Miliardi di anni fa, la vita ha attraversato una soglia. Le singole cellule iniziarono a unirsi, e un mondo di vita unicellulare informe stava per evolversi nel tripudio di forme e funzioni della vita multicellulare di oggi, dalle formiche ai peri alle persone. È una transizione epocale come qualsiasi nella storia della vita, e fino a poco tempo fa non avevamo idea di come sia successo.

Il divario tra vita unicellulare e multicellulare sembra quasi incolmabile. L’esistenza di una singola cellula è semplice e limitata. Come gli eremiti, i microbi devono solo preoccuparsi di nutrirsi; non è necessario né il coordinamento né la cooperazione con gli altri, anche se alcuni microbi occasionalmente uniscono le forze. Al contrario, le cellule di un organismo multicellulare, dalle quattro cellule di alcune alghe ai 37 trilioni di un essere umano, rinunciano alla loro indipendenza per rimanere tenacemente uniti; assumono funzioni specializzate e riducono la propria riproduzione per il bene superiore, crescendo solo quanto hanno bisogno per adempiere alle loro funzioni. Quando si ribellano, il cancro può scoppiare.

La multicellularità porta nuove funzionalità. Gli animali, ad esempio, ottengono mobilità per cercare un habitat migliore, eludendo i predatori e inseguendo le prede. Le piante possono sondare in profondità nel terreno per acqua e sostanze nutritive; possono anche crescere verso punti soleggiati per massimizzare la fotosintesi. I funghi costruiscono massicce strutture riproduttive per diffondere le loro spore. Ma per tutti i benefici della multicellularità, dice László Nagy, un biologo evoluzionista presso il Centro di ricerca biologica dell’Accademia ungherese delle Scienze di Szeged, è stato tradizionalmente “visto come una transizione importante con grandi ostacoli genetici ad esso.”

Ora, Nagy e altri ricercatori stanno imparando che potrebbe non essere stato così difficile dopo tutto. Le prove provengono da più direzioni. Le storie evolutive di alcuni gruppi di organismi registrano ripetute transizioni da forme unicellulari a multicellulari, suggerendo che gli ostacoli non avrebbero potuto essere così alti. I confronti genetici tra semplici organismi multicellulari e i loro parenti unicellulari hanno rivelato che gran parte dell’attrezzatura molecolare necessaria per le cellule per unirsi e coordinare le loro attività potrebbe essere stata in atto ben prima che la multicellularità si evolvesse. E esperimenti intelligenti hanno dimostrato che nella provetta, la vita unicellulare può evolvere gli inizi della multicellularità in poche centinaia di generazioni-un istante evolutivo.

I biologi evoluzionisti discutono ancora di ciò che ha spinto semplici aggregati di cellule a diventare sempre più complessi, portando alla meravigliosa diversità della vita di oggi. Ma intraprendere quella strada non sembra più così scoraggiante. “Stiamo cominciando a capire come potrebbe essere accaduto”, dice Ben Kerr, un biologo evoluzionista presso l’Università di Washington a Seattle. “Fai quello che sembra essere un passo importante nell’evoluzione e ne fai una serie di passi minori.”

Suggerimenti della multicellularità data indietro di 3 miliardi di anni, quando le impressioni di quello che sembra essere stuoie di microbi vengono visualizzati nella documentazione fossile. Alcuni hanno sostenuto che 2 miliardi di anni, fossili a forma di bobina di quello che può essere alghe blu-verde o verde-trovato negli Stati Uniti e in Asia e soprannominato Grypania spiralis-o 2.i filamenti microscopici di 5 miliardi di anni registrati in Sud Africa rappresentano la prima vera prova della vita multicellulare. Altri tipi di organismi complessi non appaiono fino a molto più tardi nella documentazione fossile. Le spugne, considerate da molti come l’animale vivente più primitivo, possono risalire a 750 milioni di anni fa, ma molti ricercatori considerano un gruppo di creature simili a fronde chiamate Ediacarani, comuni circa 570 milioni di anni fa, come i primi fossili animali definitivi. Allo stesso modo, le spore fossili suggeriscono che le piante multicellulari si siano evolute dalle alghe almeno 470 milioni di anni fa.

