在类人眼中，多细胞生物是地球上最主要的生命形式。起初只是一个极小的细胞，经过分裂、再分裂、一次又一次的分裂，最后所有细胞在即将出现的组织上找到各自的位置，一头大象或一棵红杉就这样“突然”地出现了。
在地球生命的演化历史上，单细胞向多细胞的飞跃发生过至少20次，甚至可能有上百次。在少数几次演化事件中，单细胞生物演化“过了头”，从而产生了更为复杂的生命形式：植物、动物、真菌和某些藻类。
在这些更复杂的生命形式中，细胞具备了不同的功能，共同组成了不同的组织。还有的细胞负责将个体的基因传递给下一代，也就是卵细胞和精子等生殖细胞。与此同时，所有其他的细胞负责提供支持，帮助生殖细胞完成传宗接代、将整个个体的基因发扬光大的使命。
然而，比起单细胞生物通过分裂就能完成繁殖，多细胞生物秉承的“进食、分裂、重复”的生命准则显得繁琐且多余，并且每一步都存在风险。到底是什么因素使得生物在古老的地球上，不止一次地选择了多细胞这种生命形式？这个问题困扰着各个领域的科学家，无论是博弈论研究者、古生物学家还是在实验室里培养单细胞生物的生物学家。
2021年，美国佐治亚理工学院的生物学家威廉·拉特克利夫（William Ratcliff）和同事发表了一项研究，经过近两年的实验，他们成功地让用显微镜才能看到的单细胞酵母菌演化成了大尺寸、肉眼可见的细胞团，细胞团表面还长出了分支状结构，在实验室内模拟了单细胞生物向多细胞生物变化的过程。
拉特克利夫、米夏埃尔·特拉维萨诺（Michael Travisano）和在美国明尼苏达大学的同事开展了一项引发广泛讨论的多细胞生物研究实验。当时，拉特克利夫在准备他的博士论文，研究方向是酵母菌的合作与共生关系。在一次闲聊中，他曾与特拉维萨诺谈起关于多细胞生物的话题，两人都很好奇是否可能使单细胞的酵母菌演化出多细胞的形态。
一时兴起，他们便拿出培养基中生长的酵母菌，在摇床上培养，并选出最先沉到试管底的个体，转接到新培养基中，如此反复操作60天。这项实验的成果发表在了《美国科学院院刊》（PNAS）上。虽然只经历了一个简单的操作步骤，但在这种选择压力下，培养基中迅速出现了酵母菌的小团块（即一些酵母菌演化出了附着在一起的能力）。
随后，进一步分析显示，这是由于ACE2基因（能表达一种转录因子）中出现了单一突变，细胞在分裂后不再分开，从而能组合成重量更大、下沉更快的细胞团。
这样的变化会迅速、重复出现。30次转接内，试管中就开始出现细胞团，60次转接后，所有试管中均出现了这样的小细胞团。研究者在显微镜下观察发现，细胞团的表面伸出了雪花一样的分枝状结构，因此将其命名为雪花酵母菌（snowflake yeast）。起初，雪花酵母菌只是一个随手一试的小项目，但研究结果暗示，它似乎是一条值得深入探索的光明大道。
从那时起，雪花酵母菌影响了我近10年来的人生。”拉特克利夫说。这项研究给他带来了合作伙伴，比如瑞典于默奥大学的数学生物学家埃里克·利比（Eric Libby）和美国佐治亚理工学院的马修·赫伦（Matthew Herron）。现在拉特克利夫也成为了佐治亚理工学院的教授，他加入了这个多元化研究圈子，开始探索多细胞生物的起源。
我们作为一种多细胞生物，自然会认为多细胞生物具有绝对的生存优势。
但从化石记录中可以发现，在地球生命历史最初的十几亿年里，生命以单细胞的形式繁荣发展。即使是今天，地球上单细胞生物的数量也远多于多细胞生物。事实上，细胞聚在一起有着严重的弊端：每个细胞的命运都与周围的细胞紧密相连。换句话说，如果周围的同伴死了，它也会面临死亡的风险。同样，如果细胞变成了多细胞集团中的一员，它就可能成为体细胞而非生殖细胞，这就意味着它牺牲了通过生殖直接将基因传递下去的机会。
除此之外，多细胞的生命形式还存在着竞争问题。英国牛津大学的演化生物学家盖伊·库珀（Guy Cooper）就表示，“同种细胞会趋于竞争资源。想象一下你和一群同类绑定在一起时，对资源的竞争会变得愈发剧烈，而这样会带来巨额的生存成本……所以长远来看，想要演化出多细胞的生命形式，需要能获得同等的、甚至更多的收益才行。”一种多细胞生物可能具备的优势是，更大的细胞团更不易被捕食者吃掉。
