复杂性的高昂代价：新研究探索多细胞生命的能量需求

Josiah02

8 亿至 8 亿年前，地球上的生命处于低迷状态。在这段被称为“无聊十亿年”的时期，生命的复杂性仍然很小，主要由单细胞生物组成，只有偶尔才会演化为多细胞生物。这个时代为后来复杂的多细胞生命的出现奠定了基础，标志着进化史上的关键一章。
在一项新研究中，亚利桑那州立大学研究员迈克尔·林奇探索了维持和进化多细胞生命所需的大量能量需求。该研究以水蚤为模型生物，揭示了多细胞生物所需的能量明显多于单细胞生物。事实上，研究表明，与原生生物（更简单、大多是单细胞生物）相比，这些生物所需的能量增加了十倍以上。
研究结果强调了呼吸作用和其他代谢过程对于高级生物体的发展至关重要，揭示了维持当今我们周围大量复杂生命所需的条件。此外，该研究强调了可能与任何碳基、氧气呼吸生命形式相关的基本生物过程，无论其行星起源如何。
“没有人怀疑多细胞生物能带来巨大的优势，但获得这种好处的特权需要付出高昂的投资成本，”亚利桑那州立大学生命科学学院教授、亚利桑那州立大学进化机制生物设计中心主任林奇说。这项研究发表在最新一期的《美国国家科学院院刊》上。
推动复杂性
每一个生物体，从单细胞细菌到人类，都依赖能量生存。单细胞生物缺乏复杂的组织和系统，因此生长和繁殖所需的能量相对较少。但多细胞生物（由许多细胞组成的生物体，如植物、动物和真菌）需要更多的能量来维持额外的结构，如帮助细胞交流和粘在一起的组织。
能量需求的激增源于一些结构的进化，这些结构并不直接促进生长或繁殖，但对多细胞生命至关重要。这些特征使生物体变得更大、更灵活，但它们也增加了生存所需的能量成本。
了解多细胞生命的能量需求的一种方法是研究 ATP 合酶，它是细胞中的一种分子机器，可产生 ATP，即生物体中的通用能量货币。多细胞生物严重依赖 ATP 合酶，因为多细胞体中的每个细胞都需要支付能量，而能量成本会随着细胞数量的增加而增加。
研究表明，与更简单的单细胞生物相比，多细胞生物或后生动物需要更多的 ATP 合酶复合物。随着每个新细胞的产生，对能量化合物的需求也随之增加。在多细胞生物中，例如水蚤（一种微小的水生动物），能量需求会随着体型的增大而显著增加，但这一普遍原则似乎适用于所有其他动物，包括脊椎动物。
对于每单位体重，这些生物所需的氧气量是原生生物的 30 到 50 倍。这些额外的氧气支持着它们对细胞通讯和组织维护的复杂需求。水蚤在多细胞生物中相对简单，而且在实验室环境中易于培养，因此研究人员可以利用它们仔细研究这些能量动态。
扩大规模并不便宜
虽然较大的单细胞生物（例如某些变形虫）在生长过程中会变得更有效率，但多细胞生物在体型增大时每单位生物量需要的能量更多。这种差异凸显了多细胞生物在进化过程中带来的独特挑战。组织的生长和支持多细胞功能的系统的发展需要更多的 ATP——这导致这些生物生长和成熟的速度受到代谢“速度限制”。
考虑到高昂的能量成本，为什么多细胞生物会进化呢？答案可能在于多细胞生物提供的进化优势，包括大量食用单细胞生物、躲避捕食者和栖息于多样化环境的能力。但这种生活方式是有代价的：生物体必须不断满足高昂的基础能量成本才能生存。
尽管多细胞生命的能量需求巨大，但这些成本与生存利益相抵消。能够满足这些能量需求的后生动物在进化上取得了更大的成功，形成了我们今天看到的复杂生态系统。然而，这种高能量生活方式也限制了生物的生长和繁殖速度，影响了生命之树上多细胞物种的形状和寿命。
走向新发现
这项研究的重点是进行有氧呼吸的类动物生物。为了充分了解复杂性的能量成本，研究人员计划将这些发现扩展到其他生命形式，包括植物和真菌，它们可能具有独特的能量策略。这项研究为理解多细胞生命形式为何需要相当长的时间才能在地球上出现和多样化提供了额外的线索。
对多细胞生命高能量需求的洞察表明，生物能量的限制可能是一种普遍现象。能量转换和消耗的原理，例如 ATP 合酶的作用及其能量成本，是基本的生物过程。它们可能适用于任何以碳为基础、呼吸氧气的生命，无论它存在于宇宙的哪个地方。