Piante e animali hanno fatto il salto alla multicellularità solo una volta. Ma in altri gruppi, la transizione ha avuto luogo ancora e ancora. I funghi probabilmente si sono evoluti multicellularità complessa sotto forma di corpi fruttiferi—pensa ai funghi—in circa una dozzina di occasioni separate, Nagy ha concluso in un preprint pubblicato 8 Dicembre 2017 su bioRxiv, sulla base di una revisione di come diverse specie di funghi—alcuni unicellulari, alcuni multicellulari-sono correlati tra loro. Lo stesso vale per le alghe: le alghe rosse, marroni e verdi hanno tutte evoluto le loro forme multicellulari negli ultimi miliardi di anni o giù di lì.

Nicole King, una biologa dell’Università della California (UC), Berkeley, ha trovato una finestra rivelatrice su quelle antiche transizioni: i choanoflagellati, un gruppo di protisti viventi che sembra sul punto di fare il salto verso la multicellularità. Questi cugini unicellulari di animali, dotati di un flagello a forma di frusta e un collare di peli più corti, assomigliano alle cellule “collare” filtranti che rivestono i canali delle spugne. Alcuni choanoflagellati stessi possono formare colonie sferiche. Più di 2 decenni fa, King imparò a coltivare e studiare queste creature acquatiche, e nel 2001 le sue analisi genetiche stavano iniziando a sollevare dubbi sulla visione allora attuale che la transizione alla multicellularità fosse un importante salto genetico.

Il suo laboratorio ha iniziato a girare gene dopo gene una volta pensato per essere esclusivo di animali complessi—e apparentemente non necessari in una cellula solitaria. I choanoflagellati hanno geni per le tirosin chinasi, enzimi che, negli animali complessi, aiutano a controllare le funzioni delle cellule specializzate, come la secrezione di insulina nel pancreas. Hanno regolatori di crescita cellulare come p53, un gene noto per il suo legame con il cancro negli esseri umani. Hanno anche geni per cadherine e lectine di tipo C, proteine che aiutano le cellule a stare insieme, mantenendo intatto un tessuto.

Tutto sommato, esaminando i geni attivi in 21 specie choanoflagellate, il gruppo di King ha scoperto che questi organismi “semplici” hanno alcune famiglie geniche 350 una volta ritenute esclusive degli animali multicellulari, hanno riferito il 31 maggio a eLife. Se, come lei e altri credono, i choanoflagellati offrono uno scorcio dell’antenato unicellulare degli animali, quell’organismo era già ben attrezzato per la vita multicellulare. King e il suo laboratorio “hanno messo i protisti in prima linea nella ricerca per affrontare le origini animali”, afferma Iñaki Ruiz-Trillo, biologo evoluzionista presso il Consiglio Nazionale delle ricerche spagnolo e l’Università Pompeu Fabra di Barcellona, in Spagna.

Prendi quello che sembra essere un passo importante nell’evoluzione e lo rendi una serie di passi minori.

Le versioni ancestrali di quei geni potrebbero non aver fatto gli stessi lavori che in seguito hanno assunto. Ad esempio, i choanoflagellati hanno geni per le proteine cruciali per i neuroni, eppure le loro cellule non assomigliano alle cellule nervose, dice King. Allo stesso modo, il loro flagello ha una proteina che nei vertebrati aiuta a creare l’asimmetria sinistra-destra del corpo, ma ciò che fa nell’organismo unicellulare è sconosciuto. E i genomi choanoflagellati non anticipano la multicellularità sotto ogni aspetto; mancano alcuni geni critici, inclusi fattori di trascrizione come Pax e Sox, importanti nello sviluppo animale. I geni mancanti ci danno “un’idea migliore di quali fossero le vere innovazioni animali”, dice King.

