受Richard Lenski启发,Ratcliff用了十年功夫用酵母菌探究多细胞体的起源。2012年,他宣布在一个“雪花”酵母菌的突变株中有了一些可喜的发现。在这个突变株中,发育期的子代细胞并不会轻易与亲代细胞分离,因而形成了树枝状的小簇细胞,这种酵母菌也因而得名“雪花”。然而,当这些小簇积累到几百个细胞时,它们变得很笨重,便会一分为二。
正如雪花酵母菌一样,生命有多种途径演化出简单的多细胞生物。但是,多细胞体起源方面的专家、美国哈佛大学古生物学家Andy Knoll认为,真正的问题在于,如何形成细胞数量达到数十万甚至更多的稳定的细胞簇。让如此多的细胞聚在一起,是复杂多细胞生命演化过程中的关键一步,因此,Ratcliff尝试了多种方式来培育更大的酵母菌簇。
试管中的自然选择
为了能在实验室中顺利演化,Ratcliff及其同事让酵母菌生长在不停摇晃的培养箱里,使其混合、运动。每天,研究人员都会从一支试管中随机抽取十分之一的酵母菌液体,将其注入新的试管。之后,他们将这个较小样本中的酵母菌簇放在试管底部静置5分钟。酵母菌簇越大,就沉淀得越快。
科学家只利用底部沉淀的酵母菌,即最大的酵母菌簇来繁育下一代。这一过程给酵母菌施加了巨大的进化压力,使其尽可能产生最大的酵母菌簇。
但从2012年至2016年,Ratcliff却一直碰壁。在实验开始最初的几个月里,酵母菌簇越来越大,但之后却停滞在300至400个细胞的高点。Ratcliff开始怀疑这一系统可能在自我约束。
给酵母菌施加恰当的进化压力使其产生更大的团簇的关键,是博士后研究员G. Ozan Bozdag加入Ratcliff的实验室之后发现的。他建议在不同氧气水平下培育酵母菌。在整个生命历史中,地球大气层的氧气水平曾发生过剧烈变化,可能对多细胞生命的进化方式及进化时间产生过重大影响。于是,Bozdag和Ratcliff在无氧、部分有氧、全氧的环境下分别进行了实验。
这三项实验开始于2016年末,在每个氧气水平下都使用了5个酵母菌副本世系。酵母菌簇的大小起初缓慢增长并停滞下来,直到实验进行到约200天,一个无氧环境下的世系开始显现出一些大到肉眼可见的团簇。之后,无氧环境下的另外四个谱系也长出了可见的团簇。
起初,Bozdag以为这些团簇只是“一场意外,一个偶然事件”。但在多次重复这个实验后,他开始意识到“这并不是一场意外,而是自然选择的结果。”
600天后,无氧环境下生长的每个酵母菌簇平均所含的细胞数量增长到了450000个。这项惊人的结果表明,在多细胞生物的早期,氧气可能是某些生物体发育的障碍。
细胞改造