Nature综述 | William Ratcliff/童恺等构建多细胞起源的演化框架

从森林、草原到珊瑚礁，多细胞生命塑造了世界各地的生态系统，并构成了如今地球生物量的主体。仅在真核生物中，多细胞生命就独立起源了至少45次，在细菌和古菌中也存在多细胞形态。尽管这些宏观演化格局早已为人熟知，但驱动单细胞向多细胞转变的微观演化机制仍有待厘清：原本独立生活的单细胞生物如何形成稳定的多细胞集合？这些集合又如何成为能在多细胞层面发生适应性演化的选择单位？进一步的细胞分化以及复杂的多细胞发育又是如何出现的？

2026年10月7日，美国佐治亚理工学院的William Ratcliff实验室在Nature上在线发表了题为Overcoming key challenges in the evolutionary transition to multicellularity的综述文章。该文整合了近年来的比较生物学研究与实验室演化实验，构建了理解单细胞个体如何演化为多细胞生物的演化框架，并系统梳理了这一重大转变中的关键阶段、核心挑战与微观演化机制。

为了更直观地呈现这项工作，William Ratcliff 还协同 Claude 制作了一个动画短片，并亲自配音：

多细胞生命横跨三域、形态各异（图1）。该综述试图提炼不同多细胞类群的共同点，并采用了一个三阶段的演化框架来分析从单细胞到多细胞的演化过程：单细胞先是形成简单的多细胞集合（multicellular group），此时细胞仍能独立生长繁殖，但集合生活可带来选择优势；继而成为多细胞个体（multicellular individual），即能在多细胞层次上生长、繁殖、产生影响适应度的可遗传变异、从而可在自然选择下发生适应性演化的选择单位（unit of selection）；最终随着多细胞性状的积累，转变为细胞相互依赖、功能整合的多细胞生物（multicellular organism）。这三个阶段之间的界线并不总是非常清晰，且阶段间的推进也并非必然（甚至可能倒退），分别对应着下文将详述的三个核心挑战。

图1. 多细胞生命在生命演化史中多次独立起源

第一个挑战是多细胞集合的形成。细胞可在分裂后保持相连，形成克隆型多细胞集合（clonal multicellularity），也可通过相互聚集形成聚集型多细胞集合（aggregative multicellularity）（图2a）。比较研究发现，细胞不完全分裂、细胞间黏附、细胞外基质、多核细胞的细胞化，是不同类群反复采用的多细胞形成机制（图2b），而其背后的基因工具箱大多已存在于单细胞近缘种中。实验演化则让这一演化过程得以实时观察：在多种单细胞生物的演化实验中，多细胞集合可在多种选择条件下快速、趋同地出现（图2c），且背后往往仅涉及极少数的基因突变。雪花酵母（snowflake yeast）是一个经典案例：单个ACE2基因的功能缺失突变即可导致酵母子细胞不再分离，从而形成雪花状的多细胞结构（图2c 最左）。

图2. 多细胞集合的形成

第二个挑战是多细胞集合成为多细胞个体。这意味着自然选择单位从单细胞向多细胞的跃升，从而使生命真正获得在多细胞层次上发生适应性演化的能力（图 3a）。这一阶段的关键难点在于建立多细胞层次上的生长繁殖能力（即多细胞生命周期，multicellular life cycle） 和性状可遗传性（multicellular trait heritability）。在现今多细胞生物中，这些特性依赖于精密调控的发育程序，但后者本身来源于多细胞适应性演化，而这又以前述的特性为前提，引起"先有鸡还是先有蛋"的悖论。

该综述指出，原初的多细胞生命周期不必依赖于发育程序，而可被多细胞集合外在或内在的力量塑造或“构架”（scaffolding）出来（图 3b）。生态构架（ecological scaffolding）指外界环境周期为多细胞集合强加出形成与繁殖的循环：洞穴中的周期性洪水促进细菌Jeongeupia sacculi的菌落释放单细胞繁殖体，后者在水退后定殖新的洞壁并形成新的菌落。生物物理构架（biophysical scaffolding）则基于多细胞集合自身的物理性质：雪花酵母生长时细胞彼此挤压，应力超过临界值则会引发分枝断裂形成繁殖体。

