摘要：在生命进化的历史上，从单细胞到多细胞，从海洋的原始黏液到今天的人类，是一个漫长而神秘的跨越。而最新发表于《Nature》的一项研究，或许为“复杂生命的起点”提供了最具物理意味的答案——那是一场由DNA自身“打结”“折叠”与“环绕”掀起的革命。
在生命进化的历史上，从单细胞到多细胞，从海洋的原始黏液到今天的人类，是一个漫长而神秘的跨越。而最新发表于《Nature》的一项研究，或许为“复杂生命的起点”提供了最具物理意味的答案——那是一场由DNA自身“打结”“折叠”与“环绕”掀起的革命。
在巴塞罗那的基因组调控中心（CRG），进化生物学家 ARNAu Sebé-Pedrós 和同事们发现：在地球最早的复杂动物——如水母、珊瑚和栉水母（又称“梳状水母”）——的基因组中，DNA 不再只是线性的基因序列，而是被折叠成精密的三维结构，形成一个个“环路（chromatin loops）”。这些环路让染色质上相隔很远的区域——如基因启动子（promoter）与增强子（enhancer）——能够物理接触，从而在基因表达的调控上实现了前所未有的复杂度。
研究者用一种名为 Micro-C 的新技术绘制了这些古老生物的基因组三维地图，首次发现它们的染色质中存在大量“远程调控环”。相比之下，它们的单细胞近亲（如领鞭毛虫或鱼孢子虫）却完全缺乏这种环形架构。也就是说，“生命变复杂”的关键，不在于出现了多少新基因，而在于旧基因被重新折叠进了新的空间结构之中。
正如 Sebé-Pedrós 所说：“在动物起源时，并不是基因本身发生了太大变化，而是它们第一次被允许以模块化、可组合的方式在时空中表达。”
这听起来几乎像一种宇宙隐喻——生命的复杂性并非来自“更多的东西”，而来自“更巧妙的联系”。
在单细胞生命中，基因调控相对简单。转录因子（TF）通常直接附着在基因上游的启动子区域，打开或关闭转录；这种近距离控制是高效的，但也极其局限。而在多细胞生物中，情况完全不同——肌肉、皮肤、神经等细胞，虽然拥有完全相同的DNA，却能演化出完全不同的形态与功能。这要求同一组基因在不同的细胞类型中被以不同方式“组合激活”。
问题是，一个启动子上可供转录因子绑定的空间有限，如何让同一个基因参与多个调控模块？答案正是：让远距离的DNA区域——增强子——通过空间折叠与启动子靠拢。
这些增强子像“控制面板”一样，可以在不同细胞类型中被不同组合的转录因子激活，赋予基因新的语义。DNA 环路则是实现这种远程通信的“空间桥梁”。在高级动物中，这一过程由名为 cohesin 的环形蛋白驱动，它像一个滑动的绳套，将DNA挤成圈，直到遇到另一种蛋白“CTCF”为止。而在水母和珊瑚这类早期动物中，尽管它们还没有CTCF，但研究者推测它们可能使用了类似功能的蛋白质，完成了这一关键折叠。
正是在这些DNA的“物理环绕”中，生命学会了“逻辑组合”——为细胞分化、组织形成、乃至神经系统的诞生铺平了道路。
如果把地球生命史压缩成一天，那么复杂动物的出现，大约发生在晚上九点半左右。在那之前，生命度过了将近 20 个小时的“单细胞时代”。这漫长的时光里，生命已经积累了丰富的分子工具：DNA、RNA、蛋白质、能量代谢体系、膜系统——几乎所有生命的“硬件”都已齐备。但在“软件层面”，即基因调控逻辑上，单细胞生命仍然极其朴素。
对单细胞而言，生存即响应环境。细菌、真菌或原始真核生物都通过“邻近调控”的方式控制基因表达：当某种物质出现时，转录因子立即附着在目标基因前方，打开或关闭转录。调控关系像是电路上的开关，一对一、直接、简单。
