卫斯理大学的合著者郭汉亮和南加州大学的伊娃·坎索领导的群落流体动力学的数学建模。
郭和坎索确认了群落中的一种”杂交”，个体之间不断在相邻的伙伴之间切换。其结果是所有的Stentor群落中的细胞，平均而言，获得了更强的进食流动。
“在一个群落中，虽然一个个体看似在远离一个邻居，但实际上它是向另一个邻居靠近，”研究小组写道。从进化的角度来看，这是有意义的，”因为个体预计会通过与最有利于他们的邻居结合，从而寻求最有利的能量回报。”
“你可以把他们看作是在努力优化收入，”科斯特洛说。而整个群落则获得了更多的食物。
只是一种阶段
但等等。我们如今所知道和喜爱的Stentor并不是多细胞的。它形成的群落是短暂的；它们仅仅通过撞击实验室的桌子就会分散。如果个体集体受益于合作，为什么它们又会分开呢？
科学家们并不确定。但他们已经注意到，当给Stentors提供许多食物时，它们乐于附着在玻璃上并在群落中进食。但当食物被拿走并变得稀少时，Stentors就会脱离并进入个体觅食模式。
“人类也会这样，”谢卡尔说。”当资源和猎物丰富时，我们会合作和协作。但当资源减少时，每个人都会为自己而活。”
我们不是克隆体
在其它早期多细胞生命的模型中，如绿藻Volvox cateri，未能正常分裂的细胞最终演化出一个基质，形成了一群遗传相同的细胞，后来的分化。但是，短暂的Stentor群落是由具有不同遗传特征的个体组成的，而非克隆。
这就是科学家们认为他们的Stentor模型早于其他早期多细胞性模型的原因（这些模型被认为至少在不同谱系上演化过25次）。
“这是在进化早期，更早的阶段，快乐的单细胞说，好的，让我们一起聚在一起并获益，但接着又让我们回归单独生活。多细胞性还未被永久性固定，”谢卡尔说。
谢卡尔在2014年MBL生理学课程中以学生身份开始了这一研究，当时课程的共同主任是加利福尼亚大学旧金山分校的沃尔斯·马歇尔，一位Stentor的专家。
