Il y a des milliards d’années, la vie a franchi un seuil. Les cellules individuelles ont commencé à se regrouper, et un monde de vie unicellulaire sans forme était en passe d’évoluer vers l’émeute de formes et de fonctions de la vie multicellulaire d’aujourd’hui, des fourmis aux poiriers en passant par les gens. C’est une transition aussi importante que toute autre dans l’histoire de la vie, et jusqu’à récemment, nous ne savions pas comment cela s’est passé.

Le fossé entre la vie unicellulaire et la vie multicellulaire semble presque insurmontable. L’existence d’une seule cellule est simple et limitée. Comme les ermites, les microbes doivent seulement se préoccuper de se nourrir eux-mêmes; ni la coordination ni la coopération avec les autres ne sont nécessaires, bien que certains microbes unissent parfois leurs forces. En revanche, les cellules d’un organisme multicellulaire, des quatre cellules de certaines algues aux 37 billions d’un être humain, renoncent à leur indépendance pour rester ensemble avec ténacité; ils assument des fonctions spécialisées, et ils réduisent leur propre reproduction pour le plus grand bien, ne grandissant que autant qu’ils en ont besoin pour remplir leurs fonctions. Quand ils se rebellent, le cancer peut éclater.

La multicellularité apporte de nouvelles capacités. Les animaux, par exemple, gagnent en mobilité pour chercher un meilleur habitat, échapper aux prédateurs et chasser leurs proies. Les plantes peuvent sonder profondément dans le sol pour trouver de l’eau et des nutriments; elles peuvent également pousser vers des endroits ensoleillés pour maximiser la photosynthèse. Les champignons construisent des structures reproductrices massives pour répandre leurs spores. Mais malgré tous les avantages de la multicellularité, explique László Nagy, biologiste de l’évolution au Centre de recherche biologique de l’Académie hongroise des sciences à Szeged, elle a traditionnellement été « considérée comme une transition majeure avec de grands obstacles génétiques. »

Maintenant, Nagy et d’autres chercheurs apprennent que cela n’a peut-être pas été si difficile après tout. La preuve vient de plusieurs directions. Les histoires évolutives de certains groupes d’organismes enregistrent des transitions répétées des formes unicellulaires aux formes multicellulaires, ce qui suggère que les obstacles n’auraient pas pu être aussi élevés. Des comparaisons génétiques entre des organismes multicellulaires simples et leurs parents unicellulaires ont révélé qu’une grande partie de l’équipement moléculaire nécessaire aux cellules pour se regrouper et coordonner leurs activités était peut-être en place bien avant l’évolution de la multicellularité. Et des expériences intelligentes ont montré que dans le tube à essai, la vie unicellulaire peut faire évoluer les débuts de la multicellularité en seulement quelques centaines de générations – un instant évolutif.

Les biologistes évolutionnistes débattent encore de ce qui a poussé de simples agrégats de cellules à devenir de plus en plus complexes, conduisant à la merveilleuse diversité de la vie aujourd’hui. Mais s’engager sur cette route ne semble plus si intimidant. « Nous commençons à comprendre comment cela a pu se produire », explique Ben Kerr, biologiste de l’évolution à l’Université de Washington à Seattle. « Vous prenez ce qui semble être une étape majeure de l’évolution et en faites une série d’étapes mineures. »

Des indices de multicellularité remontent à 3 milliards d’années, lorsque des impressions de ce qui semble être des tapis de microbes apparaissent dans les archives fossiles. Certains ont fait valoir que des fossiles en forme de serpentin vieux de 2 milliards d’années de ce qui peut être des algues bleu-vert ou vertes – trouvés aux États-Unis et en Asie et surnommés Grypania spiralis – ou 2.des filaments microscopiques vieux de 5 milliards d’années enregistrés en Afrique du Sud représentent la première véritable preuve de vie multicellulaire. D’autres types d’organismes complexes n’apparaissent que beaucoup plus tard dans les archives fossiles. Les éponges, considérées par beaucoup comme l’animal vivant le plus primitif, remontent peut-être à 750 millions d’années, mais de nombreux chercheurs considèrent un groupe de créatures ressemblant à des frondes appelées les Ediacarans, commun il y a environ 570 millions d’années, comme les premiers fossiles animaux définitifs. De même, les spores fossiles suggèrent que des plantes multicellulaires ont évolué à partir d’algues il y a au moins 470 millions d’années.

