HS-3被镀菌落的图像，显示其特有的透明、彩虹色外观。图片来源:Kouhei Mizuno
日本科学家在一个洞穴中发现了一种具有多细胞行为和独特的两阶段生命周期的细菌。
这种名为HS-3的细菌是从周期性被地下河流淹没的石灰岩岩壁中分离出来的。HS-3有两个不同的生命阶段;在固体表面上，它自组织成具有类似液晶性质的层状结构菌落。HS-3菌落成熟成一个半封闭的球体，其中包含“子”芽孢杆菌细胞簇，或短杆状细胞，当与水接触时释放出来。
“多细胞生物的出现是地球上生命最大的谜团之一，”通讯作者、日本东京国立理工大学(KOSEN)教授Kouhei Mizuno说。“关键是，我们已经知道多细胞生物的优越功能和适应性，但我们对它的起源几乎一无所知。既定的功能和适应性不一定是它们自身形成的动力。多细胞生物的一个奇特之处在于“个体的利益”与“群体的利益”之间的冲突，这种冲突必然存在于进化过渡的早期阶段。除了理论模型，我们没有一个好的现有模型来研究多细胞。”
其中一个被称为“生态脚手架”的模型认为，环境对正在发展的种群施加了选择压力，认为达尔文的自然选择学说仍然适用于单细胞生物。
2008年，Mizuno和他的实验室学生Ohta从日本北部九州岛一个石灰岩洞穴墙上的滴水中发现了HS-3。他们最初是在寻找积聚油脂的细菌，但Ohta在处理前检查旧琼脂培养皿中的细菌时，发现了一个颜色和质地非常漂亮的小菌落。由于其杂乱无章的结构，琼脂上的大多数细菌具有不透明的结构，然而，这个菌落是透明的，具有彩虹色的色调。与密切相关的物种的表型比较证实了这个群体是一个新物种，HS-3，科学家将其命名为Jeongeupia sacculi(意思是“摇篮”)。
该团队使用显微镜分析菌落的生长。细胞开始简单地以球菌的形式繁殖，但细胞伸长的发生导致菌落形成单层结构，像液晶一样定向。凸起的形成尤其是在菌落边缘，缓解了内部压力，并赋予HS-3一种独特的能力，在较长时间内保持这种二维液体排列，这可能是HS-3建立多细胞行为的先决条件。
然后，蜂群扩展形成额外的层。内部的丝状细胞弯曲，产生漩涡结构的结构域。这些结构域和液晶样排列解释了在琼脂上观察到的HS-3菌落的透明度。两天后，内部发生了快速的细胞繁殖，菌落开始三维膨胀，形成一个半封闭的球体，容纳着芽孢杆菌细胞。第五天之后，内部的细胞被挤出菌落，在相邻的菌落中触发了这种事件的连锁反应，从而表明了一些多细胞控制。
由于HS-3的岩壁采样点经常受到岩洞内流水的影响，团队将成熟的半球形菌落浸入水中。内部的球菌被释放到水中，留下丝状细胞结构。通过将这些子细胞置于新鲜琼脂上，他们发现这些细胞能够复制原始的丝状结构，这表明HS-3生命周期的两个不同阶段是可逆的，可能是由于洞穴内条件的变化而产生的。
“我们需要10年的时间来确定这不是两个不同物种的污染，也不仅仅是一个突变，”美津野说。“首先，我们使用了一系列微观观察来拍摄从单个细胞到菌落的整个过程，为此我们开发了自己的方法。我们发现，细胞和菌落的形态变化既可控又可逆。这些数据让我们相信它是HS-3的‘多细胞’。”
HS-3生命周期的第一阶段表明，这种液晶状组织参与了多细胞的出现，这在以前没有报道过。第二生命阶段的存在暗示了动态水环境参与了HS-3多细胞的出现。”日本筑波大学生物医学科学系教授Kazuya Morikawa说。
“我们对HS-3包含的各种奇怪属性感到惊讶，其中之一是这个新物种的多细胞行为非常符合最近提出的‘生态脚手架’假说。我们现在认为，向多细胞生物的飞跃将是一个比我们目前所想象的更加复杂和美丽的过程。Mizuno和Morikawa评论道。
参考文献:“在地下溪流旁发现的新型多细胞原核生物”，作者:水野口平、Mais Maree、长村俊彦、古贺昭弘、平山聪、古川宗一、田中健二和森川和也，eLife, 2022年10月11日。DOI: 10.7554 / eLife.71920