荷兰阿姆斯特丹自由大学的罗伯塔·费希尔（Roberta Fisher）和英国牛津大学的斯特凡尼娅·卡普塞塔基（Stefania Kapsetaki）曾在2015年和2019年分别发表了研究，发现藻类和细菌会聚集成团来逃避捕食者。2019年，赫伦和同事也证实，藻类的这种“抱团”行为并不是某种“返祖”现象，而是完全重新演化出来的特征。另一种可能的好处是，在特定条件下生物成群活动能够更高效地移动和觅食。
库珀解释道，如果是这样的话，“生物就需要权衡生存优势和繁殖优势。对多细胞生物来说，就是每个细胞用繁殖的权利为代价，换取了生存的可能性。”
有的藻类可以在环境变化时，在多细胞和单细胞之间切换。同样，领鞭毛虫（choanoflagellates，现存与动物亲缘关系最近的单细胞生物）也可以变成类似多细胞生物的样子。
法国巴斯德研究院的演化生物学家蒂博·布吕内（Thibaut Brunet）就记得，他和同事曾在加勒比海南部的库拉索岛（Curaçao）采集海岸附近的水样，寻找其中的领鞭毛虫。吃完晚饭，他们注意到水样中有什么东西在动。这份水样中装的是一种新的领鞭毛虫，它们聚在一起呈杯状，正通过内外翻移动。“这玩意变换形态的过程实在是吸引人……它们聚集在一起后，表现出了非常复杂的行为，几乎像动物一样。
你甚至会误以为它从单细胞生物变成了真正的动物。”
但不同的是，对于真正的多细胞生物体内的细胞来说，它们别无选择——要么成为多细胞生物的一部分，要么死。“从某种程度上说，这是一条单行道，”库珀说，“在这个转变过程中，细胞的分工可能起到了重要作用。”模型显示，一旦有的细胞开始发挥全新的作用，放弃自己成功繁殖的机会，来给其他细胞创造机会，那么团体生存必须提供足够的优势，才能让这种生命形式有机会存活下来。
从结果来看，多细胞生物肯定获得了充足的生存优势，但这个过程中具体发生了什么？
雪花酵母菌已经可以形成细胞团了，但无论拉特克利夫如何尝试，细胞团的尺寸都只有显微级。几年过去了，拉特克利夫还是没有进展，但他在佐治亚理工学院的同事，当时在他的课题组做博士后的奥赞·博兹达（Ozan Bozda）带来了突破。关键在于氧气，他们发现：关键在于氧气，或者说，缺少氧气。
氧气可以为生物提供很大的帮助，细胞可以利用氧气分解糖类获得大量能量。当无法获得氧气时，细胞则只能进行糖酵解，得到的可利用产物也较少。
起初，拉特克利夫一直在有氧条件下培养酵母菌。而博兹达建议他尝试一下无氧条件。在不同环境下，雪花酵母菌演化出了截然不同的形态。博兹达对三组雪花酵母菌开始了选择实验，其中两组可以利用氧气，而另一组由于一处基因突变而无法利用氧气。
每个实验组包含五管酵母菌，博兹达将它们置入摇床，以225转每分钟的速度日日夜夜不停地摇晃。每天，他会将试管在实验台上静置三分钟，再取试管最底部的酵母菌，转入新鲜培养基放回摇床继续培养。从2020年到2021年初的每一天，即使实验室因新冠疫情关闭，博兹达也会用大学给予的特殊豁免权前往实验室筛选酵母菌。
在最初100天里，全部15个试管中的细胞团尺寸均增大了一倍。然后它们似乎进入了平台期。
直到第250天左右，不利用氧气那一组的两个试管中，细胞团的尺寸开始缓慢增大。第350天左右，博兹达注意到其中一管有些不一样：出现了肉眼可见的细胞团。“作为演化生物学家……我当时会觉得这只是个巧合：这些酵母菌团不知为何变大了，但从长期来看，它们还是赢不过小的细胞团。”但随后，第二个试管内也出现了酵母菌团。
大约第400天前后，这一组的另外三个试管也开始发力，很快五支试管中都出现了大型细胞团，最大的可达初始体积的20000倍。博兹达开始用手机上的相机给细胞团拍照——他已经不需要显微镜了。