Les plantes et les animaux ont chacun fait le saut vers la multicellularité une seule fois. Mais dans d’autres groupes, la transition a eu lieu encore et encore. Les champignons ont probablement évolué en multicellularité complexe sous la forme de fructifications — pensez aux champignons — à une douzaine d’occasions distinctes, a conclu Nagy dans une préimpression publiée le 8 décembre 2017 sur bioRxiv, basée sur un examen de la façon dont différentes espèces de champignons — certaines unicellulaires, d’autres multicellulaires – sont liées les unes aux autres. Il en va de même pour les algues : les algues rouges, brunes et vertes ont toutes développé leurs propres formes multicellulaires au cours des milliards d’années écoulées.

Nicole King, biologiste à l’Université de Californie (UC), Berkeley, a trouvé une fenêtre révélatrice sur ces anciennes transitions: les choanoflagellés, un groupe de protistes vivants qui semble sur le point de faire le saut vers la multicellularité. Ces cousins unicellulaires d’animaux, dotés d’un flagelle en forme de fouet et d’un collier de poils plus courts, ressemblent aux cellules de « collier » filtrantes des aliments qui tapissent les canaux des éponges. Certains choanoflagellés eux-mêmes peuvent former des colonies sphériques. Il y a plus de 2 décennies, King a appris à cultiver et à étudier ces créatures aquatiques, et en 2001, ses analyses génétiques commençaient à soulever des doutes sur l’opinion alors actuelle selon laquelle la transition vers la multicellularité était un saut génétique majeur.

Son laboratoire a commencé à révéler gène après gène autrefois considéré comme exclusif aux animaux complexes — et apparemment inutile dans une cellule solitaire. Les choanoflagellés ont des gènes de tyrosine kinases, des enzymes qui, chez les animaux complexes, aident à contrôler les fonctions de cellules spécialisées, telles que la sécrétion d’insuline dans le pancréas. Ils ont des régulateurs de croissance cellulaire tels que p53, un gène connu pour son lien avec le cancer chez l’homme. Ils ont même des gènes pour les cadhérines et les lectines de type C, des protéines qui aident les cellules à se coller ensemble, gardant un tissu intact.

Au total, en étudiant les gènes actifs de 21 espèces de choanoflagellés, le groupe de King a découvert que ces organismes « simples » possédaient quelque 350 familles de gènes autrefois considérées comme exclusives aux animaux multicellulaires, ont-ils rapporté le 31 mai dans eLife. Si, comme elle et d’autres le croient, les choanoflagellés offrent un aperçu de l’ancêtre unicellulaire des animaux, cet organisme était déjà bien équipé pour la vie multicellulaire. King et son laboratoire « ont placé les protistes au premier plan de la recherche sur les origines animales », explique Iñaki Ruiz-Trillo, biologiste de l’évolution au Conseil national de la Recherche espagnol et à l’Université Pompeu Fabra de Barcelone, en Espagne.

Vous prenez ce qui semble être une étape majeure de l’évolution et en faites une série d’étapes mineures.

Les versions ancestrales de ces gènes n’auraient peut-être pas fait les mêmes tâches qu’elles ont ensuite assumées. Par exemple, les choanoflagellés ont des gènes pour des protéines cruciales pour les neurones, et pourtant leurs cellules ne ressemblent pas à des cellules nerveuses, dit King. De même, leur flagelle a une protéine qui, chez les vertébrés, aide à créer l’asymétrie gauche-droite du corps, mais ce qu’il fait dans l’organisme unicellulaire est inconnu. Et les génomes choanoflagellés n’anticipent pas la multicellularité à tous égards; ils manquent de certains gènes critiques, y compris des facteurs de transcription tels que Pax et Sox, importants dans le développement animal. Les gènes manquants nous donnent « une meilleure idée de ce qu’étaient les innovations animales réelles », dit King.

