10 億年から 20 億年前まで、地球上の生命は単細胞生物のスープに限られていた。そしてある運命の日、孤独な独房が共同生活のために孤独を明け渡した。それは偶然の突然変異を開発し、その子孫がくっつき、最終的に最初の多細胞生命を生み出しました. 
このシンプルな革新により、可能性の世界が一気に広がります。これらの新しい生物は大きすぎて食べられず、そのマンモスサイズにより、環境からより多くの食物を取り込むことができました.最も重要なことは、束内の個々の細胞が特殊化を開始し、狩猟、食事、防御などの新しい機能を担う可能性があることです。多細胞性への移行は非常に成功したため、地球の進化の歴史の中で何度も何度も発生しました — 少なくとも 25 回、おそらくそれ以上です.
多細胞性には明らかな利点があります。動物、植物、菌類の形態と機能の動物群を見てください。しかし、科学者たちは、この変化がどのように起こったかについて長い間困惑してきました.真の多細胞生物は 1 つの単位として機能します。つまり、各細胞は、個体として生き残るためにその意志を放棄し、より大きなグループの生存を確保するために行動しなければなりません。アリゾナ大学ツーソン校の進化生物学者であるリチャード・ミチョッドは、次のように述べています。
科学者たちは、実験室で多細胞性の進化を再現することによって、プロセスへの洞察を得ています。彼らは実験的進化として知られるアプローチを使用して、酵母、藻類、バクテリアなどの単細胞微生物を刺激し、多細胞形態を発達させます。
ウィル・ラトクリフ
ビデオ: スノーフレーク酵母は、娘の塊を解放することで繁殖します。ほとんどの多細胞生物と同様に、娘の塊の各メンバーは単一の細胞から派生しています。
ワシントン大学（シアトル）の生物学者で、進化の主要な変化を研究している研究者の 1 人である Ben Kerr は、次のように述べています。しかし、それぞれの移行には、実際には一連の小さな進歩が含まれていました。有機体は、より大きな全体の中で連携し、協力し、分割し、専門的な仕事を開発するための効果的な方法を進化させなければなりませんでした. 「私たちは大きな飛躍とは逆のことをしようとしています。私たちは、進化のための 1 つの大きな飛躍を、理解できる一連の小さなステップに分割しようとしています。」
アトランタにあるジョージア工科大学の生物学者であるウィリアム・ラトクリフと彼の共同研究者たちは、多細胞性への驚くほど単純な経路を発見しました。それは、母細胞を娘細胞に接着させて雪の結晶のような形を作る酵母の単一の突然変異です。これらの雪片は、多細胞性の主要な落とし穴の 1 つであるチーター問題 (怠惰な細胞が協調的な細胞を利用する詐欺師の問題) に対する巧妙な解決策を提供する方法で成長および分裂します。この研究は真の多細胞生物を生み出したわけではありませんが、スノーフレーク イーストは、生命が主要な生物学的変化に向けて最初の一歩を踏み出すことがいかに簡単であるかを示しています。
降る雪
ラトクリフは、まだミネソタ大学の大学院生だったときに、多細胞性の探求を始めました。 Ratcliff 氏によると、一連のコーヒーを飲みながらの会話の中で、Ratcliff 氏と彼の共同研究者である Michael Travisano 氏は、「私たちができる最もクールな実験」についてブレインストーミングを始めました。生物学における最大の未解決の問題、つまり生命が最初にどのように始まったかに取り組むことは、自分たちの操舵室からあまりにもかけ離れていると、2 人は判断しました。多細胞生物はどのように進化したのか?その変化を解きほぐすために、研究者は単細胞酵母を多細胞生物に変換して、それを再現しようとしました.
Ratcliff と Travisano は、酵母を多細胞化させる簡単な方法を開発しました。彼らは微生物を試験管で培養し、1 日 1 回遠心分離機で回転させました。最大のセルまたは一緒にクラスター化されたセルは、最も速く沈みました。毎日、彼らは最速のシンカーを選択し、それらの細胞に別の実験ラウンドを挑みました。 24 時間 (酵母のおよそ 7 世代分) の間に、細胞は何万もの突然変異を蓄積しました。
その後、実験を開始して数週間後、いくつかのチューブの組成が突然変化しました。細胞は大きなクラスターを形成し始め、単一細胞の絹のような溶液が粒状の塊に変化しました。酵母の 100 世代 (約 2 週間) 以内に、人口はほぼ完全にスノーフレーク酵母に移行しました。
「私はうんざりしていました」とラトクリフは言いました。 「それは異常で、速く、劇的でした。」顕微鏡下で溶液をのぞき見ると、単一細胞が今や少数派であることが明らかになりました。 「私たちは主に、これらの美しい球状の枝分かれしたものを見ました。」
通常の酵母は世代ごとに分裂して分散しますが、スノーフレーク細胞は分裂して付着します。娘細胞は赤ちゃんカンガルーのように母親にしがみつきます。その後、母と娘は何度も分裂し、それぞれ別の愛着のある子孫を生み出します。
スノーフレーク酵母の進化は、単なる細胞の塊以上のものを生み出しました。野生酵母株は、細胞同士を接着させる粘着性タンパク質を表面に生成することがあります。フロック酵母として知られるこの粘り気のあるフォームは、新しく醸造されたビールから簡単に取り除けるため、醸造者に好まれます。
しかし、スノーフレーク酵母はフロックとはかなり異なります。フロック酵母細胞は分裂して分離し、次に凝縮して遺伝的に多様な山になります。スノーフレーク酵母は、関連性の高い塊で成長します。ラトクリフらは、細胞の単純な塊と、真の多細胞性を進化させることができる凝集単位とを区別していると言うのは、この違いです.
