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原生动物是如何演化成后生动物的?

图片:sasint / CC0

知乎用户,温柔着品察世界。

在本回答中,你将看到:

Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. ——Dobzhansky
在那黑色的生物之海上,进化乃闪耀的知识灯塔。(误)——杜布赞斯基

还将看到:

答主天真地借着进化之光往生命史里一瞥,却像是看到了深不见底的幽暗天坑,旋即心生恐惧,担心自己单薄的底子撑不起如此雄伟壮丽的大厦,担心自己任何失察的叙述都将成为对这神圣光景的玷污。但这次的故事实在太过精彩,即便难以做到完整呈现,我也忍不住想与各位分享管窥一豹的欣喜与感动。

实际情况是,在阅读 Nature 近期发表的文章 从单细胞生物到多细胞生物的进化机制 时,刚巧看见了这个被提出很久的问题还没得到回答,我就寻思着用这篇研究来填上这个空洞应当绰绰有余,但读着读着才发现,自己妄想着只花一点点时间就将这个宏大的、尚未取得共识的议题回答详尽,实在是太自不量力了。是的,学界还不确信这个解答是完整的,但没关系,我想更为普遍的快乐,是每个人都能够借着研究者们得出的线索,在这些尚未得到解决的问题上勾勒出让自己放心的答案。

* 有关“演化”与“进化”:都是对英文“evolution”的翻译,在当下的中文语境中,两个词的涵义完全相同。人们对于这两种翻译的争论不在本文的讨论范围,为叙述方便,本文一律用“进化”。

太长不看版的结论

现有的证据来看,从单细胞祖先 (long long ago 的原生动物) 进化出多细胞动物 (后生动物) 不是一蹴而就的,是渐进且漫长的。这一过程中最重要的是多细胞动物两个核心特征的出现:细胞聚集 (Multicellularity)细胞分化 (Differentiation)

  • 多细胞动物细胞群体的形成是克隆型的,单细胞祖先上发生的有关胞外基质分泌以及胞浆移动调控的突变,在增殖分裂时使本该分离的子代细胞与亲代黏连。出现在多细胞真核生物门类中的另一种聚集方式没有被动物祖先采用:聚集型——异质的个体在群居生活中逐渐同化。
  • 细胞的精细分工合作是多细胞生物的特点。在诸多门类的单细胞生物的不同生活史时期中,已经出现了细胞类型、生理功能上的差异,也就是说,细胞发展出形形色色不同的形态与功能的时间要早于多细胞动物出现的时间。所以多细胞动物如何进化出细胞分化,关键不在于如何让细胞获得各种“技能”,而在于如何统筹协调使用不同“技能”的细胞组成完整的个体。现有证据倾向于支持这样的结论:多细胞动物祖先在细胞信号转导、基因表达调控模块上特有的“创新”,使它的细胞获得了随着时空条件改变自身类型的能力,成为干细胞的雏形。发育过程中,不同细胞响应不同的条件激活 / 关闭这些调控模块,使得自己成为某种特定的细胞类型。

细胞聚集与分化出现的时间不分先后,这两个特点使动物的多细胞祖先得以发挥群体内部多样性的潜力,正如人群中个体的专性分工、广泛合作大大加快了人类社会的发展进程,多细胞动物的进化速度也大大提高,最终迎来了 6 亿年前的寒武纪生物大爆发。

* 把结论放在前面是为了照顾那些实在迫不及待想知道答案的朋友,也许你们很忙没有太多时间看完这么长的文字。但没有关系,如果新的研究改变了这一结论,我会第一时间更新,以免你们记住的是错误的答案。科学理论就是这样,现在看来信誓旦旦的东西指不定哪天就变了,似乎让人很没有安全感。

* 不过还是忍不住想说,结论有些枯燥,但接下来藏在它背后的旅程才真正精彩。如果能够看到,一步一步严谨的科学研究中夹杂着时不时闪烁的灵光乍现,像听着恢宏大气又灵动活泼的交响乐,一定可以抹去那些干巴巴的理论带来的不安全感,带来心灵上的慰藉,错过了会很可惜的。


序:旅途开始之前...