Comme les cellules se regroupaient, elles ne se contentaient pas de mettre des gènes existants à de nouveaux usages. Des études sur Volvox, une algue qui forme de belles boules vertes flagellées, montrent que les organismes multicellulaires ont également trouvé de nouvelles façons d’utiliser les fonctions existantes. Volvox et ses proches couvrent la transition vers la multicellularité. Alors que les individus de Volvox ont de 500 à 60 000 cellules disposées dans une sphère creuse, certains parents, comme les espèces de Gonium, ont aussi peu que quatre à 16 cellules; d’autres sont complètement unicellulaires. En comparant la biologie et la génétique le long du continuum d’une cellule à des milliers, les biologistes glanent les exigences pour devenir de plus en plus complexes. « Ce que ce groupe d’algues nous a appris, ce sont quelques-unes des étapes de l’évolution d’un organisme multicellulaire », explique Matthew Herron, biologiste de l’évolution au Georgia Institute of Technology d’Atlanta.

Ces études montrent que de nombreuses fonctions de cellules spécialisées dans un organisme complexe ne sont pas nouvelles. Au lieu de cela, les caractéristiques et les fonctions observées chez les organismes unicellulaires sont réarrangées dans le temps et dans l’espace chez leurs parents multicellulaires, explique Corina Tarnita, biologiste théorique à l’Université de Princeton. Par exemple, chez un parent unicellulaire de Volvox, Chlamydomonas, les organites appelés centrioles font double emploi. Pendant une grande partie de la durée de vie de la cellule, ils ancrent les deux flagelles tourbillonnants qui propulsent la cellule dans l’eau. Mais lorsque cette cellule se prépare à se reproduire, elle perd les flagelles et les centrioles se déplacent vers le noyau, où elles aident à séparer les chromosomes de la cellule en division. Plus tard, les cellules filles repoussent chacune les flagelles. Les chlamydomonas peuvent à la fois nager et se reproduire, mais pas en même temps.

Le Volvox multicellulaire peut faire les deux à la fois, car ses cellules se sont spécialisées. Les plus petites cellules ont toujours des flagelles, qui balaient les nutriments à la surface du Volvox et l’aidaient à nager. Les cellules plus grandes n’ont pas de flagelles et utilisent plutôt les centrioles à temps plein pour la division cellulaire.

Volvox a également réutilisé d’autres caractéristiques de l’ancêtre à cellule unique. Chez Chlamydomonas, une ancienne voie de réponse au stress bloque la reproduction la nuit, lorsque la photosynthèse s’arrête et que les ressources sont plus rares. Mais chez Volvox, la même voie est active tout le temps dans ses cellules nageuses, pour maintenir leur reproduction en permanence à distance. Ce qui était une réponse à un signal environnemental chez l’ancêtre unicellulaire a été coopté pour promouvoir la division du travail dans son descendant plus complexe, dit Kerr.

Un troisième ensemble d’organismes laisse entrevoir comment cette réaffectation de gènes et de fonctions existants aurait pu avoir lieu. Au cours de la dernière décennie, Ruiz-Trillo et ses collègues ont comparé plus d’une douzaine de génomes protistes à ceux d’animaux — une comparaison qui a souligné la plus grande taille et la complexité des génomes animaux, ont-ils rapporté le 20 juillet dans eLife. Mais une conclusion plus révélatrice est venue lorsque Ruiz-Trillo; Arnau Sebé-Pedrós, maintenant à l’Institut Weizmann des sciences à Rehovot, en Israël; et Luciano di Croce au Centre de régulation génomique de Barcelone ont analysé le portefeuille de signaux de régulation génique du Capsaspora protiste. Ils ont découvert que le protiste utilise certaines des mêmes molécules que les animaux pour activer et désactiver les gènes à des moments et à des endroits particuliers: des protéines appelées facteurs de transcription et de longs brins d’ARN qui ne codent pas les protéines. Mais ses promoteurs — l’ADN régulateur qui interagit avec les facteurs de transcription — étaient beaucoup plus courts et plus simples que chez les animaux, ont rapporté les groupes le 19 mai 2016 dans Cell, suggérant une régulation moins sophistiquée.