这套体系在单细胞层面极为高效——就像一个手动开关系统，足以应对温度变化、营养波动或外界威胁。但它缺乏“层次性”：每个开关只控制一盏灯，而不是一整片城市的灯光布局。
进化学家们长期认为，多细胞生命的诞生来自于一次基因创新：新的蛋白、全新的信号通路。然而，随着基因组学的进展，这个解释逐渐被推翻——许多控制我们身体结构的核心基因（比如 Hox 基因、信号转导通路的成员）在单细胞近亲中早已存在。换句话说，生命的复杂性不是“写入了新代码”，而是“重新编排了旧代码”。
在显微镜下，真核生物的DNA并不是自由悬浮的线，而是被缠绕在名为 组蛋白（histone） 的蛋白质“线轴”上，形成密密麻麻的“核小体”。这一机制在单细胞真核生物中早已存在，它最初可能只是为了节省空间、保护DNA不被损伤。
但随着时间推移，这个看似结构性的功能被进化“劫持”成了调控工具：DNA折叠的紧密程度、局部空间结构，逐渐与基因的开启或关闭挂钩。
于是，生命的基因不再只是平面文本，而成为一部可折叠的立体书。某些段落能被翻起、折叠、卷曲，与远方的篇章相连——从而创造出新的“语义”。
正是在这样的折叠宇宙中，增强子与启动子之间的“远程对话”成为可能。这种三维调控，像是一种生命级的“空间编程”，它允许同样的DNA文本，在不同细胞中读出完全不同的含义。
科学家曾多次在实验室中让单细胞生物“临时结盟”：黏菌在饥饿时会聚成一团；细菌在表面形成生物膜；领鞭毛虫甚至能在一定条件下形成多细胞集合体。
但这些“群体”都极为脆弱——它们没有真正意义上的分工。每个细胞仍保留自己的命运，一旦环境改变，联盟即刻瓦解。
而在距今约 7亿年前 的寒武纪前夜，地球上第一次出现了真正的“命运分化”：有的细胞永远成为运动的肌肉，有的负责感知光，有的构筑外层防护。
从基因角度看，这种稳定分化的核心是——相同的基因组，在不同的细胞中被以不同方式读取。
这需要一种更高层次的调控网络：它必须能让某个基因同时参与多个“组合模块”，能被多个远程增强子控制，能在不同时间、不同空间被激活或静默。
DNA环路，就是实现这一切的关键机制。它使基因的“语法”从线性顺序，跃升为立体语义；让生命的表达从句法，进入了文体。
Sebé-Pedrós 团队在研究水母、珊瑚和栉水母时发现，这些“原始动物”尽管结构简单，却已经拥有了丰富的细胞类型——神经样细胞、肌肉样细胞、感应细胞……而它们与单细胞亲属相比，最显著的区别不是“基因数目”，而是染色质的空间组织。
他们利用 Micro-C 技术绘制的三维基因组图像，像是一座“折叠的城市”：无数条DNA环路在基因与增强子之间搭起桥梁；成千上万个调控模块在时空中闪烁，仿佛一座城市在点亮自己的灯光系统。
这是生命第一次学会“用空间控制信息”。
自此之后，进化仿佛打开了阀门：从水母到扁形动物，从蠕虫到脊椎动物，基因调控网络的复杂性呈指数级爆炸。每一次动物形态的创新，都对应着染色质折叠模式的微妙调整。生命的复杂化，并非单一突变的结果，而是空间折叠的连续叠代。
DNA 的环路，也许是地球生命史上最安静、却最深远的一次结构创新。它没有带来新的分子，却改变了旧分子的关系；没有扩展基因数量，却扩展了生命的维度。
从那一刻起，生命的复杂性，不再取决于“写下什么”，而取决于“如何折叠”。细胞之间的分化、组织之间的层次、思维的出现，皆是这种三维调控的衍生。生命，从此具备了自我组织与表达的自由度。
而今，科学家在基因调控网络中看到的“空间逻辑”，正如人工智能模型中涌现的“语义逻辑”——二者都揭示出一个共同的规律：复杂性并非堆积，而是结构的重构。
来源：老胡科学一点号