接下来可能是一段有些辛苦的路,在启程之前,我们需要从题主用心的问题描述中整理出几个重要的行囊:

  • 推断进化历史:进化生物学是一门历史性学科,正如我们在这篇回答中在做的这样,它试图阐明生命的历史以及造成这些历史事件的原因。可是发生的历史已经远去,我们看不到变化是如何发生的,也观察不到是什么原因在起作用。化石凝固了时间,作为直接的证据可以告诉我们历史中的那一刻是怎样的;但更多时候,我们必须通过不那么直接的证据来推演这些历史以及原因。从进化的框架来看,千万种不同的生物由独自一个祖先进化而来,那个祖先就是生命之树的“根”。随着时间长河的流动,一个物种可能会因一些性状的不同饰变而“分叉”——进化为两个不同物种。这样的过程不断重复,历经时间大河的灌溉,孕育了如今多姿多彩的生物世界。那么,在我们今天能够观察到的生命之树的末端叶片即所有现存物种中,共享的性状就应该是从第一个进化出这一特征的祖先那里传承下来的 (当然,趋同进化也可以塑造相似的性状,于是区分来源于共同祖先的相似性状与独立趋同的相似性状就成为进化研究中必不可少的环节。具体方法有些复杂,这可以是另外一个故事了)。近缘物种分开的时间短,共享的性状就多一些;远缘的物种分开的时间长,保留的共同性状少一些。如果某个特征只进化过一次并在所有的后裔中都保留了下来,那么这个共享的特征就可以为这些不同物种拥有共同祖先提供最好的证据。因此,我们可以通过比较不同类群间的各种性状特征来确定它们之间亲缘关系的远近,还可以借由那些祖源性状描绘出它们共同祖先最可能的样子。
  • 用于进行进化推断的性状特征不仅仅限于外部形态学特征,还包括行为、细胞结构、生化分子的结构以及染色体的结构。现在最常用的证据是 DNA 序列,因为它在进化上相对稳定、每个碱基位点的四个可能状态不像其他表型特征容易产生歧义,所以以它为根据构建的进化树被认为是最可靠的。

回到问题本身,

  • 原生动物是在动物总界中单细胞个体的类群,虽然在其中人们也观察到存在群居习性,但这样的群体还是由多个相对独立的细胞个体集聚而成,每个细胞都具有营养、呼吸、排泄、生殖等作为一个动物所具有的一切机能。
  • 动物总界中剩下的多细胞动物就是后生动物,与原生动物聚群根本的区别在于,细胞分化成了不同类型,各自执行专一的功能,互相依赖着组成动物个体而生存。在后生动物中,一些类群因为特征上的不典型,与其他的动物不太相似,似乎有着更原始的特征,就被人们划分出去,起名“侧生动物”(进化的侧枝)、“中生动物”(侧枝与主干之间的枝=_=),剩下的冠名“真后生动物”。例如题主提到的多孔动物,也就是那篇 Nature 文章的主角海绵动物,还是侧生动物唯一的现存门类,虽然是多细胞动物,但身体只由两层细胞组成,有独特的水沟系统,在胚胎发育等方面也与其他多细胞生物显著不同。海绵动物的进化似乎一直处于相对停滞的状态,现存的海绵动物与古老的海绵动物化石差别很小,它们应该是所谓的最“不在进化树主干”上的一类——直接被“侧生”了。但不在主干不代表它不重要,恰恰因为海绵动物进化相对迟缓,保留了较多的古老特征,才给人们留下了绝好的追溯历史的材料——用它和动物的原生亲戚进行比较,我们甚至可以描绘出单细胞动物与多细胞动物分开之初的那个共同祖先的肖像,进而推演出从单细胞祖先到多细胞动物的这段历史中最可能发生了些什么。
  • 再次推荐回答 地球上最初的生命为什么有的进化成了植物有的进化成了动物? 其中提到的基于 DNA 序列构建的系统发生分析构建的进化树展示了各种原生动物与后生动物的进化地位,而我们找到的两个突破口——海绵动物 (Porifera/sponge) 以及我们的单细胞亲属领鞭毛虫 (Choanoflagellates),正是诸多岔路中挨得最近的两条。

1. 启程:衣领、鞭毛、海绵

16 世纪末显微镜的发明在生物学的发展史中具有里程碑式的意义,人们终于可以做到“明察秋毫”,去观察生命更为底层的形式了。领鞭毛虫首次被观察到是在三百年后,这种生活在海水中自由游动的单细胞微生物刚一进入人们的视野就因为特别的外貌形态令人们觉得倍感熟悉:一条很长的鞭毛,被一圈细胞膜表面的突出物环绕,形成一条圆柱状的“衣领”。领鞭毛虫因此而得名(Choanoflagellates, choano- 源于希腊语的“衣领”, flagellum 在拉丁语中意指鞭毛)。

这小细胞虫好可爱啊,不过类似的细胞我身体里好像也有不少?(误)

