多細胞生物怎麼演化來的?
你是否想過生命的起源是什麼? 到底單細胞生物怎麼出現的? 這一部份已經有很多說法及實驗來解釋了. 有了單細胞生物, 生命更進一步展現它的複雜度, 多細胞生物和細胞分工合作的現象出現了. 課本裡會說單細胞生物複製形成群體, 群體裡不知道為什麼開始分工, 一些細胞變成了體細胞維持生活, 另一些細胞變成了生殖細胞傳宗接代. 聽起來挺合理的. 真的是這樣的嗎?
我們把推動這一切的神奇力量推給演化. 要讓演化發生, 首先得有讓這個新出現的細胞群體/個體真的與眾不同, 而且帶有競爭上的優勢, 才會在歷史的洪流裡留了下來. 那到底變成多細胞有什麼好處? 這個好處是可以遺傳的嗎?
我們先回到原點. 多細胞生物真的有競爭上的優勢嗎? 我們說的不是當然現在你看得到的多細胞生物, 所以我要先阻止你反射性地拿人去和變形蟲做比較. 我們談的是那個很久很久以前因為突變, 剛要開始脫離單細胞生物變成群體的一大團細胞. 實驗證實, 突變可以讓微生物分泌細胞外多醣類的能力增加, 進而改變細胞表面特質及增進細胞間的連結. 如果真的有一群這樣的微生物開始不正常地大量生成細胞外多醣類來把彼此連結在一起, 那這些單細胞們就會開始組成一個很多細胞的群體. 這個群體在水中越來越大, 在水面上會因為表面張力的關係變成了整片蓋住水面的生物膜. 這層生物膜裡的每個單細胞個體都必須努力多做多醣類來維持這個新特性. 水裡面當然還有其它不組成群體的, 行獨立單細胞生活的個體. 當膜狀群體越來越大蓋住整個水面後, 就會阻斷了獨立生活個體的氧氣和光照, 得到了競爭上的優勢. 所以到目前為止, 我們看到了有新特徵的個體可能會被留下來的第一步: 這個新得到的能力提供存活上的好處, 才可能會被留下來.
下一個問題出現了. 在一個能量不易得到的原始水域裡討生活並不容易. 今天一個這樣的單細胞群體裡面的每一個個體都要為了群體的利益, 用掉好不容易得到的能量與原料來做胞外多醣類. 但是真的每個單細胞個體都會乖乖做嗎? 如果有個單細胞個體不願自己生產胞外多醣類, 它還是有機會可以享受群體生活帶來的好處, 因為別人會努力做. 自己不貢獻省下的能量正好可以讓它多繁殖一些下一代. 這樣的騙子細胞, 它的下一代當然也是不貢獻純享受的騙子. 如此一來, 騙子細胞複製的速度一定要比乖乖生產多醣類的老實細胞還快, 慢慢的整個群體裡的老實細胞一定越來越少, 最後終於無法維繫膜狀群體而瓦解. 所以在演化上, 如果對這些騙子細胞没有制裁的力量, 那這個群體會因為自私而不可能永久存在.
還有一個問題. 這樣形成的群體是由很多老實細胞所組成. 如果這樣的群體在演化上有利, 它們才有可能存活下來. 但是這樣一個群體還不是一個多細胞生物哪! 這些細胞基本上只會不停複製, 越變越多, 但終究是一個群體, 不會變成很多隻多細胞生物, 所以没有任何演化上的優勢. 就像癌細胞一樣拼命的長, 但還是不可能會繁殖出一隻獨立的癌怪獸逃走. 所以多細胞生物的產生必須在三個重要機制同時演化出來的前提下才會出現: 第一是細胞間的合作, 第二是要能以整個群體為單位進行繁殖, 第三則是必須要能重懲出現的騙子細胞. 此三者缺一不可, 所以機會難得哩!
不過, 另外一種想法可能更容易解釋多細胞生物的起源. 回來看我們的細胞們: 一群相互合作分泌多醣類的老實細胞形成群體, 其中有些細胞會因為突變成為不工作只分裂的騙子細胞. 如果我們把老實細胞們比作體細胞, 騙子細胞比作生殖細胞, 當一些不跟大家接在一起的騙子細胞脫隊後, 如果它們能有一定的機率再變回老實細胞, 它們就可以形成膜狀群體再進入戰場. 這樣的群體變多了, 就會有演化的壓力作用在它們上面. 一個突變出騙子細胞的機率很高的群體, 很快就會無法維持群體間的結合而毀滅; 一個突變出騙子細胞的機率很低的群體在這個時候就有了演化上的優勢而可以繼續存在了.
要讓這個說法成立的一個關鍵在於這個騙子細胞要能在騙子細胞和老實細胞兩種狀態間轉換; 不一定要隨心所欲, 但至少要有機會可以這樣做. 這個可能嗎? 在目前的研究中已經發現 Pseudomonas aeruginosa 可以形成大量生產多醣類結成膜狀群體, 也可以不做事以單細胞形式存在. 而且, 它們可以在這兩種形式間轉換. 所以至少現在這件事發生的可能性是得到支持的了.
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