Pour Ruiz-Trillo et son équipe, la découverte indique une clé de la multicellularité: un réglage plus fin de la régulation des gènes. Ce qui semblait être un grand saut par rapport aux ancêtres unicellulaires semble moins intimidant s’il s’agissait en partie de réinitialiser les commutateurs génétiques, permettant aux gènes existants d’être actifs à des moments et à des endroits nouveaux. « C’est ce que fait toujours evolution, qui utilise des choses qui existent à de nouvelles fins », explique William Ratcliff de Georgia Tech.

Cette réutilisation économe peut expliquer les transitions rapides qui se sont déroulées dans le laboratoire de Ratcliff. Au lieu de regarder les archives fossiles ou de comparer les génomes d’organismes existants, il a recréé l’évolution dans des cultures de laboratoire. « Mes propres recherches n’ont pas été d’essayer de savoir ce qui s’est passé dans le monde réel, mais d’examiner le processus d’évolution des cellules, une complexité accrue », explique-t-il.

En tant que postdoc travaillant avec Michael Travisano à l’Université du Minnesota à St. Paul, Ratcliff a soumis des cultures de levure à une forme de sélection artificielle. Il a permis seulement aux plus grosses cellules – mesurées par la vitesse à laquelle elles se sont installées au fond du flacon – de survivre et de se reproduire. Dans les 2 mois, des amas multicellulaires ont commencé à apparaître, alors que des cellules filles nouvellement formées collaient à leurs mères et formaient des structures de ramification.

Au fur et à mesure que chaque culture continuait d’évoluer — certaines ont maintenant traversé plus de 3000 générations — les flocons de neige grossissaient, les cellules de levure devenaient plus durables et plus allongées, et un nouveau mode de reproduction évoluait. Dans la levure de gros flocons de neige, quelques cellules le long de longues branches subissent une forme de suicide, libérant les cellules à la pointe pour démarrer un nouveau flocon de neige. La cellule mourante sacrifie sa vie pour que le groupe puisse se reproduire. C’est une forme rudimentaire de différenciation cellulaire, explique Ratcliff. Il vient de commencer à explorer la base génétique de ces traits d’apparition rapide; il semble qu’il s’agisse d’un mélange de gènes existants cooptés pour de nouvelles fonctions et d’autres gènes – tels que celui qui aide à séparer les cellules de levure — deviennent désactivés.

La levure a également développé une protection essentielle à la multicellularité: un moyen de tenir les tricheurs cellulaires à distance. De tels tricheurs surviennent lorsque des mutations rendent certaines cellules différentes des autres, et peut-être moins coopératives. Chez les organismes complexes tels que les humains, la protection provient en partie d’un système immunitaire qui détruit les cellules aberrantes. Cela dépend également d’un goulot d’étranglement entre les générations, dans lequel une seule cellule (un œuf fécondé, par exemple) sert de point de départ à la génération suivante. Le résultat est que toutes les cellules de la nouvelle génération commencent génétiquement identiques. Les levures de flocon de neige ont leur propre façon de se purger des cellules déviantes. Parce que les mutations s’accumulent avec le temps, les cellules les plus aberrantes se trouvent aux extrémités des flocons de neige. Mais ils se séparent pour former de nouvelles colonies avant d’avoir une chance de devenir des tricheurs.

Ce mécanisme permet également à des traits de groupe d’évoluer dans la levure. Les mutations dans les cellules libérées de chaque branche de flocon de neige sont transmises à toutes les cellules de la colonie suivante. Par conséquent, les flocons de neige suivants commencent avec de nouveaux traits de groupe — par exemple la taille et le nombre de cellules ou la fréquence et l’emplacement des cellules suicidaires — qui deviennent du grain pour une évolution ultérieure. À partir de ce moment, c’est l’assemblage, pas les cellules individuelles, qui s’adapte.