スノーフレーク酵母が真に多細胞であると見なされるかどうかは、答えるのが難しい問題です.単細胞生物と多細胞生物の間に明確な境界線はありません。ラトクリフはこの移行を彼が金持ち、貧乏人問題と呼んでいるものになぞらえています。米国中のすべての人を集めて富の順に並べると、最も裕福な人々が一方の端に着地し、最も貧しい人々が他方の端に着地します。これらのスペクトルの極端な端を見るだけで、金持ちと貧乏人の特徴を定義するのは簡単です.しかし、人々の列を下って行くと、裕福なグループが終わり、貧しいグループが始まった厳密なポイントを定義することは不可能です.この類推により、スノーフレーク イーストは多細胞の中流階級に属します。
個性の本質
6 年前のクリスマス頃、ラトクリフはスノーフレーク酵母の写真を、個性の性質を研究している歴史家の同僚のドアの下に滑り込ませ、個体を特定するように依頼しました。 ?歴史家は、雪片にサンタの帽子を描きました。これは、多細胞エンティティを選択するための皮肉な方法です。
Ratcliff は、個人をどのように定義するかという問題に取り組もうとしていました。これは、表面的には単純な問題の 1 つであり、実際には非常に複雑です。生物学者は、個人を特定する正確な資格については同意していませんが、幅広いガイドラインを持っています.スノーフレーク イーストは、多くの重要な要件を満たしています。
まず、スノーフレーク内の個々の細胞は、全体に利益をもたらすために自分自身を犠牲にしているように見えます.スノーフレーク酵母が特定のサイズに達すると、塊内の細胞が自殺し、親クラスターから小さな娘の塊が解放されます。 「それは非常に詩的です。個々の細胞の死は、新しい多細胞生物の誕生に直接貢献しているようです」とカーは言いました.このプロセスは、生物内の分業の始まりを示しています。個々の細胞には、その役割が単に死ぬことであっても、果たすべき明確な役割があります。 「それは個々の細胞の利益になるのではなく、関心をより高いレベルに移したのです。」
スノーフレーク酵母は、私たち全員が経験する遺伝的ボトルネックも反映しています.私たち一人一人は、私たちの体を構成する組織の複雑な層を作り出す受精卵である単一の細胞として始まりました.スノーフレーク酵母の各娘枝は、同じ親細胞に由来する細胞で構成されています。どちらの場合も、得られる細胞のブロックは遺伝的に同一か、ほぼ同一です。
この均一性は、チーター細胞の拡散を防ぐために不可欠です。チーター細胞は、怠惰なルームメイトに相当する単細胞細胞で、みんなの食べ物を食べますが、買い物に行くことも請求書を支払うこともありません。詐欺師の微生物は、隣人から資源を盗み、すべてのエネルギーを繁殖に費やし、より勤勉な細胞を急速に圧倒します。 (がんは、私たち自身の体内の詐欺師の例です。遺伝的に異なる細胞は、自分自身の最善の利益のために行動し、より大きな実体を危険にさらします.)
