Vor Milliarden von Jahren hat das Leben eine Schwelle überschritten. Einzelne Zellen begannen sich zusammenzuschließen, und eine Welt des formlosen, einzelligen Lebens war auf dem Weg, sich zu dem Aufruhr von Formen und Funktionen des heutigen vielzelligen Lebens zu entwickeln, von Ameisen über Birnbäume bis hin zu Menschen. Es ist ein Übergang, der so bedeutsam ist wie jeder andere in der Geschichte des Lebens, und bis vor kurzem hatten wir keine Ahnung, wie es passiert ist.

Die Kluft zwischen einzelligem und vielzelligem Leben scheint nahezu unüberbrückbar. Die Existenz einer einzelnen Zelle ist einfach und begrenzt. Wie Einsiedler brauchen sich Mikroben nur um die Ernährung zu kümmern; Weder Koordination noch Kooperation mit anderen ist notwendig, obwohl sich einige Mikroben gelegentlich zusammenschließen. Im Gegensatz dazu geben Zellen in einem vielzelligen Organismus, von den vier Zellen in einigen Algen bis zu den 37 Billionen in einem Menschen, ihre Unabhängigkeit auf, um hartnäckig zusammenzuhalten; sie übernehmen spezialisierte Funktionen und beschneiden ihre eigene Fortpflanzung zum Wohle der Allgemeinheit, indem sie nur so viel wachsen, wie sie zur Erfüllung ihrer Funktionen benötigen. Wenn sie rebellieren, kann Krebs ausbrechen.

Multizellularität bringt neue Möglichkeiten. Tiere zum Beispiel gewinnen Mobilität, um einen besseren Lebensraum zu suchen, Raubtieren zu entkommen und Beute zu jagen. Pflanzen können tief in den Boden nach Wasser und Nährstoffen suchen; Sie können auch zu sonnigen Orten wachsen, um die Photosynthese zu maximieren. Pilze bauen massive Fortpflanzungsstrukturen auf, um ihre Sporen zu verbreiten. Aber für alle Vorteile der Multizellularität, sagt László Nagy, Evolutionsbiologe am Biologischen Forschungszentrum der Ungarischen Akademie der Wissenschaften in Szeged, wurde es traditionell „als ein wichtiger Übergang mit großen genetischen Hürden angesehen.“Nun lernen Nagy und andere Forscher, dass es vielleicht doch nicht so schwierig war. Die Beweise kommen aus mehreren Richtungen. Die Evolutionsgeschichte einiger Organismengruppen zeichnet wiederholte Übergänge von einzelligen zu mehrzelligen Formen auf, was darauf hindeutet, dass die Hürden nicht so hoch sein könnten. Genetische Vergleiche zwischen einfachen vielzelligen Organismen und ihren einzelligen Verwandten haben gezeigt, dass ein Großteil der molekularen Ausrüstung, die Zellen benötigen, um sich zusammenzuschließen und ihre Aktivitäten zu koordinieren, möglicherweise schon lange vor der Entwicklung der Vielzelligkeit vorhanden war. Und clevere Experimente haben gezeigt, dass einzelliges Leben im Reagenzglas die Anfänge der Vielzelligkeit in nur wenigen hundert Generationen entwickeln kann – ein evolutionärer Augenblick.Evolutionsbiologen diskutieren immer noch, was einfache Zellaggregate dazu veranlasste, immer komplexer zu werden, was zu der wundersamen Vielfalt des heutigen Lebens führte. Aber diesen Weg zu beschreiten, scheint nicht mehr so entmutigend zu sein. „Wir fangen an, ein Gefühl dafür zu bekommen, wie es passiert sein könnte“, sagt Ben Kerr, Evolutionsbiologe an der University of Washington in Seattle. „Sie machen einen scheinbar großen Schritt in der Evolution und machen daraus eine Reihe kleiner Schritte.“

Hinweise auf Vielzelligkeit reichen 3 Milliarden Jahre zurück, als Eindrücke von scheinbar Matten von Mikroben im Fossilienbestand auftauchen. Einige haben argumentiert, dass 2 Milliarden Jahre alt, spulenförmige Fossilien von blaugrünen oder grünen Algen, die in den USA und Asien gefunden und als Grypania spiralis bezeichnet werden, oder 2.5 Milliarden Jahre alte mikroskopische Filamente, die in Südafrika aufgezeichnet wurden, sind der erste echte Beweis für mehrzelliges Leben. Andere Arten komplexer Organismen tauchen erst viel später im Fossilienbestand auf. Schwämme, die von vielen als das primitivste lebende Tier angesehen werden, stammen möglicherweise aus der Zeit vor 750 Millionen Jahren, aber viele Forscher betrachten eine Gruppe von wedelartigen Kreaturen namens Ediacarans, die vor etwa 570 Millionen Jahren verbreitet waren, als die ersten definitiven Tierfossilien. Ebenso deuten fossile Sporen darauf hin, dass sich mehrzellige Pflanzen vor mindestens 470 Millionen Jahren aus Algen entwickelt haben.

