导读： 一项新实验将 酵母菌 种群演变成包含超过 400,000 个细胞的簇，这是从较小的细胞簇的重大飞跃。当这些 酵母菌 簇被挤压时，它们会分化成分支细胞组，如图所示。图片来源：OZAN BOZDAG 多年的实验让 酵母菌 簇更大更强，让科学家更容易理解 酵母菌的结构,酵母菌的结构图 一项新实验将酵母菌群进化成包含40万以上细胞的团簇，与较小的细胞团簇相比是一次重大跨越。当这些酵母菌团簇受到挤压后，它们会分化成成群的分支细胞，如图所示。图源： OZAN BOZDAG一项耗时多年的实验让酵母菌团簇变得更大、更坚固，为科学家理解地球上早期复杂生命形成过程提供了线索。 撰文：MICHAEL GRESHKO 走到户外，无论你到哪里，都会有一大群多细胞生物迎面而来，从蘑菇到树木，从鱼类到海藻，不一而足。但是，对于地球上35亿多年前的许多生命而言，我们如今在植物、动物、藻类、真菌中所看到的复杂性却并不存在。 生命，究竟是如何从单细胞演化成为如今查尔斯·达尔文所说的“无穷形式的极美”的呢？细胞最初是如何聚到一起，学会协作，产生出包含几百万、几十亿甚至几万亿个细胞的器官的呢？ 科学家至今仍不清楚这一转化是如何发生的，但多亏了酵母菌这种平凡的菌类，他们可能距离揭开谜底更近了一步。美国佐治亚理工学院的研究人员在一项新实验中观察到酵母菌群的演化过程，每群酵母菌都变成了含几十万个细胞的团簇（同类中最大的），这使得科学家得以对复杂多细胞结构的可能起源开展研究。 这项新研究成果已投稿至《自然》期刊，并已在线公布预印版。该研究产生了几毫米宽的酵母细胞团块，每个团块含有大约45万个细胞，团块尺寸是同类中最大的。在该过程中，酵母也从比明胶软一百倍变成了像木头一样硬，而这是酵母进化出巨大、纠缠的细胞网络所导致的。该论文的合著者、佐治亚理工学院的进化生物学者Will Ratcliff称：“一切都是惊喜。这是我们迄今写出的最酷的论文。”  实验所用的原始酵母菌团簇（左图）很小，足以悬浮在液体中。但经过600天的演化后，研究人员观察到了大得多的团簇构造（右图）。图源：OZAN BOZDAG AND WILLIAM C. RATCLIFF 酵母菌的巨大转化凸显了自然选择塑造生命的力量。由于这项实验预计将持续数年，未来研究这些酵母群后代的科学家可能会发现形成更复杂生物类型的关键因素。 一个细胞，两个细胞，喂养细胞，培养细胞. 纵观整个进化史，由几百个细胞组成的球状或片状的简单多细胞生物出现得相当频繁，比如绿藻类的团藻（Volvox）能形成像球一样的中空的种群。但复杂的多细胞生物在生命之树上却只出现过6次：植物、动物，两组真菌和两组藻类。 佐治亚理工学院培养的酵母并不具备这种水平的复杂度，因为每团酵母只包含一种酵母细胞，而非构成复杂生命体的多种类型的组织。但是，这个实验室模型可以代表早期的多细胞生物，它们只是想弄清如何将许多细胞聚集在一起而不散开，这有助于揭示这些进化飞跃背后的基本规则。 在实验室中尝试模拟进化，已有100多年的历史。其中最著名的实验来自20世纪80年代美国密歇根州立大学的生物学家Richard Lenski。他的实验观测了大肠杆菌演化了6万多代。期间，一些大肠杆菌已经获得了在氧气环境中吃下柠檬酸盐的能力，而野生环境中的大肠杆菌却从来不会这样。 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 随着试验继续进行，Bozdag和Ratcliff观察到，最大的团簇中的细胞开始变得越来越狭长，与其近乎球形的祖先大不相同。酵母菌团簇中进化后的细胞与其最初萌发的细胞之间的接触点更大，很可能会强化团簇的分支。  在显微镜下，团簇大小的进化变得更为明显。在进化3000多代之后，酵母菌团簇的体积增长了大约20000倍，从一小块（右上角）变成了一大团（中间）。图中左下角的比例尺的长度为0.05mm。图源：OZAN BOZDAG 科学家惊讶地发现，进化后的酵母菌团簇像木头一样坚硬，比之前预想得更为坚固。起初，其强度增加的原因完全是个谜团。 经过几个月的研究，该研究论文的合著者、佐治亚理工学院之前的博士生Seyed Alireza Zamani-Dahaj在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校用强大的扫描电镜观察了几瓶这种野蛮生长的酵母。他将酵母菌团簇嵌入树脂中，并使用极其精细的金刚石刀片逐渐暴露酵母菌层，以便在显微镜下进行扫描。 Zamani-Dahaj花了六个月的时间将大量2D扫描图像转换成一个团簇内部的3D模型。完成后，他意识到团簇的细胞分支紧密交织在一起，这使得分支内部的任何一个断裂都很难破坏整个结构。 让生命绽放 尽管佐治亚理工学院不断进化的酵母团为探索复杂生命的起源提供了令人兴奋的新工具，但它们并不代表多细胞生命起源的确切方式。植物和人类并非从酵母菌进化而来，毕竟酵母菌本身就是高度进化后的菌类，而非几十亿年前第一次聚集在一起的基础细胞。 现代酵母菌在无氧环境下的新陈代谢，可能也无法反映出早期复杂多细胞生命的生活方式。哈佛大学的古生物学家Andy Knoll指出，现代发酵用的酵母菌的祖先似乎需要氧气才能生存，而其后代可能进化出了发酵功能，以应对开花植物，以及它们高糖的果实的到来。 英国巴斯大学的进化生物学家Tiffany Taylor（并未参与本研究）称，这项实验真正的力量在于再让它进行几十年，正如Richard Lenski对大肠杆菌的实验那样。只有这样，进化才将把酵母菌带向一个真正无法预料的境地。` 随着酵母菌团簇变得越来越大，在每个团簇内获取资源将越来越成问题，团簇内部深处的细胞将面临饿死的风险。酵母菌簇是否会偶然发生突变，使它们形成气孔或通道，以便营养物能扩散到核心？最后，酵母菌是否会发育出不同类型的细胞，每种都有特别的分工，如同一个真正的多细胞生物？ 没人知道答案，Ratcliff和Bozdag也一样。找到答案的唯一方法就是做出毕生的承诺，让这个实验持续数年甚至数十年再看。 Ratcliff说：“没多少人愿意做一个为期30年的进化实验。但我认为它的回报将会很丰厚。” （译者：高召锋） 总结：以上内容就是对于酵母菌的结构,酵母菌的结构图的详细介绍，文章内容部分转载自互联网，希望对您了解酵母菌的结构有帮助和参考的价值。
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