スノーフレーク酵母では、単一細胞のボトルネックは、チーター細胞がチーターのコミュニティで立ち往生していることを意味します.グループは単独では存続できなくなります。 「多細胞生物が単細胞段階を通過する理由の最も単純で最も一般的な説明は、生物を構成するすべての細胞が可能な限り完全に互いに関連していることを確認することです」と進化生物学者のリック・グロスバーグは述べました。カリフォルニア大学デービス校で。 「誰もが同じ遺伝的関心を共有しています。」ボトルネックは同盟を強いる。
おそらく、多細胞生物としてのスノーフレーク酵母の地位を支持する最も重要な議論は、自然淘汰がスノーフレーク全体に作用しているということです.新しい一連の実験で、Ratcliff のチームはスノーフレーク イーストとフロック イーストを直接対決させています。予備的な結果は、雪片が何度もフロックを絶滅に追いやることを示しています。 「それらは多細胞生物と同じように進化しています」とラトクリフは言いました。 「選択はグループに作用し、グループは選択に反応します。」
しかし、スノーフレーク酵母は、多細胞性の重要なテストの 1 つである非分割性に失敗しています。 「小さな部分に切り刻んで、全体の特性を維持することはできません」と Michod 氏は言います。スノーフレーク酵母ができます。このため、「スノーフレーク イーストは真の多細胞生物ではないと思います」と Michod 氏は述べています。 「しかし、彼らは確かにその道を進んでいます。」
進化の加速
スノーフレーク酵母菌株は現在、1 年以上にわたって進化しており、変化を続けており、世代ごとに大きく丸みを帯び、祖先よりも速く沈んでいます. 「これらのダーウィンのプロセスが何千世代にもわたって実験室で行われているのを見ることができます」と Ratcliff 氏は言いました。
進行中の移行は、多細胞性の遺伝的基盤を研究するための強力なツールを研究者に提供しています。 Ratcliff は、スノーフレーク酵母細胞が特定の方法でくっつくことを可能にする遺伝子変異の 1 つをすでに特定しています。彼は、多細胞性への切り替えに関与する追加の突然変異を特定したいと考えています。これにより、プロセスの根底にあるメカニズムが明らかになるでしょう。スノーフレーク酵母は、多細胞性が地球上で最初にどのように進化したかを直接明らかにしないかもしれませんが、そこに到達するために必要な一般的な進化プロセスを強調するはずです。基本的な多細胞性が非常に簡単に作成できるという事実は、「完全な洞察ではないにしても、深い洞察です」と Grosberg 氏は述べています。
さらに、実験室で進化した多細胞性は酵母に限定されません。科学者は、他の単細胞生物を多細胞化することもできます。 Ratcliff と共同研究者の Matthew Herron と Frank Rosenzweig は、ミズーラ州にあるモンタナ大学の生物学者であり、単細胞藻類 Chlamydomonas reinhardtii を形質転換できることを示しました。 多細胞体に。 Ratcliff の酵母研究に対する批判の 1 つは、いくつかの天然酵母が多細胞形態を持っているということであり、彼の実験は単に潜在的な才能を回復させている可能性があることを意味するため、これは特に重要です。
研究者たちは、酵母の場合と同様の実験を行い、最も速く沈む細胞を選択しました。しかし、彼らはまた、藻類が自然界で経験する可能性が高い選択圧も採用しました。それは、より大きな多細胞塊を食べることができないゾウリムシなどの捕食者です。捕食者によって引き起こされた系統は、重力によって引き起こされたバージョンとは異なる種類の多細胞性を発達させました。これらの多細胞 クラミドモナス 同じ細胞壁内に球状の細胞塊が含まれています。
藻類が多細胞化へのさまざまな経路を思いついたことは、それほど驚くべきことではありません。この変換は、植物、動物、菌類で数十回、場合によってはそれ以上、独立して進化しました。そのため、移行を行う際の問題にはさまざまな解決策がある可能性があります。 「多細胞性への扉を開く可能性のある遺伝子の鍵は何ですか?」ローゼンツヴァイクは言った。 「これは、異なるシステムを比較することによって得られる 1 つのことです。」
研究者はまた、これらのクラスターがどのようにしてより複雑になり、うまく運営されている工場のようにジョブを分割するのかを知りたいと考えています。 「多細胞生物は、どのようにして生物の中で協調的に働く分化した細胞型へと次の大きな飛躍を遂げるのでしょうか?」 Rosenzweig は言いました。
Rosenzweig は、Chlamydomonas を使った彼の研究室で進行中の実験について言及しています。 単細胞藻類には、細胞を光に向かって推進する尾のような付属肢である鞭毛があります。 クラミドモナスの多細胞バージョン べん毛もあるが、大きな細胞壁の中に閉じ込められて役に立たない。 「まるで救命ボートに乗っていて、オールが水ではなく空中に浮いているようなものです」と Rosenzweig 氏は言います。べん毛を使うには、クラミドモナス 適切な場所に移動し、動きを調整する方法を進化させる必要があります.
Ratcliff は、彼のスノーフレーク酵母が最終的にこの種の複雑さを発達させることを望んでいます。おそらく、細胞の自殺を促進するメカニズムは、より洗練された機能に進化するでしょう。おそらく、十分な時間があれば、数十億年前に多細胞性への移行が大規模で複雑な生命の世界をもたらしたのと同じように、新しい多細胞形態はさらに驚くべき能力を進化させるでしょう. 「この研究が非常に興味深い理由の 1 つは、真正な主要な移行の始まりをリアルタイムで説明していることです」とカー氏は述べています。