Les résultats de la levure n’étaient pas un hasard. En 2014, Ratcliff et ses collègues ont appliqué le même type de sélection pour des cellules plus grandes à Chlamydomonas, l’algue unicellulaire, et ont de nouveau vu des colonies émerger rapidement. Pour répondre aux critiques selon lesquelles sa technique de sélection artificielle était trop artificielle, Herron et lui ont ensuite répété l’expérience de Chlamydomonas avec une pression sélective plus naturelle: une population de paramécies qui mangent des Chlamydomonas — et ont tendance à prélever les plus petites cellules. Encore une fois, une sorte de multicellularité n’a pas tardé à apparaître: En l’espace de 750 générations — environ un an — deux des cinq populations expérimentales avaient commencé à se former et à se reproduire en groupes, a écrit l’équipe le 12 janvier dans une préimpression sur bioRxiv.

Si la multicellularité est si facile, pourquoi a-t-il fallu plusieurs milliards d’années après l’origine de la vie pour que des organismes complexes s’établissent fermement? Traditionnellement, les chercheurs ont blâmé les faibles niveaux d’oxygène de l’atmosphère précoce: Pour obtenir suffisamment d’oxygène, les organismes avaient besoin du rapport surface / volume le plus élevé possible, ce qui les obligeait à rester petits. Ce n’est qu’après que les niveaux d’oxygène ont augmenté il y a environ 1 milliard d’années que des organismes multicellulaires plus gros pourraient apparaître.

En 2015, cependant, Nicholas Butterfield, paléontologue à l’Université de Cambridge au Royaume-Uni, a proposé que de faibles niveaux d’oxygène favorisaient en fait l’évolution de la multicellularité dans les organismes marins anciens. Les organismes multicellulaires plus gros – avec de multiples flagelles – étaient meilleurs pour balayer l’eau au-delà de leurs membranes cellulaires pour récolter de l’oxygène. La rareté des nutriments dans les mers anciennes aurait contribué à la prochaine étape, l’évolution de types de cellules spécialisées, car des organismes plus complexes peuvent récolter la nourriture plus efficacement. Quant à savoir pourquoi les organismes complexes ont mis si longtemps à émerger, Butterfield pense que le décalage reflète le temps qu’il a fallu pour faire évoluer la régulation génétique plus sophistiquée nécessaire à la multicellularité.

La théorie de Butterfield « est vraiment assez élégante et simple, s’appuyant sur les premiers principes de la physique et de la chimie, dans un contexte géochimique, biogéochimique et biophysique profond », explique Richard Grosberg, biologiste évolutionniste à l’UC Davis.

Une fois que les organismes ont franchi le seuil de la multicellularité, ils font rarement demi-tour. Dans de nombreuses lignées, le nombre de types de cellules et d’organes a continué de croître et ils ont développé des moyens de plus en plus sophistiqués de coordonner leurs activités. Ratcliff et Eric Libby, biologiste théorique à l’Université d’Umeå en Suède, ont proposé il y a 4 ans qu’un effet de cliquet prenait le dessus, entraînant une augmentation inexorable de la complexité. Plus les cellules des organismes complexes devenaient spécialisées et dépendantes les unes des autres, plus il était difficile de revenir à un mode de vie unicellulaire. Les biologistes évolutionnistes Guy Cooper et Stuart West de l’Université d’Oxford au Royaume-Uni ont récemment confirmé cette image dans des simulations mathématiques. « La division du travail n’est pas une conséquence mais un moteur » d’organismes plus complexes, ont écrit Cooper et West le 28 mai dans Nature Ecology &Evolution.

Touché par le passage initial d’une cellule à plusieurs, un cycle de complexité croissante s’est installé, et la richesse de la vie multicellulaire aujourd’hui en est le résultat.