类似地，即便在缺乏发育调控的情况下，细胞层面的变化，也可通过物理作用自发涌现出可遗传的多细胞性状（图 3c）：在雪花酵母中，使细胞变长的基因突变可降低挤压应力，使得多细胞集合在断裂前长得更大，甚至集合大小的性状可遗传性还高于细胞长度本身。细胞层面的变化也能涌现出新的集合行为：在动物近缘的领鞭毛虫Choanoeca flexa 中，细胞形状改变可通过物理作用使整个多细胞结构迅速翻转。

图3. 多细胞集合成为选择单位

第三个挑战是成为功能整合的多细胞生物。两种互补的假说尝试解释细胞分化是如何起源的。时空转换假说认为，单细胞祖先中原本由环境诱导、在不同时间表达的细胞状态，可演化为受发育调控、在不同空间位置上表达的细胞类型：团藻Volvox carteri的体细胞分化可能正利用了单细胞祖先在胁迫下表达的抑制繁殖、提高存活的调控网络（图 4a）。任务分工假说则认为，祖先单个细胞同时承担的多种功能模块，在多细胞生物中被分配给了更专门的细胞类型：动物近缘的领鞭毛虫中组成性表达的鞭毛和细胞分裂，在动物体内则分属不同的细胞类型，且其上游转录因子也保守（图 4b）。这两种假说均强调对单细胞祖先已有的基因调控模块的重新部署（co-option）。

更进一步，近期研究在过去认为相对简单的类群中也发现了复杂的多细胞发育现象：动物近缘的鱼孢菌Chromosphaera perkinsii展现了类似动物胚胎卵裂及细胞分化的发育过程（图 4c）；古菌 Haloferax volcanii 在物理挤压下也能形成组织样的结构（图 4d）。这意味着复杂多细胞发育可能具有更深的演化根源，或可通过对古老机制的利用而独立起源。

图4. 细胞分化与多细胞发育的起源

综上，这篇综述将多细胞生命的起源置于一个三阶段的演化框架中，系统揭示了祖先机制、物理作用与环境条件如何共同促成了单细胞向多细胞的转变，并指出这个转变中那些看似难以跨越的早期障碍远比过去设想的容易解决。

多细胞生命在生命树的各个分支独立起源了至少数十次，简单的多细胞细菌早在30 多亿年前就已出现，然而复杂的多细胞生物直到最近10亿年才出现，且仅限于五个真核类群（动物、植物、真菌、褐藻和红藻）。从简单到复杂似乎是多细胞演化中更难跨越的一道鸿沟，而揭示其潜在机制，正是未来的研究重点之一。回答这一难题，需要结合比较生物学、系统进化、古生物/古地质学等回溯性（retrospective）研究与实验演化、合成生物学等前瞻性（prospective）研究。其中，已持续超过2,000天/10,000代的基于雪花酵母的多细胞长期演化实验MuLTEE，可直接、实时地追踪多细胞生命从简单到复杂的长期演化过程，从而为理解多细胞演化提供了独特的工具和全新的见解（详见BioArt报道:）。

佐治亚理工学院William Ratcliff 实验室的研究科学家Ozan Bozdag与已毕业博士生童恺（2022年博士毕业，目前在哈佛大学Ahmad (Mo) Khalil 实验室（今年初实验室搬迁自波士顿大学）从事博士后研究，主要研究多细胞生命的合成生物学和定向进化）为本文共同第一作者，二人与William Ratcliff为本文共同通讯作者。文章由William Ratcliff、童恺和Ozan Bozdag 撰写，Ozan Bozdag 和 NSF的Matthew Herron （前佐治亚理工学院研究科学家、团藻研究专家）共同构建系统进化树，佐治亚理工学院物理学系的合作者Peter Yunker 也提供了生物物理学方面的宝贵建议。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11038-w

制版人： 十一

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