在亞特蘭大的一個實驗室裡，成千上萬的酵母細胞每天都在為生存而戰。 多活一天的那些長得最快，繁殖最快，形成的團塊最大。 大約十年來，這些細胞已經進化為彼此相連，形成分支的雪花形狀。
這些奇怪的雪花是探索數百萬年前單細胞生物首次結合成為多細胞生物時可能發生的事情的實驗的核心。 這個過程，不管它如何進行，最終導致了笨拙、極其怪異的生物，如章魚、鴕鳥、倉鼠和人類。
儘管多細胞生物被認為在地球生命史上至少進化了 20 次，但生物如何從單個細胞進化為多個具有共同命運的細胞還遠未明了。 但在 週三發表在《自然》雜誌上的一篇論文, 研究人員揭示了細胞如何開始將自身構建成身體的線索。 生產雪花酵母的團隊發現，經過 3000 多代後，酵母團塊變得如此之大，以至於肉眼都能看到。 在此過程中，它們從一種柔軟、黏糊糊的物質演變成具有木材韌性的物質。
佐治亞理工學院教授威爾·拉特克利夫 (Will Ratcliff) 在讀研究生時就開始了酵母實驗。 他受到密歇根大學生物學家 Richard Lenski 及其同事的啟發，他們培養了 12 瓶大腸桿菌，經歷了超過 75,000 代，記錄了自 1988 年以來種群的變化。 Ratcliff 博士想知道一項鼓勵細胞粘在一起的進化研究是否可以闡明多細胞性的起源。
“我們所知道的所有進化出多細胞性的譜系，都是在數億年前邁出這一步的，”他說。 “而且我們沒有太多關於單個細胞如何形成群體的信息。”
於是他做了一個簡單的實驗。 每天，他在試管中旋轉酵母細胞，吸起最快沉入底部的細胞，然後用它們培養第二天的酵母菌群。 他推斷，如果他選擇最重的個體或細胞團，酵母就會有動力進化出一種粘在一起的方式。
它起作用了： 60 天內，雪花酵母出現了。 當這些酵母分裂時，由於突變，它們不會彼此完全分離。 相反，它們形成遺傳相同細胞的分支結構。 酵母已經變成多細胞的。
但拉特克利夫博士在繼續調查時發現，雪花似乎從未變得很大，仍然頑固地保持在微觀狀態。 他認為他的團隊中的博士後研究員 Ozan Bozdag 在氧氣或缺氧方面取得了突破。
對於許多生物體來說，氧氣起到一種火箭燃料的作用。 它使獲取儲存在糖中的能量變得更加容易。
Bozdag 博士在實驗中為一些酵母提供了氧氣，並培養了其他具有突變的酵母，這些突變使它們無法使用氧氣。 他發現缺氧的酵母體積會爆炸。 他們的雪花越來越大，最終變得肉眼可見。 仔細檢查結構後發現酵母細胞比正常細胞長得多。 樹枝已經纏繞在一起，形成了密密麻麻的一團。
科學家們認為，這種密度或許可以解釋為什麼氧氣似乎阻礙了酵母的生長。 對於可以使用氧氣的酵母來說，變大有明顯的缺點。
只要雪花保持很小，細胞通常就能平等地獲得氧氣。 但是大而緻密的團塊意味著每個團塊內的細胞都與氧氣隔絕了。
相比之下，不能使用氧氣的酵母沒有什麼可失去的，所以它們變大了。 這一發現表明，餵養集群中的所有細胞是生物體在多細胞化過程中面臨的權衡取捨的關鍵部分。
形成的簇也很堅硬。
“打破這些東西所需的能量增加了超過一百萬倍，”佐治亞理工學院教授、該論文的合著者彼得云克說。
拉特克利夫博士說，這種力量可能是多細胞生物發展又一步的關鍵——循環系統之類的東西的發展。 如果大團塊內部的細胞需要幫助獲得營養，那麼一個足夠強壯以引導液體流動的身體是關鍵。
“這就像用消防水龍帶射入酵母簇，”Yunker 博士說。 如果細胞團很弱，那麼在每個細胞獲得營養之前，營養物質的流動就會破壞它。
該團隊現在正在探索密集的雪花酵母團塊是否可以開發出向其最內層成員獲取營養的方法。 如果他們這樣做了，亞特蘭大試管中的這些酵母可能會告訴我們一些關於很久以前的事情，那時你和你周圍的許多生物的祖先第一次開始用細胞構建身體。