真正让当年的发现者感到熟悉的,是出现在海绵动物体内的一种细胞类型——领鞭毛细胞 (choanocyte,简称领细胞)。

* 人们最早使用的海绵就是这些海绵动物,它们的皮层分布着许多孔洞,在水中生活时供给水流通过,海绵就用领细胞将通过的食物颗粒吞噬。由于这样的多孔结构,海绵在打捞晾干后可以吸收大量水分,可以被方便地使用。不过现在日常所用的海绵都是用发泡材料制作的了。

领细胞结构与领鞭毛虫极其相似,以至于发现者几乎立刻断定二者有着极近的亲缘关系。有关更为细致的比较,详参 @兔小灰 的回答 海绵的领细胞和领鞭毛虫在结构和功能上有什么区别?

从细胞结构上看:

人们甚至认为,海绵动物中的领细胞就是由领鞭毛虫进化而来的。之后研究者们又渐渐发现,类似这样鞭毛 - 衣领的细胞形态,在动物界是相当普遍的:几乎所有的动物,在个体发育某些阶段或是部分细胞中,都能够观察到相似的结构 (想想那些小蝌蚪)。于是人们推断,动物的祖先最初应该是领鞭毛虫的那个样子,然后聚团分化,一步一步往更复杂更高级的样子发展。一百多年后,基于分子证据的系统发生研究终于确证了,领鞭毛虫是原生动物中离我们最近的门类,领鞭毛虫与所有的后生动物囊括了六亿年前一个真核细胞 (被称作 Urchoanozoan) 的所有后裔。同时,在后生动物门类中,海绵动物是最原始、最古老的一类,相比另外的动物,我们更有可能从海绵中发现共同祖先的影子。

鞭毛 - 衣领结构的特征在领鞭毛虫与后生动物中被广泛共享,而且形成这一结构的蛋白质组分也大同小异,但在其他真核生物类群中,鞭毛的微结构就有着很大的差异。另外,人们在领鞭毛虫的基因组上发现了许多编码动物细胞微绒毛的同源基因,并且某些基因家族只在领鞭毛虫与后生动物中出现,这些发现似乎都是对领鞭毛虫与后生动物来源于共同祖先的有力证明。所以流行的观点是,动物的祖先就是有着领鞭毛特征的那个样子,但在旅途的第 4 站就会看到,这个想法刚刚被证明是不对的。

接下来的问题是,原本自由自在单独游动的个体,又是如何攒聚到一起的呢?

2. 多细胞的起源:克隆相连

不需要任何专业知识,每个人都可以很容易猜想到,从单个细胞变成多个细胞无非两种情况:细胞分裂的时候没有分离;或者多个不同来源的单细胞个体聚集黏连。放眼整个动物界,现存的所有动物都是经由克隆型的方式发育而来,即一个受精卵不断分裂形成多细胞结构,进而成长为个体。从这一点来看,答案似乎昭然若揭,动物的多细胞来源应该就是第一种情况。可真的会是这样吗?

...

...

...

是的,就是这样。有时候变幻莫测的自然也会很老实,并没有那么多转折。不过,聚集型形成策略也并未被其他生物遗弃,在自然界诸多门类中这种不同于动物的多细胞结合方式常常能被观察到。

鉴于多细胞的生活方式是如此广泛地遍布整个自然界,且不同门类的多细胞形成方式在细节上存在诸多差异 (克隆型方式中还存在不同的类型,但与我们故事主线关系不大,有兴趣可以参阅参考文献 [1] ), 学界倾向于认为多细胞特征在进化历程中独立发生了许多次,不是多细胞生物的共有祖征。至于为什么动物祖先采用了这种而不是那种多细胞化的方式,真实的原因已无法确证,研究者们只能作一些可能的猜想:聚集型方式要求遗传背景各不相同的细胞个体放下“自私”通力合作,且不论群体中的“背叛者”能够相当容易地破坏群体结构,但是差异者的趋同也需要比克隆型更多的步骤与条件。于是,进化出聚集型多细胞化方式的壁垒就比克隆型要高,前者也只能是特定条件特定选择压力下较为特别的产物了。

进一步的深入研究比较了大量多细胞化生活的生物门类的基因表达,挖掘到了一系列与多细胞化相关的基因,所有的这些基因在功能上都可以归为编码胞外基质蛋白与调控胞浆移动两类。这暗示着,无论各种生物进化路径有多么迥异,在多细胞化的分子机制上是趋同的:胞外基质黏连蛋白与细胞分裂时的胞浆分配调控主导了“细胞团”的形成。那之后,二者继续进化,一些通路上的渐变微调改变了细胞黏连的位置与分裂的方向,赋予本来圆滑的细胞团以极性,再加上时空特异的细胞类型分化,塑造了后生动物多胚层的囊胚发育模式。

