多细胞生命的诞生

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。

在前面的课里，我们先后讨论了推动地球生命运转的几大要素：物质、能量、自我复制，还有细胞的出现。从这一讲开始，我们来讨论构成地球生命的第五个要素：分工。

分工这个词你肯定不陌生，在人类世界里，它能带来很多好处，比如：提高效率、降低成本和互相协作。

对于地球生命来说，它的每一个细胞之间也存在分工。这是为什么呢？分工到底有什么好处呢？我们下一讲再详细展开讲，先吊吊你的胃口。

这一讲，我们先解决生物学分工的一个前提条件。也就是说，在这种细胞之间的功能分工出现之前，细胞生命必须还得完成一件事。

那就是，在生命体内首先得有超过一个细胞，这些细胞之间才有可能发展出不同的功能来，才有可能配合和协作。

所以，为了讨论细胞的分工，我们首先得讨论这个先决条件：单细胞生物是怎么变成有多个细胞的生物的？单细胞生物又为什么要变成多细胞生物？

按照常规，我们应该先讨论“为什么”这个原理问题，再讨论“怎么变”这个技术问题。但是在这一讲，我想换一个顺序，先来讨论“怎么变”这个技术问题，至于原因呢，我们稍后再揭晓。

单细胞生物如何变成多细胞生物

怎么变成多细胞生物，这个过程在技术上还挺简单的。

我们首先想象一下，一个单细胞生物怎么繁衍后代。这个过程如果用一个词来概括，就是“分裂”。

细胞长大成熟，在这个过程里，遗传物质DNA首先完成自我复制，分别跑到细胞的两边。然后，细胞从中间断开，一分为二，产生了两个新生细胞，它们各自独立生活。

就这样，细胞生命的繁殖，或者说自我复制就完成了一个循环。

细胞分裂

你脑海中如果有了这个细胞分裂的场景，理解多细胞生物的出现就容易多了。

最简单的思路就是，如果单细胞生物分裂之后，产生的两个细胞没有分开独立生活，而是一直黏在一起，那这样一分为二，二分为四，产生的后代细胞总是不分开，总是固定在一团，那一个多细胞生命就产生了。

说到底，咱们每个人都是从一个小小的受精卵分裂而来，这背后其实也是这么一个过程。

而且我还得强调，让细胞分裂之后产生的两个后代细胞彼此不分开，这件事实际上也挺容易实现。

一个有力地证据就是，生物学家们在实验室里已经能重现这个现象了。

比如，有研究发现，只需要改变酵母细胞内遗传物质DNA上的某一个位点，就能让酵母细胞只分裂不分离。最后，这种典型的单细胞生物，就会变成一个雪花片一样的多细胞形态。

多细胞形态的酵母

既然实验室里能非常轻易地实现这个过程，你就可以想象，在地球生命演化的过程中，多细胞生命形态的出现，也应该是非常容易的。

实际上也正是如此。通过分析今天地球上多细胞生物的遗传信息，人们已经可以推测：在整个生物演化的历史上，多细胞生命形态至少独立地出现过46次。也就是说，今天地球上的多细胞生命，有至少46个互相独立的源头。

你看，这个好像比出现LUCA（地球生命的最后共同祖先），比出现ATP合成酶，比出现线粒体这些革命性的事件要容易多了。

说到这里，我们基本解决了多细胞生物出现的技术问题，也就是“怎么变”的问题。我们先讨论这个问题，也是因为它解决起来比较容易。

但是接下来这个“为什么变“的问题，就没那么容易了。为什么多细胞生物会出现呢？

多细胞生物：为了更好地吃和避免被吃

你可能都不觉得这是个问题。生物进化从简单到复杂，从低等到高等，从单细胞到多细胞，这不是规律吗？

还真不是。我们上一个单元讨论过这个问题。地球生物演化根本没有方向性可言，只要能活下来，能繁殖后代，这样的生物就有优势，就会被选中。

从地球生命出现，到多细胞生物出现，长达20多亿年的时间里，地球上只有单细胞生物。一开始是细菌这样最简单的单细胞生物。在能量革命之后，出现了携带线粒体的单细胞生物。

但是无论如何，它们都还只是单细胞生物。即便到今天，地球生物圈里数量最多、种类最多、可能也是总重量最多的生物，仍然还是单细胞生物。

所以，多细胞生物的出现可不是什么历史必然。

我们可以反过来说：多细胞生物这种东西的出现，在技术上虽然很简单，但是既然它们出现之后还能活下来并且活得很好，这本身就说明，多细胞生物一定得具备什么特别的生存优势才行。