Quando le cellule si sono unite, non hanno semplicemente messo i geni esistenti a nuovi usi. Gli studi su Volvox, un’alga che forma belle sfere verdi flagellate, mostrano che gli organismi multicellulari hanno anche trovato nuovi modi per utilizzare le funzioni esistenti. Volvox e i suoi parenti abbracciano la transizione alla multicellularità. Mentre gli individui di Volvox hanno da 500 a 60.000 cellule disposte in una sfera cava, alcuni parenti, come la specie Gonium, hanno da quattro a 16 cellule; altri sono completamente unicellulari. Confrontando biologia e genetica lungo il continuum da una cellula a migliaia, i biologi stanno raccogliendo i requisiti per diventare sempre più complessi. “Ciò che questo gruppo di alghe ci ha insegnato sono alcuni dei passaggi coinvolti nell’evoluzione di un organismo multicellulare”, afferma Matthew Herron, biologo evoluzionista presso il Georgia Institute of Technology di Atlanta.

Questi studi dimostrano che molte funzioni di cellule specializzate in un organismo complesso non sono nuove. Invece, le caratteristiche e le funzioni viste negli organismi unicellulari sono riorganizzate nel tempo e nello spazio nei loro parenti multicellulari, dice Corina Tarnita, biologa teorica dell’Università di Princeton. Ad esempio, in un parente unicellulare di Volvox, Chlamydomonas, organelli chiamati centrioli fanno doppio dovere. Per gran parte della vita della cellula ancorano i due flagelli vorticosi che spingono la cellula attraverso l’acqua. Ma quando quella cellula si prepara a riprodursi, perde i flagelli e i centrioli si muovono verso il nucleo, dove aiutano a separare i cromosomi della cellula divisoria. Più tardi, le cellule figlie ricrescono ogni flagello. Chlamydomonas può nuotare e riprodursi, ma non allo stesso tempo.

Il Volvox multicellulare può fare entrambe le cose contemporaneamente, perché le sue cellule si sono specializzate. Le cellule più piccole hanno sempre flagelli, che spazzano i nutrienti sulla superficie del Volvox e lo aiutano a nuotare. Le cellule più grandi mancano di flagelli e invece usano i centrioli a tempo pieno per la divisione cellulare.

Volvox ha riproposto anche altre caratteristiche dell’antenato a cella singola. In Chlamydomonas, un antico percorso di risposta allo stress blocca la riproduzione durante la notte, quando la fotosintesi si spegne e le risorse sono più scarse. Ma in Volvox, lo stesso percorso è attivo tutto il tempo nelle sue cellule di nuoto, per mantenere la loro riproduzione permanentemente a bada. Quello che era una risposta a un segnale ambientale nel singolo antenato cellulare è stato cooptato per promuovere la divisione del lavoro nel suo discendente più complesso, Kerr dice.

Un terzo gruppo di organismi suggerisce come questa riproposizione di geni e funzioni esistenti potrebbe aver avuto luogo. Negli ultimi dieci anni, Ruiz-Trillo ei suoi colleghi hanno confrontato più di una dozzina di genomi protisti con quelli degli animali-un confronto che ha sottolineato la maggiore dimensione e complessità dei genomi animali, hanno riferito il 20 luglio a eLife. Ma una scoperta più eloquente è arrivata quando Ruiz-Trillo; Arnau Sebé-Pedrós, ora al Weizmann Institute of Science di Rehovot, Israele; e Luciano di Croce al Centre for Genomic Regulation di Barcellona hanno analizzato il portafoglio di segnali di regolazione genica di protist Capsaspora. Hanno scoperto che il protista usa alcune delle stesse molecole degli animali per accendere e spegnere i geni in momenti e luoghi particolari: proteine chiamate fattori di trascrizione e lunghi filamenti di RNA che non codificano le proteine. Ma i suoi promotori – il DNA normativo che interagisce con i fattori di trascrizione-erano molto più brevi e più semplici che negli animali, i gruppi hanno riferito su 19 May 2016 in Cell, suggerendo una regolazione meno sofisticata.