在将后生动物、领鞭毛虫的多细胞化方式与它们较近的类群 (上图箭头上方,Filasterea 蜷丝球虫,Ichthyophonida 鱼孢霉) 做比较时,后生动物 / 领鞭毛虫、蜷丝球虫、鱼孢霉容易被区分为三类,每类之间有较大的的不同。但动物与领鞭毛虫之间是极其相似的,于是可以推断,动物克隆型的多细胞化方式,在与领鞭毛虫发生进化分歧之前就已经出现,动物的单细胞祖先应当是先营单细胞克隆形成的群体生活,再逐渐分化整合为多细胞个体的。

3. 细胞分化:流动着的乐团

形成细胞团后,蜷丝球虫、鱼孢霉、领鞭毛虫的孤独心灵似乎已经得到了满足,一直保留着个体在群体中的独立性,再也不愿多为邻居付出些什么了。而后生动物是天生的革命者,它要利用一切可以利用的材料,一块一块搭建攀上复杂性高峰的阶梯。

基于长期观察的证据,对于细胞分化的起源问题提出了两种假说:

  • 由于人们在观察各种单细胞生物的生活史时已经发现,它们不同生活史时期对应着特别的细胞类型,相应地,这些细胞类型也对应着各自独特的功能。例如,古虫界的一些物种可以在变形虫、鞭毛虫、囊状形态之间进行切换以适应不同的生存需要;某些领鞭毛虫如 Salpingoeca rosetta 也可以自由地改变自身的形态、功能以及生活方式。因此,这种猜想认为,行使各种功能的诸多细胞类型对我们的祖先来说已经是现有的材料,即功能分化产生的时间早于多细胞化,动物祖先只是合理地安排这些负责不同功能的细胞在合适的时间位置上出现,一个未分化的细胞在某时到达了一个位置,它就将接收到调控分化的信号,然后转换成那种需要的细胞类型。这被称为 TST (Temporal-to-Spatial Transition, 时空转换) 假说。

  • 另外一方面,人们也看到,在原生动物中由单个细胞完成的进食、运动、排泄、生殖等功能,在后生动物中被不同的细胞所负责,似乎动物细胞经过分化,功能越来越专精单一。于是,不同的假设被提出了:细胞分化是在多细胞化之后产生,最初那个细胞团体中的每个成员都在自己体内预载了全面的功能,随着分化的进行,不同的细胞丢掉了不同的功能,朝着专一化发展,最终由这些功能专一的零部件构成个体。这是 DOL (Division of Labor, 功能分歧) 假说。

虽然对细胞分化的起源问题学界争论已久,但这两种假说并不是互斥的,动物祖先在进化历程中也有分阶段采用两种策略的可能。不过文章开头提到的今日发表的 Nature 论文 (参考文献 [2] ),为 TST 假说提供了许多证据,之后 TST 可能要占很长一段时间的上风了。

4. 我们的祖先并不像小蝌蚪?

鉴于动物来自于领鞭毛虫一样的祖先这个由来已久的假设尚没有被验证、海绵领细胞与领鞭毛虫同源这一猜想也因二者实在太过相像使人们一百多年来疏于寻找确切的证据,来自澳大利亚昆士兰大学的 Bernand Degnan 教授研究团队详细比较了海绵三种不同体细胞类型在基因表达上与领鞭毛虫、蜷丝状虫、鱼孢霉不同生活史阶段的差异。

选取领细胞之外的另外两种海绵细胞是因为,人们在先期的研究中认为,那两种细胞类型的出现在进化历史上早于领鞭毛虫与动物共同祖先的分开,分别对应到与鱼孢霉、蜷丝状虫分开的时间点。如果按人们之前认为的那样,领细胞由古老的领鞭毛虫进化而来,领细胞的细胞类型特征应该相当接近领鞭毛虫。

细胞类型的划分是通过区分细胞的“核心调控复合体”的表达情况来实现 (参考文献 [3] ),简言之,类似于一排开关控制着一盏灯的颜色,最终灯光呈现出来的色彩由这些开关的组合状态而决定。