为什么对氧气的依赖似乎限制了酵母菌团的增大呢？这可能是因为氧气扩散进入细胞的速率是固定的，所以随着细胞团体积增大，氧气即使能进入细胞团内部的细胞，也是以很慢的速度。虽然在实验的选择条件下，更大的细胞团拥有生存优势，但氧气带来的好处更多，以至于酵母菌会限制细胞团的大小，来保证充足的氧气供应。然而对于无法利用氧气的这一组来说，则不需要做出这种权衡，也就没有了限制细胞团体积变大的因素。
但尺寸不是各组细胞团之间唯一的差别。研究团队在显微镜下观察无氧组的细胞团时，清楚地看到酵母菌已经发生了变化。细胞的形态变得更细长，而且起初，雪花酵母菌之间的黏结力只有明胶的百分之一，这使得细胞团可以被轻易分开；但到了实验末期，形成的大细胞团则牢固得多。“它们从非常松散的材质变得像木头一样致密，”拉特克利夫说，“强度增加了至少10000倍。
”同时，细胞团伸出的分枝也会互相纠缠，甚至持续振荡也不会破坏它们之间的连接。许多小碎片聚在一起，与同胞结成了结实的大网。从生物物理学的角度看，这一现象表明单细胞生物能演化出维持大体积状态下物理稳定性的能力。
库珀对此很感兴趣，因为一些理论提出，体积增大和细胞分化是“携手”出现的。14年前，演化生物学家J.T.邦纳（J. T. Bonner）注意到，一般情况下，多细胞生物的体积越大，具有的细胞类型就越多。他提出一种假说：生物的体积越大，它们生存的需求就越多，因此结构也就越复杂。“这可能推动了细胞的分工，”库珀说，但他也提到，这并不代表所有情况。
接下来，研究者开始关注体积增大如何催生出进一步的变化。
想象一下，一团雪花酵母菌，随着细胞分裂变得越来越大。外部的细胞需要直面外界的营养物质和危险，而深埋于内部的细胞则有着完全不同的“胞生”：对于它们来说，营养物质更稀缺，受到的压应力可能也更大。
或许，内部的细胞会开始出现各种变化——它们可能会改变代谢模式，使自己在较少营养物质的条件下过得好些；可能会生长出更坚硬的细胞壁以抵抗压力；或者可能会发育出管状分支，用来输送营养物质，这也会促使原始的循环系统的形成。在大型的细胞团里，每一处细胞的行为特征都会发生变化。
试想，每当实验室内新演化出一个细胞团，它就会重复这个过程：在每一个新出现的细胞团里，内部和外部的细胞都会面临着同样的环境差异，从而发生同样的变化。你会发现，每个细胞本身就是一部传记，描述了它如何在不同环境中演化、存活……从分裂到分化。
目前，尚无记录显示有哪种单细胞生物在实验室条件下同时演化出了多细胞性和受调控的分化状态。最接近的要数拉特克利夫和同事在2012年发表的关于雪花酵母菌的研究。有时，这种酵母菌两个分枝连接处的细胞会自发凋亡，从而使细胞连接的分枝断开，各自单独成团。研究团队认为这可能是某种形式的分化——一些细胞放弃自己的生命让细胞团整体获益。
利比提到，德国马克斯·普朗克演化生物学研究所的保罗·雷尼（Paul Rainey）和同事曾发表过一项研究，发现假单胞菌（Pseudomonas）也可以多个细胞形成细胞团，且细胞团中细胞的形态和行为也会出现差异，并为集体的共同目标服务。事实上，在这些研究中，很难辨别出是否出现了真正的细胞分化。
“说实话，这些研究中关于细胞分化的说法都有待商榷，因为很多时候，多细胞的原始形态看起来很像典型的单细胞行为，”利比说，“研究中不存在巧合，它一定有演化的源头。”
虽然我们无法确定，未来的实验中，大团的雪花酵母菌是否能出现更为复杂的细胞差异。但随着酵母菌继续演化，或许会有大把的机会让各种奇怪的事情发生。博兹达仍然记得，他告诉拉特克利夫酵母菌团的体积变大时，拉特克利夫说：“嘿，兄弟！
这东西值得你做个二三十年！”经历了多年的失望后，拉特克利夫终于兴奋地看到，酵母菌给自己造出了“一具身体”。“说实话，我并不认为1000个细胞左右就是这些细胞团的极限了，”拉特克利夫说，“我们得让它们继续演化，在未来几十里，让它们演化几万代，看看最终会发生什么……”。顿了顿，他继续道，“如果不这么做，我一定会为错过这次机会抱憾终生。能观察原始的多细胞生物如何变得更为复杂，这绝对是个千载难逢的机会。