Per Ruiz-Trillo e il suo team, la scoperta indica una chiave per la multicellularità: una maggiore messa a punto della regolazione genica. Quello che sembrava un grande salto dagli antenati unicellulari sembra meno scoraggiante se si trattava in parte di reimpostare gli interruttori genetici, consentendo ai geni esistenti di essere attivi in tempi e luoghi nuovi. “Questo è ciò che l’evoluzione fa sempre, fa uso di cose che sono in giro per nuovi scopi”, afferma William Ratcliff di Georgia Tech.

Questo repurposing parsimonioso può spiegare le rapide transizioni che si sono svolte nel laboratorio di Ratcliff. Invece di guardare la documentazione fossile o confrontando genomi di organismi esistenti, ha ricreato l’evoluzione in culture di laboratorio. “La mia ricerca non è stata cercare di scoprire cosa è successo nel mondo reale, ma di guardare il processo di come le cellule si evolvono maggiore complessità”, spiega.

Come postdoc lavorando con Michael Travisano presso l’Università del Minnesota a St. Paul, Ratcliff ha sottoposto le colture di lievito a una forma di selezione artificiale. Permise solo alle cellule più grandi-misurate dalla velocità con cui si stabilirono sul fondo del pallone—di sopravvivere e riprodursi. Entro 2 mesi, cominciarono ad apparire cluster multicellulari, poiché le cellule figlie appena formate si attaccavano alle loro madri e formavano strutture ramificate.

Man mano che ogni coltura continuava ad evolversi—alcune hanno attraversato più di 3000 generazioni—i fiocchi di neve diventavano più grandi, le cellule di lievito diventavano più resistenti e più allungate e si è evoluta una nuova modalità di riproduzione. Nel grande lievito di fiocco di neve, alcune cellule lungo i rami lunghi subiscono una forma di suicidio, rilasciando le cellule sulla punta per iniziare un nuovo fiocco di neve. La cellula morente sacrifica la sua vita in modo che il gruppo possa riprodursi. È una forma rudimentale di differenziazione cellulare, spiega Ratcliff. Ha appena iniziato a esplorare le basi genetiche di questi tratti che appaiono veloci; sembra essere un mix di geni esistenti che vengono cooptati per nuove funzioni e altri geni—come quello che aiuta a separare le cellule di lievito—diventando disabilitati.

Il lievito ha anche sviluppato una salvaguardia che è la chiave per la multicellularità: un modo per tenere a bada gli imbroglioni cellulari. Tali imbroglioni sorgono quando le mutazioni rendono alcune cellule diverse dalle altre e possibilmente meno cooperative. In organismi complessi come gli esseri umani, la protezione viene in parte da avere un sistema immunitario per distruggere le cellule aberranti. Dipende anche da un collo di bottiglia tra le generazioni, in cui una singola cellula (un ovulo fecondato, ad esempio) funge da punto di partenza per la prossima generazione. Il risultato è che tutte le cellule della nuova generazione iniziano geneticamente identiche. I lieviti del fiocco di neve hanno il loro modo di spurgarsi dalle cellule devianti. Poiché le mutazioni si accumulano nel tempo, le cellule più aberranti si trovano sulle punte dei fiocchi di neve. Ma si staccano per formare nuove colonie prima di avere la possibilità di diventare imbroglioni.

Questo meccanismo consente anche ai tratti del gruppo di evolversi nel lievito. Le mutazioni nelle cellule rilasciate da ciascun ramo del fiocco di neve vengono trasmesse a tutte le cellule della colonia successiva. Di conseguenza, i fiocchi di neve successivi iniziano con nuovi tratti di gruppo – nella dimensione e nel numero di cellule o nella frequenza e nelle posizioni delle cellule suicide, per esempio—che diventano grist per un’ulteriore evoluzione. Da quel momento in poi, è l’assemblaggio, non le singole cellule, che si sta adattando.

