杂技师般鞭毛虫可以帮助解释多细胞生物是如何进化的
来源：Science News | 作者：Jonathan Lambert |2019年11月9日|翻译：聚生物
一种新发现的单细胞生物，领鞭毛虫（choanoflagellates）形成了许多个体的阵列，它们可以迅速地从进食模式(左边)转变为游泳模式(右边)。
领鞭毛虫没什么大不了的。但是这些单细胞生物中的一个新物种，即动物最接近的进化近亲（SN:7/29/15），可以为生物学中的一个基本问题提供重要线索：很久以前，单细胞是如何结合在一起形成能够移动、捕猎和隐藏的多细胞联盟的？
大多数鞭虫过着简单而孤独的生活。因此，当细胞生物学家、加州大学伯克利分校霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)研究员妮可·金(Nicole King)和她的同事们从加勒比海库拉索岛(Curacao)沿岸的一个浅水池中采集的样本中发现了数百个这样的有机体时，他们感到很惊讶。这些细胞形成了一个凹形的薄片，其尾部状的鞭毛从杯状的一侧伸出。
接下来发生的事使科学家们大为震惊。一致地，这些生物组成的薄片倒扣成一个球形，微小的鞭毛像小桨一样向外摆动，使得这些生物游得更快。因此，研究小组将这种新物种命名为Choanoeca flexa（C. flexa）。
“这是一种疯狂的行为，与我们在鞭毛虫身上听说过的任何行为都不同，”金说，“我们必须弄清楚它们是如何做到的。”
金和她的同事在10月18日的《Science》杂志上发表的报告中说，这种集体行为来自细胞对光线变化的简单反应。研究人员认为，这一新物种可能为动物进化的关键一步是如何发生的提供线索。“另外，这真的是一个很酷的现象，”金说。
亚特兰大佐治亚理工学院的进化生物学家威廉·拉特克利夫(William Ratcliff)没有参与这项研究，他同意上述观点。虽然不可能回到过去去观察动物和鞭虫的共同祖先是如何进化成更复杂的多细胞生物的，但他说，“这项研究打破了这种巨大的跳跃，并展示了单细胞是如何适应并在多细胞水平上变得更复杂的。”
为了更清楚地了解C. flexa, 金的团队把这些微生物带回了实验室。每个个体都像一个光滑的球体。从一端开始，许多微小的触须状突起形成衣领，突出的是一个单一的、较长的鞭毛，延伸到衣领之外。
单个的鞭毛虫通过接触这些项圈连接在一起。在凹形结构中，鞭毛全部指向内圈，“这有助于以细菌为食，”King说。当这些生物翻转成一个更大的球体时，鞭毛都指向外，变成了数百个有助于游泳的小桨。
微小的杂技演员
Choanoeca flexa是一种被称为choanoflagellate的单细胞微生物的新物种，它聚集在一起形成许多个体的群体。它们的尾巴状的鞭毛向外伸出，形成一个球形，以帮助它们游泳，但在进食时，它们的鞭毛向内伸出，可以很快地变成一个放松的片状。
图片来源: T. Brunet et al/Science 2019
究竟是什么引发了C. flexa的转变一直是个谜，直到研究人员注意到，当微生物暴露在显微镜下太长时间后，这种翻转就停止了。金突发奇想，试着先把灯关掉，然后再把灯打开。在黑暗中，C. flexa倒置成球形。“然后我们再做一次，再做一次，再做一次，每次我们改变光照，它们就会翻转成片装。”
研究人员还没有完全阐明这一机制，但他们已经证实，一种名为视紫红质(rhodopsin)的光敏蛋白发挥了作用。这种集体行为似乎不是细胞间复杂交流的结果。更确切地说，它是由简单的、肌肉样的收紧或放松每一个鞭毛虫的附肢（鞭毛）产生的。在平板模式下，所有单元的“领子”更紧，将单元拉成略微凹陷状。当光线改变时，每个细胞的“领口”变宽，共同迫使群体翻转成一个球体。
拉特克利夫说，单只领鞭毛虫（choanoflagellate）的这种变化不会有多大意义。但这些简单的个体行为加在一起就产生了一种全新的行为——游泳或呆在原地进食。“这是一个很好的例子，说明了简单的细胞群是如何获得这些突现的多细胞特征的，”他说。
金不确定为什么光的变化会引起这种反应。但她指出，在黑暗中游泳速度更快，而待在光线充足的地方，其结果是C. flexa倾向于移动到光线充足的地方，那里可能有更多的食物。单个细胞不能有效地游向光；C. flexa群体却可以。
金说，这种变形的重要性远远超出了鞭毛虫。动物发育的关键组成部分包括胚胎发育时组织的折叠。“我们的研究表明，这种折叠所必需的基本细胞机制早于动物的起源，”她说。
Citations
- Brunet et al.Light-regulated collective contractility in a multicellular choanoflagellate. Science. Vol. 366, October 18, 2019, p. 326. doi:10.1126/science.aay2346.
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