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【科學講堂】細胞單到多 演化里程碑

2018-07-11

空氣含氧量不足或影響細胞分裂

大家知道生物由細胞組成,好比長城是由石塊砌成一樣。有些生物如細菌、酵母的構造相對簡單,一個細胞就是牠們的整個身體了,但如人類、貓、狗,即使看似簡單的海參及水螅,便是由許多細胞所組成的多細胞生物,相對於細菌自然是複雜得多。

互補不足 成就更佳

我們常說在群體中大家各展所長、分工合作,互補不足,所能達至的成績,往往能比孤軍奮戰更佳。同樣道理,多細胞生物的不同細胞,專注於不同工作,與此同時共享營養和氧氣,令多細胞生物能在不同環境生存。

因此從單細胞生物演化成多細胞生命,乃物種演化中一個重大里程碑,但這里程碑不容易達成:細胞們需組織成一個「同生共死」的生物,必須學會如何互相協調,有時部分細胞更可能要自我犧牲,以求「成全大我」,令所屬的生物活得更好。

正因如此,科學家們普遍認為這個從單細胞到多細胞演化得來不易。

我們還未能完全確定地球首隻多細胞生物在什麼時候出現,但在地球歷史裡,這個步驟花約數百萬至幾十億年的時間。

今天與大家分享這方面的最新發展:從單細胞到多細胞生命,過程可能沒有想像中困難。

菌類(即日常生活常見的菇類)和海藻,分別包含了很多不同種類的植物,當中既有單細胞,也有多細胞。匈牙利的生物學家LhszluNagy分析了多種菌類,及多種海藻的親屬關係,發現不少從單細胞物種,演化到多細胞菌類/海藻的例子。這個演化的里程碑,可能比想像中容易達成呢。

地球早期缺氧 影響細胞成長

美國某大學實驗人員William Ratcliff,嘗試在實驗室中複製這個演化過程。他在試管中培育酵母,並挑選其中較大、較快的酵母,沉到試管底部,繼續進行培育,一代一代以這種方式讓酵母繁殖下去。

結果在兩個月內,原來是單細胞的酵母的後裔不再「形單影隻」,而是一顆接一顆連結在一起,恍如一隻雪花形狀的多細胞生物。

其中有些酵母細胞會犧牲自己提早死亡,讓一個較大的酵母族群從中分開,分裂為較小的部分。這就好像酵母是以族群為單位來繁殖,而不再是獨立活動了。

不過假若演化成多細胞生命是那麼容易,我們地球上的生物又為何用了那麼長的時間去完成這一步?

這可能是因為多細胞生物需要空氣中較多的氧氣去支持,而地球早期大氣層中的氧氣不足,所以早期的單細胞生物一直是等待氧含量上升,為牠們提供演化成多細胞生命的適當環境。

小 結

有科學家提出,癌細胞不顧其他細胞的狀況,只是一味想茼菑v的生長,正好跟單細胞同舟共濟,組成多細胞生物的現象相反。因此研究最初細胞為什麼會組合起來,也許在未來對了解癌症的成因會有很大的裨益呢!

作者簡介:張文彥 香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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