几何形状塑造早期多细胞性的演化

生物体通过一系列重大演化转变增加了复杂性，在这些转变中，原本自主的实体成为新型高层级实体的组成部分。某些重大转变后，高层级实体的一个引人关注的特征是其低层级单元之间出现了生殖劳动分工。尽管这种分工一旦建立便具有明显优势，但其起源尚不清楚。我们将近期关于酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的演化实验作为一个独特平台，以探讨个体性演化转变过程中的生殖分化问题。在该实验中，独立的酵母谱系为响应重力选择而演化出多细胞的“雪花状”簇群形式。在簇群演化后不久，酵母演化出了更高的细胞死亡率。虽然细胞死亡使簇群能够分裂并形成新群体，但也降低了它们在重力选择下的表现。为了理解细胞死亡率增加的选择价值，我们构建了雪花状酵母簇群内细胞排列的数学模型。模型揭示，细胞死亡机制与雪花状几何结构以复杂且具演化重要性的方式相互作用。我们发现，雪花状酵母的组织方式对新细胞生长的可用空间施加强了限制。通过更频繁地死亡，簇群中的细胞避免了遭遇空间限制，并且悖论性地达到了更高的数量。此外，对特定群体大小的选择可以从总细胞数和群体总数两方面解释细胞凋亡率的增加。因此，通过考虑原始多细胞生物的几何形状，我们可以洞察个体性演化转变过程中生殖劳动分工的初始出现。