Pflanzen und Tiere schafften jeweils nur einmal den Sprung zur Vielzelligkeit. Aber in anderen Gruppen fand der Übergang immer wieder statt. Pilze entwickelten wahrscheinlich komplexe Vielzelligkeit in Form von Fruchtkörpern — denken Sie an Pilze — bei etwa einem Dutzend verschiedenen Gelegenheiten, schloss Nagy in einem Preprint, der am 8. Dezember 2017 auf bioRxiv veröffentlicht wurde, basierend auf einer Überprüfung, wie verschiedene Pilzarten — einige einzellig, einige mehrzellig – miteinander verwandt sind. Das gleiche gilt für Algen: Rot-, Braun- und Grünalgen haben in den letzten Milliarden Jahren ihre eigenen vielzelligen Formen entwickelt.Nicole King, Biologin an der University of California (UC) in Berkeley, fand ein aufschlussreiches Fenster zu diesen alten Übergängen: Choanoflagellaten, eine Gruppe lebender Protisten, die kurz davor zu stehen scheint, den Sprung zur Vielzelligkeit zu wagen. Diese einzelligen Cousins von Tieren, die mit einem peitschenartigen Flagellum und einem Kragen aus kürzeren Haaren ausgestattet sind, ähneln den nahrungsfilternden „Kragenzellen“, die die Kanäle von Schwämmen auskleiden. Einige Choanoflagellaten selbst können kugelförmige Kolonien bilden. Vor mehr als 2 Jahrzehnten lernte King, diese Wasserlebewesen zu kultivieren und zu studieren, und 2001 begannen ihre genetischen Analysen Zweifel an der damals aktuellen Ansicht aufkommen zu lassen, dass der Übergang zur Vielzelligkeit ein großer genetischer Sprung war.

In ihrem Labor tauchte ein Gen nach dem anderen auf, das einst nur für komplexe Tiere gedacht war — und in einer Einzelzelle scheinbar nicht benötigt wurde. Choanoflagellaten haben Gene für Tyrosinkinasen, Enzyme, die bei komplexen Tieren helfen, die Funktionen spezialisierter Zellen wie die Insulinsekretion in der Bauchspeicheldrüse zu kontrollieren. Sie haben Zellwachstumsregulatoren wie p53, ein Gen, das für seine Verbindung zu Krebs beim Menschen berüchtigt ist. Sie haben sogar Gene für Cadherin und C-Typ-Lektine, Proteine, die Zellen helfen, zusammenzuhalten und ein Gewebe intakt zu halten.Alles in allem fand King’s Group durch die Untersuchung der aktiven Gene in 21 Choanoflagellaten-Arten heraus, dass diese „einfachen“ Organismen etwa 350 Genfamilien haben, die einst als exklusiv für mehrzellige Tiere galten, berichteten sie am 31. Mai in eLife. Wenn Choanoflagellaten, wie sie und andere glauben, einen Einblick in den einzelligen Vorfahren der Tiere geben, war dieser Organismus bereits für das mehrzellige Leben gut gerüstet. King und ihr Labor „haben Protisten an die Spitze der Forschung gestellt, um die Herkunft der Tiere zu untersuchen“, sagt Iñaki Ruiz-Trillo, Evolutionsbiologe am spanischen Nationalen Forschungsrat und der Universität Pompeu Fabra in Barcelona, Spanien.

Sie machen einen scheinbar großen Schritt in der Evolution und machen daraus eine Reihe kleiner Schritte.