I risultati del lievito non sono stati un colpo di fortuna. Nel 2014, Ratcliff ei suoi colleghi hanno applicato lo stesso tipo di selezione per cellule più grandi a Chlamydomonas, l’alga unicellulare, e di nuovo hanno visto emergere rapidamente colonie. Per affrontare le critiche che la sua tecnica di selezione artificiale era troppo artificioso, lui e Herron poi ripetuto l’esperimento Chlamydomonas con una pressione selettiva più naturale: una popolazione di paramecia che mangiano Chlamydomonas—e tendono a raccogliere le cellule più piccole. Ancora una volta una sorta di multicellularità è stata rapida ad apparire: Entro 750 generazioni-circa un anno-due delle cinque popolazioni sperimentali avevano iniziato a formarsi e riprodursi come gruppi, il team ha scritto il 12 gennaio in un preprint su bioRxiv.

Se multicellularità viene così facile, perché ci sono voluti diversi miliardi di anni dopo l’origine della vita per organismi complessi di diventare saldamente stabilito? Tradizionalmente, i ricercatori hanno accusato i bassi livelli di ossigeno della prima atmosfera: per ottenere abbastanza ossigeno, gli organismi avevano bisogno del più alto rapporto possibile tra superficie e volume, che li costringeva a rimanere piccoli. Solo dopo che i livelli di ossigeno sono aumentati di circa 1 miliardo di anni fa, potrebbero sorgere organismi multicellulari più grandi.

Nel 2015, tuttavia, Nicholas Butterfield, un paleontologo dell’Università di Cambridge nel Regno Unito, ha proposto che i bassi livelli di ossigeno favorissero effettivamente l’evoluzione della multicellularità negli antichi organismi marini. Organismi più grandi e multicellulari – con flagelli multipli-erano più bravi a spazzare l’acqua oltre le loro membrane cellulari per raccogliere ossigeno. Le scarse sostanze nutritive nei mari antichi avrebbero contribuito a guidare il passo successivo, l’evoluzione di tipi cellulari specializzati, perché organismi più complessi possono raccogliere il cibo in modo più efficiente. Per quanto riguarda il motivo per cui gli organismi complessi hanno impiegato così tanto tempo per emergere, Butterfield pensa che il ritardo rifletta il tempo necessario per evolvere la regolazione genica più sofisticata necessaria per la multicellularità.

La teoria di Butterfield “è davvero abbastanza elegante e semplice, basata sui primi principi della fisica e della chimica, ambientata in un contesto geochimico, biogeochimico e biofisico profondo”, afferma Richard Grosberg, biologo evoluzionista presso UC Davis.

Una volta che gli organismi avevano varcato la soglia della multicellularità, raramente tornavano indietro. In molti lignaggi, il numero di tipi di cellule e organi ha continuato a crescere, e hanno sviluppato modi sempre più sofisticati per coordinare le loro attività. Ratcliff e Eric Libby, un biologo teorico presso l’Università di Umeå in Svezia, hanno proposto 4 anni fa che un effetto a cricchetto ha preso il sopravvento, guidando un inesorabile aumento della complessità. Più le cellule di organismi complessi diventavano specializzate e dipendenti l’una dall’altra, più difficile era tornare a uno stile di vita unicellulare. I biologi evoluzionisti Guy Cooper e Stuart West dell’Università di Oxford nel Regno Unito hanno recentemente confermato questa immagine nelle simulazioni matematiche. “La divisione del lavoro non è una conseguenza ma un driver” di organismi più complessi, Cooper e West hanno scritto il 28 maggio in Nature Ecology & Evolution.

Sfiorato dalla transizione iniziale da una cellula a molte, un ciclo di crescente complessità ha preso piede, e la ricchezza della vita multicellulare oggi è il risultato.