结果很令人惊讶,领细胞在三种细胞类型中竟然是最“海绵”的那一个——它和其他的原生动物有着最不相似的细胞类型,表达着最多海绵独有的基因。也就是说,它这么像领鞭毛虫并不是因为和领鞭毛虫有着多么近的亲缘关系,那个动物有着领鞭毛样细胞团状祖先的观点也就不成立了。另外,其中一种海绵细胞在调控细胞增殖等“干细胞模块”基因上有较高表达,而在其他原生动物的繁殖阶段也观察到这些基因类似的表达倾向,而这样的表达模式与较为高等的动物类群干细胞非常相似。

之后研究者用荧光染色追踪发育过程中三种细胞,发现了它们在发育过程中存在普遍的互相转化现象,细胞类型甚至可以来回改变。这提供了证据来拒绝 DOL 假说,动物祖先细胞的分化,应该更接近 TST 阐述的细胞类型随时空条件改变而转换的模式。

文章否定了那个我们来源于领鞭毛虫团团的观点,并且推断动物祖先的多细胞状态中每个细胞并不是一样的,它们在相当早的时间段中已经出现分化并且会随着时空条件改变它们的细胞状态。动物祖先基因组上信号转导通路、表达调控元件的改变,让它学会了发挥自己的多能性潜力,用精密的调控系统实现了不同状态细胞的分化共存,进化成了第一个多细胞动物。


尾声:“丢失的一环”

进化上的“为何”远比“如何”难以回答,因为历史无法重演,我们难以确定生物类群的特征与其命运有着怎样的因果联系。动物中复杂度较低、现生门类较少的这些类群,并不是因为走上了进化的歧路、成了生命史上的意外,它们之所以是它们,可能不需要有一个具体的原因。达尔文对生命之树的描述富有诗意地蕴含了看待每一个物种平等的态度:

同一纲所有生物的亲缘关系有时可以用一棵大树来形容,我相信这一比喻基本上是真切的。绿色的冒芽小细枝可以代表着现生物种,而那些前些年长出来的小枝则可代表一连串灭绝了的物种。在每一个生长期,所有成长中的枝条都尝试向各个方向长出枝杈,并从其周围的细枝和枝杈中穿出甚至杀灭它们,恰如一个物种和一群物种在激烈的生存斗争中所一直在进行的对其他物种的征服一样。主枝干分成巨枝,巨枝再逐步分成越来越小的树枝,而这些枝杈本身都曾是——当树还小的时候——冒芽的细枝;现在的和昔日的芽间形成的这种分杈关系能够很好地代表所有现生物种和已灭绝物种在分类中层层隶属的关系。在那些树还尚矮小时长出的许多茂盛的细枝中,可能只有两三条现在长成了大枝,并且不单幸存下来,还产生了其他的分枝;类似地,在过去漫长的地质时期所生存的物种中,只有极少数留下了依旧存活的变异了的后裔。从树的最初生长开始,许多主枝和杈枝已经枯萎脱落了;这些脱落的大小不一的树枝可以代表那些整个目、科或者属都没有现生后裔的类群——他们仅以化石的形式为我们所知。就像我们偶尔可以看到的那样,一个细弱蔓延的树枝从一棵树底部的树杈上长出来,并由于某些偶然的机会受到偏爱并且依然兴旺地存活着,于是我们有机会看到像鸭嘴兽或南美肺鱼这样的动物;在些许程度上,它们连接起生命的两大分支,而且它们显然因为生活于一个庇护地而幸免于致命的竞争。由于芽通过生长再产生新芽,而如果这些新芽生命力旺盛就会长成枝条并盖过周围许多较弱的枝条,因此我相信恢弘的生命之树亦是代复一代地如此:这棵生命之树用它破落和枯死的树枝填充了地壳,用它不断分出的、美丽的枝杈覆盖了大地。

时间的长河虽一去不返,人类的双眼却可以借着思想洞穿光阴,在脑中描绘出那个过去了的、看不到的,但我们相信着的真实世界。也许这正是我们研究历史、研究自然、研究宇宙的意义:我们可以凭着自己的能力把握住丝毫的线索,还原我们不曾经历的过往,指导我们正在过活的当下,燃起我们面对未知的勇气。

参考文献

[1] Brunet, Thibaut, and Nicole King. "The origin of animal multicellularity and cell differentiation."Developmental cell 43.2 (2017): 124-140.

[2] Sogabe, Shunsuke, et al. "Pluripotency and the origin of animal multicellularity."Nature 570(2019): 519–522

[3] Arendt, Detlev, et al. "The origin and evolution of cell types."Nature Reviews Genetics 17.12 (2016): 744.

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