Die Ahnenversionen dieser Gene haben möglicherweise nicht die gleichen Aufgaben erledigt, die sie später übernommen haben. Zum Beispiel haben Choanoflagellaten Gene für Proteine, die für Neuronen entscheidend sind, und doch ähneln ihre Zellen nicht Nervenzellen, sagt King. Ebenso hat ihr Flagellum ein Protein, das bei Wirbeltieren dazu beiträgt, die Links-Rechts-Asymmetrie des Körpers zu erzeugen, aber was es im einzelligen Organismus tut, ist unbekannt. Und choanoflagellate Genome erwarten nicht in jeder Hinsicht Multizellularität; ihnen fehlen einige kritische Gene, einschließlich Transkriptionsfaktoren wie Pax und Sox, die für die Tierentwicklung wichtig sind. Die fehlenden Gene geben uns „eine bessere Vorstellung davon, was die tatsächlichen tierischen Innovationen waren“, sagt King.

Als Zellen sich zusammenschlossen, setzten sie nicht nur vorhandene Gene für neue Zwecke ein. Studien an Volvox, einer Alge, die schöne, gepeitschte grüne Kugeln bildet, zeigen, dass mehrzellige Organismen auch neue Wege gefunden haben, bestehende Funktionen zu nutzen. Volvox und seine Verwandten überspannen den Übergang zur Vielzelligkeit. Während Volvox-Individuen 500 bis 60.000 Zellen in einer Hohlkugel haben, haben einige Verwandte, wie die Gonium-Spezies, nur vier bis 16 Zellen; andere sind vollständig einzellig. Durch den Vergleich von Biologie und Genetik entlang des Kontinuums von einer Zelle zu Tausenden, Biologen ermitteln die Anforderungen, um immer komplexer zu werden. „Was uns diese Algengruppe beigebracht hat, sind einige der Schritte, die bei der Entwicklung eines vielzelligen Organismus erforderlich sind“, sagt Matthew Herron, Evolutionsbiologe am Georgia Institute of Technology in Atlanta.

Diese Studien zeigen, dass viele Funktionen spezialisierter Zellen in einem komplexen Organismus nicht neu sind. Stattdessen werden Merkmale und Funktionen, die in einzelligen Organismen zu sehen sind, in Zeit und Raum in ihren vielzelligen Verwandten neu angeordnet, sagt Corina Tarnita, eine theoretische Biologin an der Princeton University. Zum Beispiel haben in einem einzelligen Verwandten von Volvox, Chlamydomonas, Organellen, die Zentriolen genannt werden, eine doppelte Aufgabe. Für einen Großteil der Lebensdauer der Zelle verankern sie die beiden wirbelnden Flagellen, die die Zelle durch das Wasser treiben. Aber wenn sich diese Zelle auf die Fortpflanzung vorbereitet, verliert sie die Flagellen, und die Zentriolen bewegen sich in Richtung Kern, wo sie helfen, die Chromosomen der sich teilenden Zelle auseinander zu ziehen. Später wachsen die Tochterzellen die Flagellen nach. Chlamydomonas kann sowohl schwimmen als auch sich vermehren, aber nicht gleichzeitig.

Multizelluläres Volvox kann beides auf einmal, weil sich seine Zellen spezialisiert haben. Die kleineren Zellen haben immer Flagellen, die Nährstoffe über die Oberfläche des Volvox fegen und ihm beim Schwimmen helfen. Größeren Zellen fehlen Flagellen und verwenden stattdessen die Zentriolen vollzeit für die Zellteilung.

Volvox hat auch andere Merkmale des Einzelzellen-Vorfahren neu verwendet. In Chlamydomonas blockiert ein alter Stressreaktionsweg die Fortpflanzung in der Nacht, wenn die Photosynthese abschaltet und die Ressourcen knapper werden. Aber in Volvox ist der gleiche Weg die ganze Zeit in seinen schwimmenden Zellen aktiv, um ihre Reproduktion dauerhaft in Schach zu halten. Was war eine Reaktion auf ein Umweltsignal in der einzelnen Zelle Vorfahren wurde für die Förderung der Arbeitsteilung in seinem komplexeren Nachkommen kooptiert, sagt Kerr.Eine dritte Gruppe von Organismen deutet an, wie diese Umwidmung bestehender Gene und Funktionen stattgefunden haben könnte. In den letzten zehn Jahren haben Ruiz-Trillo und seine Kollegen mehr als ein Dutzend Protistengenome mit denen von Tieren verglichen — ein Vergleich, der die größere Größe und Komplexität der Tiergenome unterstrich, berichteten sie am 20. Aber ein aussagekräftigerer Befund kam, als Ruiz-Trillo; Arnau Sebé-Pedrós, jetzt am Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel; und Luciano di Croce am Zentrum für genomische Regulation in Barcelona analysierten das Portfolio der genregulierenden Signale der protistischen Capsaspora. Sie fanden heraus, dass der Protist einige der gleichen Moleküle wie Tiere verwendet, um Gene zu bestimmten Zeiten und an bestimmten Orten ein- und auszuschalten: Proteine, die Transkriptionsfaktoren genannt werden, und lange RNA-Stränge, die keine Proteine kodieren. Aber seine Promotoren – die regulatorische DNA, die mit Transkriptionsfaktoren interagiert – waren viel kürzer und einfacher als bei Tieren, berichteten die Gruppen am 19. Mai 2016 in Cell, was auf eine weniger ausgefeilte Regulation hindeutet.Für Ruiz-Trillo und sein Team deutet der Befund auf einen Schlüssel zur Multizellularität hin: eine verstärkte Feinabstimmung der Genregulation. Was ein großer Sprung von einzelligen Vorfahren zu sein schien, sieht weniger entmutigend aus, wenn es zum Teil darum ging, die genetischen Schalter zurückzusetzen und bestehende Gene zu neuen Zeiten und an neuen Orten aktiv zu machen. „Das ist es, was Evolution immer tut, Dinge, die es gibt, für neue Zwecke zu nutzen“, sagt William Ratcliff von Georgia Tech.