只有找到了这个生存优势，我们才能真正理解多细胞生物为什么会出现。

在这里，我先给出一个简化版的答案：多细胞生物的出现是为了更好地吃，也是为了更好地避免被吃。

其实，在之前的单元里，我们已经几次提起过单细胞生物可以互相吞噬。比如能量革命的起因可能就是一个大个儿的细胞，吞噬了另一个较小的细胞，但是却没有把它当食物消化掉，反而让它寄生在自己体内生产ATP。

实际上在单细胞生物之间，猫捉老鼠，老鼠躲猫的游戏，大概已经进行了好几十亿年。

可想而知，在这场生存竞争里，个头大一点是有好处的：对于捕食者来说，个头大就意味着有更强的吞噬能力；对被捕食者来说，个头大，也许就能逃脱魔掌。

但是怎么变大呢？

上一讲，我们讲过一个思路：拥有了线粒体之后，单细胞生物有了更多的能量，当然也可以长得更大。

但是我们必须得说，虽然线粒体提供了几乎是没有上限的能量供应，但是单个细胞的尺寸还是有个物理极限。

这里头的道理也不难理解：细胞如果长得太大，就算能量跟得上，物质交换的压力也会变得太大。因为细胞总需要穿过细胞膜，运进有用的物质，排出废物。

对于尺寸很大的细胞来说，用来进行物质运输的细胞膜的表面积就不够大了。所以在地球生物圈，虽然也存在巨型细胞，但是在大多数情况下，细胞的尺寸一般不会超过几个到几十个微米这个数量级。

单个细胞不能变大，生物体还想变大，那怎么办呢？

结合我们刚刚的讨论，一个简单的办法就是：从单细胞变成多细胞，靠细胞的数量取得尺寸优势，在吃和被吃的竞争中取得先机。

而且请注意，尺寸变大这件事，对吃和被吃的两方都有意义，而且能找到相关的证据。

先说被吃者的例子。

有一种很常见的单细胞生物——小球藻。它生活在水中，随波逐流，利用太阳光作为能量来源。

研究发现，如果在水中加入一种体型稍大、专门以吃小球藻为食的鞭毛虫，只需要短短一个月，或者10到20代的时间，小球藻就能迅速演化出一种多细胞形态——8个小球藻紧紧靠在一起，外面还包裹上一层厚厚的细胞壁。

这样一来，它的尺寸就大大超过了它们的天敌，从而逃脱了被吃的命运。

反过来，我们再来看一种捕食者——领鞭毛虫。

研究发现，这种以细菌为食的生物有个神奇的特性：它们能够在单细胞和多细胞两个形态之间切换。

科学家做了一个有趣的实验。在领鞭毛虫的培养液加入抗生素，抗生素能杀死里面所有的细菌，也就是它们的食物。在缺少了食物之后，领鞭毛虫的后代就不再是聚合在一起的多细胞形态了，而是进入单细胞的形态。

在单细胞（左）和多细胞形态（右）中自由切换的领鞭毛虫

反过来我们可以推测，领鞭毛虫的多细胞形态，很可能是因为需要捕食周围的细菌才出现的。

当它们发现环境中有很多食物后，它们就会迅速演化出多细胞形态，组团一起对付细菌的反抗，方便捕食。

所以你看，不管是被吃的一方，还是吃的一方，演化出多细胞形态，来增强自己的生存优势，都是一个显而易见，同时技术上又比较方便的选择。

这就很好地解释了，为什么单细胞生物古老而且强大，但是各种各样的多细胞生物还是会出现，并且一直繁衍生息到今天。

不过请注意，多细胞生物的大块头，并不是应对生存竞争的唯一选择，否则今天地球上就不会还存在单细胞生物了。

• 单细胞生物可以靠增加繁殖的能力，生得比吃得快，来持续生存繁衍下来；
• 它们也可以靠让自己变得更灵活、更坚固，甚至是有毒，从而活下来；
• 它们也可以躲在没有天敌的环境里活下来...

总而言之，生命演化没有明确的路径和方向，只要能活下来的，就是好的生存策略，而多细胞生命仅仅是其中一种。

当然，这种生存策略对于复杂生命的出现、人类的出现，都至关重要。

简单总结一下这一讲的要点。我们讨论了多细胞生命出现的两个问题：

1. “怎么出现”的技术问题相对容易解决，所以多细胞生物在历史上至少独立出现过好几十次；
2. “为什么”出现的问题相对来说更复杂一些。我们认为，多细胞生命的出现，是因为吃和被吃的生存竞争，让尺寸更大的多细胞生物有了生存优势。

在这里，我想给你留个思考题：在自然界有很多生物因为尺寸大获得了生存优势，比如雄孔雀的大尾巴。你还能想到其他生物的例子吗？欢迎你在留言区分享给我。

其实，增加尺寸，仅仅是多细胞生物一个非常直接和初级的优势。想要理解多细胞生物更大的优势，我们还是得从分工这件事说起。

我们下一讲见。

在整个生物演化的历史上，多细胞生命形态至少独立地出现过46次。