“她爱我，她不爱我”：科学家提出，物理力量促进了多细胞生命的进化

人类喜欢认为多细胞（和更大的）是一个明确的优势，尽管地球上80%的生命由单细胞生物组成——有些生物在对任何野兽都致命的条件下繁衍生息

事实上，多细胞生命为什么以及如何进化一直困扰着生物学家。第一个已知的多细胞现象发生在大约25亿年前，当时海洋细胞（蓝藻）连接形成丝状菌落。然而，这种转变是如何发生的以及它给细胞带来的好处尚不清楚

海洋生物实验室（MBL）的一项研究展示了细胞间合作组织作为多细胞生命进化潜在力量的一个显著例子。该报告基于相对巨大的单细胞生物斯坦托的合作喂养流体动力学，发表在《自然物理学》上

普罗维登斯学院的约翰·科斯特洛（John Costello）是该研究的资深作者，也是MBL惠特曼中心的科学家，他与罗杰·威廉姆斯大学的合著者肖恩·科林（Sean Colin）一起说：“我们在进化中倒退了一步，回到了生物体独立的时代。为什么它们在相对于彼此的位置固定之前就聚集在一起了？”

埃默里大学物理学助理教授、MBL前惠特曼中心早期职业奖获得者、主要作者Shashank Shekhar说：“关于多细胞生命起源的许多工作都集中在化学上。我们想研究物理力在这一过程中的作用。”

一部Flowtrace电影显示了代表单个支架流场的粒子轨迹。这部电影由1.5秒移动窗口上的最大强度Z投影图像组成。来源：Shekhar等人，《自然物理学》，2025。多张嘴比一张嘴好。斯坦托是一种喇叭形的单细胞生物，可以长到2毫米长。在池塘或湖泊的原生栖息地，Stentor将其细长的一端（称为固定器）附着在叶子或树枝上，而喇叭端则自由摆动，形成一个水漩涡，用其纤毛排列的嘴吸入食物，如细菌

在实验室中，科学家们注意到，当将支架放入池塘水中时，它们会迅速形成一个动态的菌落，细胞实际上不会相互附着，但它们的固定物会在玻璃上接触在一起

通过量化流体流量，研究小组表明，与它们的个体容量相比，群体中两个相邻的支架动物可以将进入它们口腔的水流量增加一倍。这使它们能够吸入更多的猎物和更快游动的猎物，通过产生更强的涡流，从更远的距离席卷水中

Flowtrace电影显示了代表一对Stentor个体产生的流场的粒子轨迹。电影由0.5秒移动窗口上的最大强度Z投影图像组成。来源：埃默里大学的Shashank Shekhar说：“她爱我，她不爱我。”然而，研究小组发现，两个相邻的Stentor所获得的喂养益处并不相等。较弱的斯坦托从合作中获得的收益比较强的斯坦托更多。而且，奇怪的是，他们表现出Shekhar所说的“她爱我，她不爱我”的行为。当成对的支架将喇叭头一起摆动时，它们的液体流量会增加，但随后它们总是会振荡，再次拉开嘴巴。为什么

为了回答这个问题，他们转向了整个殖民地流体动力学的数学建模，由俄亥俄卫斯理大学的Hanliang Guo和南加州大学的Eva Kanso领导

郭和坎索证实了该群体中的“滥交”现象，即个体不断在相邻伴侣之间切换。结果是，平均而言，Stentor菌落中的所有细胞都获得了更强的摄食流

研究小组写道：“在一个群体中，即使一个人可能看起来正在远离一个邻居，但实际上它正在靠近另一个邻居。”。从进化的角度来看，这是有道理的，“因为人们被期望通过与对他们最有利的邻居交往来寻求最有利的能量回报。”Costello说：“你可能会认为他们总是试图优化自己的收入。”。整个殖民地收获了更多的食物

显示代表单个支架流场的粒子轨迹的Flowtrace影片。这部电影由1.5秒移动窗口上的最大强度Z投影图像组成。图片来源：埃默里大学Shashank Shekhar

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只是一个阶段

但请稍候。我们今天所知道和喜爱的斯坦托不是多细胞的。它形成的殖民地是短暂的；他们撞到实验台就四散了。如果个人共同受益于共同工作，为什么他们会再次分开

科学家们并不确定。但他们注意到，当它们给斯坦托提供充足的食物时，它们很乐意继续附着在玻璃上，成群结队地进食。但当食物被拿走并变得稀缺时，斯坦托人就会分离并进入个体觅食模式

Shekhar说：“人类也这样做。”。“当有足够的资源和猎物时，我们会合作。但当资源减少时，每个人都会各自为政。”

我们不是克隆

在其他早期多细胞生命模型中，如绿藻Volvox catei，未能正常分裂的细胞最终会在它们之间进化出一个基质，形成一个基因相同的细胞群，这些细胞后来会分化。但短暂的斯坦托群体不是由克隆人组成的，而是由基因上不同的个体组成的

这就是为什么科学家们认为他们的斯坦托模型先于其他早期多细胞模型（据信在不同谱系中至少进化了25次）

Shekhar说：“这是进化的早期阶段，在进化的早期，快乐的单细胞说，好吧，让我们一起出去玩并从中受益，但然后让我们再次回到单身状态。多细胞化还没有永久完成。”

Shekhar在2014年MBL生理学课程中与当时的课程联合主任、旧金山加利福尼亚大学Stentor专家Wallace Marshall一起开始了这项研究 More information: Cooperative Hydrodynamics Accompany Multicellular-like Colonial Organization in the Unicellular Ciliate Stentor, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02787-y

Journal information: Nature Physics