Diese sparsame Umnutzung könnte die schnellen Übergänge erklären, die sich in Ratcliffs Labor entwickelt haben. Anstatt den Fossilienbestand zu betrachten oder die Genome bestehender Organismen zu vergleichen, hat er die Evolution in Laborkulturen nachgebildet. „Meine eigene Forschung war nicht versuchen, herauszufinden, was in der realen Welt passiert ist, sondern den Prozess zu untersuchen, wie sich Zellen entwickeln erhöhte Komplexität“, erklärt er.Als Postdoc mit Michael Travisano an der University of Minnesota in St. Paul unterzog Ratcliff Hefekulturen einer Form der künstlichen Selektion. Er erlaubte nur den größten Zellen – gemessen daran, wie schnell sie sich auf dem Boden des Kolbens niederließen — zu überleben und sich zu vermehren. Innerhalb von 2 Monaten begannen mehrzellige Cluster zu erscheinen, da neu gebildete Tochterzellen an ihren Müttern klebten und Verzweigungsstrukturen bildeten.

Als sich jede Kultur weiterentwickelte — einige haben jetzt mehr als 3000 Generationen durchgemacht — wurden die Schneeflocken größer, die Hefezellen wurden haltbarer und länglicher, und eine neue Art der Fortpflanzung entwickelte sich. In der großen Schneeflockenhefe erfahren einige Zellen entlang langen Zweigen eine Form des Selbstmords und geben die Zellen an der Spitze frei, um eine neue Schneeflocke zu beginnen. Die sterbende Zelle opfert ihr Leben, damit sich die Gruppe fortpflanzen kann. Es ist eine rudimentäre Form der Zelldifferenzierung, erklärt Ratcliff. Er hat gerade begonnen, die genetischen Grundlagen dieser schnell auftretenden Merkmale zu erforschen; es scheint eine Mischung aus bestehenden Genen zu sein, die für neue Funktionen kooptiert werden, und anderen Genen — wie einem, das hilft, Hefezellen zu trennen —, die deaktiviert werden.

Die Hefe entwickelte auch einen Schutz, der der Schlüssel zur Multizellularität ist: eine Möglichkeit, zelluläre Betrüger in Schach zu halten. Solche Betrüger entstehen, wenn Mutationen einige Zellen von anderen unterscheiden und möglicherweise weniger kooperativ sind. In komplexen Organismen wie dem Menschen kommt der Schutz teilweise von einem Immunsystem, um aberrante Zellen zu zerstören. Es hängt auch von einem Engpass zwischen den Generationen ab, in dem eine einzelne Zelle (z. B. eine befruchtete Eizelle) als Ausgangspunkt für die nächste Generation dient. Das Ergebnis ist, dass alle Zellen in der neuen Generation genetisch identisch beginnen. Schneeflockenhefen haben ihre eigene Art, sich von abweichenden Zellen zu befreien. Da sich Mutationen im Laufe der Zeit ansammeln, befinden sich die abweichendsten Zellen an den Spitzen der Schneeflocken. Aber sie brechen ab, um neue Kolonien zu bilden, bevor sie die Chance haben, Betrüger zu werden.

