Convergent evolution of animal photosymbiosis through co-option of ancestral endodermal programs
这项研究表明，不同门类动物光合共生的趋同演化依赖于对祖先内胚层程序在营养处理与代谢方面的重复征用，并结合了谱系特异性的创新，而非开发专门的共生体宿主细胞类型。
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地球上的生命往往不是通过孤独的力量，而是通过伙伴关系来蓬勃发展。在海洋中，许多动物已经学会了在体内寄宿微小的藻类，利用这些藻类捕捉到的阳光来为自身的生长提供动力。这种被称为“光合共生”的安排，独立出现在许多不同的动物群体中，从建造礁石的绚丽珊瑚到隐藏在沙中的巨型蛤ों。几十年来，科学家们一直想知道这样复杂的这种关系是如何进化的。一个动物是需要发明一种专门用来容纳其藻类客人的全新细胞类型，还是仅仅重新利用它已经拥有的细胞来从事其他工作？这个问题触及了自然界构建复杂性的核心：是通过发明全新的工具，还是通过对旧工具进行巧妙的重新排列？
一支研究团队现在通过仔细观察一种被称为 Praesagittifera naikaiensis 的微小扁平海洋蠕虫，来回答这个问题。这种发现于日本海域的蠕虫与一种绿藻有着独特的伙伴关系。与珊瑚不同（在珊瑚中，藻类生活在动物的细胞内部），这些蠕虫将它们的藻类客人留在自己的细胞之间。为了理解这是如何运作的，科学家们绘制了该蠕虫体内每一个细胞的遗传活动图谱。他们发现，这种蠕虫并不具备专门用于持有藻类的特殊、独特的细胞类型。相反，这种伙伴关系是由一组现有的、普通的细胞共同管理的。具体而言，原本负责消化和构成蠕虫内部空间衬里的细胞承担了支持藻类的任务。这些细胞分工明确：一些专注于收集营养，而另一些则帮助创造适合藻类茁壮成长的化学环境。
研究人员通过暂时关闭藻类制造食物的能力证实了这一点。当他们这样做时，蠕虫的细胞以一种可预测的方式改变了行为，降低了负责处理营养的基因的活性。这证明了正是这些特定的细胞在积极维护这种关系。此外，科学家将这种蠕虫的遗传组成与其他进化出类似伙伴关系的动物（如珊瑚和海绵）进行了比较。他们发现了一个显著的模式：尽管这些动物的构造方式以及它们持有藻类的方式存在巨大差异，但它们都依赖于一套存在于其消化或体内细胞中的古老的指令集。进化似乎反复地寻求这套相同的生物学工具箱——即负责摄食和处理食物的细胞——因为它们已经配备了管理光合作用伙伴所需的机制。
这一发现表明，复杂伙伴关系的进化并不总是需要发明新的细胞类型。相反，自然界经常利用已经存在的细胞，并修改其行为以适应新的角色。在 Praesagittifera 蠕虫的案例中，通常负责消化的细胞被征用以支持藻类，从而在不需要专门的“共生细胞”的情况下创造了一个功能性生态位。研究还显示，这些细胞在发育过程中具有一定的灵活性，这意味着它们保留了一定程度的适应性，使其能够在获得藻类客人时改变其功能。通过比较不同动物群体中这些共生细胞的遗传特征，研究人员发现它们拥有一个共同的、古老的遗产，根植于动物处理营养的能力。
这项工作的意义不仅限于一种类型的蠕虫。它为整个动物界复杂生物关系如何产生提供了一个普遍原则。无论动物是将藻类宿在细胞内、细胞间，还是在专门的器官中，底层的遗传策略似乎是相同的：招募那些已经擅长处理营养和代谢的细胞。研究人员认为，这种对古老且多功能细胞程序的共同依赖，使得不同的动物谱系能够更容易地独立进化出类似的伙伴关系。虽然不同动物之间的伙伴关系在物理排列上可能看起来大相径庭，但其细胞基础却保持着惊人的连贯性。这项研究清晰地展示了进化如何不通过从零开始，而是通过巧妙地重新利用数百万年来一直存在的工具，来创造出新的事物。
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