Dieser Mechanismus ermöglicht auch die Entwicklung von Gruppenmerkmalen in der Hefe. Mutationen in den Zellen, die aus jedem Schneeflockenzweig freigesetzt werden, werden an alle Zellen in der nächsten Kolonie weitergegeben. Folglich beginnen nachfolgende Schneeflocken mit neuen Gruppenmerkmalen — zum Beispiel in der Größe und Anzahl der Zellen oder in der Häufigkeit und Lage von Selbstmordzellen -, die für die weitere Evolution zu Schrot werden. Von diesem Punkt an ist es die Assemblage, nicht einzelne Zellen, die sich anpasst.

Die Testergebnisse waren kein Zufall. Im Jahr 2014 wandten Ratcliff und seine Kollegen die gleiche Art der Selektion für größere Zellen auf Chlamydomonas, die einzellige Alge, an und sahen wieder schnell Kolonien entstehen. Um Kritik zu äußern, dass seine künstliche Selektionstechnik zu erfunden war, wiederholten er und Herron dann das Chlamydomonas—Experiment mit einem natürlicheren selektiven Druck: eine Population von Paramecia, die Chlamydomonas fressen – und dazu neigen, die kleineren Zellen abzuholen. Wieder zeigte sich schnell eine Art Vielzelligkeit: Innerhalb von 750 Generationen – etwa einem Jahr – hatten zwei von fünf experimentellen Populationen begonnen, sich als Gruppen zu bilden und zu reproduzieren, schrieb das Team am 12.

Wenn Vielzelligkeit so einfach ist, warum dauerte es dann mehrere Milliarden Jahre nach der Entstehung des Lebens, bis sich komplexe Organismen fest etabliert hatten? Traditionell haben Forscher den niedrigen Sauerstoffgehalt der frühen Atmosphäre verantwortlich gemacht: Um genug Sauerstoff zu bekommen, benötigten Organismen das höchstmögliche Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was sie zwang, klein zu bleiben. Erst nachdem der Sauerstoffgehalt vor etwa 1 Milliarde Jahren gestiegen war, konnten größere, vielzellige Organismen entstehen.

Im Jahr 2015 schlug Nicholas Butterfield, ein Paläontologe an der Universität von Cambridge im Vereinigten Königreich, jedoch vor, dass niedrige Sauerstoffwerte tatsächlich die Entwicklung der Vielzelligkeit in alten Meeresorganismen begünstigten. Größere, mehrzellige Organismen – mit mehreren Flagellen – konnten Wasser besser an ihren Zellmembranen vorbeifegen, um Sauerstoff zu gewinnen. Knappe Nährstoffe in den alten Meeren hätten dazu beigetragen, den nächsten Schritt, die Entwicklung spezialisierter Zelltypen, voranzutreiben, da komplexere Organismen Nahrung effizienter ernten können. Warum komplexe Organismen so lange brauchten, um zu entstehen, Butterfield glaubt, dass die Verzögerung die Zeit widerspiegelt, die benötigt wurde, um die ausgefeiltere Genregulation zu entwickeln, die für die Vielzelligkeit erforderlich ist.Butterfields Theorie „ist wirklich sehr elegant und einfach, aufbauend auf den ersten Prinzipien der Physik und Chemie, in einem tiefen geochemischen, biogeochemischen und biophysikalischen Kontext“, sagt Richard Grosberg, Evolutionsbiologe an der UC Davis.

Sobald Organismen die Schwelle zur Vielzelligkeit überschritten hatten, kehrten sie selten zurück. In vielen Abstammungslinien wuchs die Anzahl der Arten von Zellen und Organen weiter und sie entwickelten immer ausgefeiltere Möglichkeiten, ihre Aktivitäten zu koordinieren. Ratcliff und Eric Libby, ein theoretischer Biologe an der Universität Umeå in Schweden, schlugen vor 4 Jahren vor, dass ein Ratscheneffekt die Kontrolle übernahm und die Komplexität unaufhaltsam zunahm. Je spezialisierter und abhängiger die Zellen komplexer Organismen voneinander wurden, desto schwieriger war es, zu einem einzelligen Lebensstil zurückzukehren. Die Evolutionsbiologen Guy Cooper und Stuart West von der Universität Oxford im Vereinigten Königreich bestätigten dieses Bild kürzlich in mathematischen Simulationen. „Arbeitsteilung ist keine Konsequenz, sondern ein Treiber“ komplexerer Organismen, schrieben Cooper und West am 28. Mai in Nature Ecology & Evolution.

Durch den anfänglichen Übergang von einer Zelle zu vielen begann ein Zyklus zunehmender Komplexität, und der Reichtum des heutigen vielzelligen Lebens ist das Ergebnis.