miljarden jaren geleden passeerde het leven een drempel. Enkele cellen begonnen zich te verenigen, en een wereld van vormloos, eencellig leven was op koers om te evolueren naar de rel van vormen en functies van meercellig leven vandaag de dag, van mieren tot perenbomen tot mensen. Het is een overgang zo gedenkwaardig als elke andere in de geschiedenis van het leven, en tot voor kort hadden we geen idee hoe het gebeurde.

de kloof tussen eencellig en meercellig leven lijkt bijna onoverbrugbaar. Het bestaan van een enkele cel is eenvoudig en beperkt. Net als kluizenaars hoeven microben zich alleen bezig te houden met het voeden van zichzelf; coördinatie noch samenwerking met anderen is nodig, hoewel sommige microben af en toe hun krachten bundelen. Daarentegen geven cellen in een meercellig organisme, van de vier cellen in sommige algen tot de 37 biljoen in een mens, hun onafhankelijkheid op om hardnekkig aan elkaar te blijven kleven.; ze nemen gespecialiseerde functies op zich, en ze beperken hun eigen reproductie voor het grotere goed, groeien slechts zoveel als ze nodig hebben om hun functies te vervullen. Als ze in opstand komen, kan kanker uitbreken.

Multicellulariteit brengt nieuwe mogelijkheden. Dieren, bijvoorbeeld, krijgen mobiliteit voor het zoeken naar een betere habitat, ontsnappen roofdieren, en jagen op prooien. Planten kunnen diep in de grond zoeken naar water en voedingsstoffen; ze kunnen ook naar zonnige plekken groeien om de fotosynthese te maximaliseren. Schimmels bouwen enorme voortplantingsstructuren om hun sporen te verspreiden. Maar ondanks alle voordelen van multicellulariteit, zegt László Nagy, evolutionair bioloog aan het Centrum voor biologisch onderzoek van de Hongaarse Academie van Wetenschappen in Szeged, wordt het traditioneel gezien als een belangrijke overgang met grote genetische hindernissen.”

nu leren Nagy en andere onderzoekers dat het misschien toch niet zo moeilijk was. Het bewijs komt uit meerdere richtingen. De evolutionaire geschiedenis van sommige groepen organismen registreert herhaalde overgangen van eencellige naar meercellige vormen, wat suggereert dat de hindernissen niet zo hoog kunnen zijn geweest. Genetische vergelijkingen tussen eenvoudige meercellige organismen en hun eencellige familieleden hebben aangetoond dat veel van de moleculaire apparatuur die nodig is voor cellen om samen te binden en hun activiteiten te coördineren, op hun plaats kan zijn geweest lang voordat multicellulariteit geëvolueerd. En slimme experimenten hebben aangetoond dat in de reageerbuis, eencellig leven het begin van multicellulariteit kan evolueren in slechts een paar honderd generaties—een evolutionair moment.evolutionaire biologen debatteren nog steeds over de reden waarom eenvoudige aggregaten van cellen steeds complexer werden, wat leidde tot de wonderbaarlijke diversiteit van het leven vandaag de dag. Maar die weg inslaan lijkt niet langer zo ontmoedigend. “We beginnen een idee te krijgen van hoe het heeft kunnen gebeuren,” zegt Ben Kerr, een evolutionair bioloog aan de Universiteit van Washington in Seattle. “Je neemt wat een grote stap lijkt te zijn in de evolutie en maakt er een reeks kleine stappen van.”

Hints van multicellulariteit dateren 3 miljard jaar geleden, toen indrukken van wat matten van microben lijken te zijn in het fossielenbestand verschijnen. Sommigen hebben betoogd dat 2 miljard jaar oude, spiraalvormige fossielen van wat blauw-groene of groene algen-gevonden in de Verenigde Staten en Azië en nagesynchroniseerde Grypania spiralis – of 2.5 miljard jaar oude microscopische filamenten die in Zuid-Afrika zijn geregistreerd, vormen het eerste echte bewijs van meercellig leven. Andere soorten complexe organismen verschijnen pas veel later in het fossielenbestand. Sponzen, door velen beschouwd als het meest primitieve levende dier, kan dateren uit 750 miljoen jaar geleden, maar veel onderzoekers beschouwen een groep van schijfachtige wezens genaamd de Ediacarans, gemeenschappelijk ongeveer 570 miljoen jaar geleden, als de eerste definitieve dierlijke fossielen. Fossiele sporen wijzen op meercellige planten die minstens 470 miljoen jaar geleden uit algen zijn geëvolueerd.

planten en dieren maakten elk maar één keer de sprong naar multicellulariteit. Maar in andere groepen vond de transitie keer op keer plaats. Schimmels evolueerden waarschijnlijk complexe multicellulariteit in de vorm van vruchtlichamen—denk aan paddenstoelen—op ongeveer een dozijn verschillende gelegenheden, concludeerde Nagy in een preprint geplaatst 8 December 2017 op bioRxiv, gebaseerd op een overzicht van hoe verschillende soorten schimmels—sommige eencellig, sommige meercellig-zijn gerelateerd aan elkaar. Hetzelfde geldt voor algen: rode, bruine en groene algen evolueerden allemaal hun eigen meercellige vormen in de afgelopen miljard jaar of zo.Nicole King, een bioloog aan de University of California (UC), Berkeley, vond een onthullend venster op deze oude overgangen: choanoflagellaten, een groep levende protisten die op het punt staat de sprong naar multicellulariteit te maken. Deze eencellige neven van dieren, begiftigd met een zweepvormig flagellum en een kraag van kortere haren, lijken op de voedsel-filterende “kraag” cellen die de kanalen van sponzen lijnen. Sommige choanoflagellaten kunnen zelf bolvormige kolonies vormen. Meer dan twee decennia geleden leerde King deze waterdieren te cultiveren en te bestuderen, en tegen 2001 begonnen haar genetische analyses twijfels te wekken over de toenmalige opvatting dat de overgang naar multicellulariteit een grote genetische sprong was.

haar lab begon gen op te duiken na gen waarvan ooit werd gedacht dat het exclusief was voor complexe dieren—en schijnbaar overbodig in een solitaire cel. Choanoflagellaten hebben genen voor tyrosinekinasen, enzymen die bij complexe dieren de functies van gespecialiseerde cellen, zoals insulinesecretie in de alvleesklier, helpen beheersen. Zij hebben de regelgevers van de celgroei zoals p53, een gen berucht om zijn verbinding aan kanker in mensen. Ze hebben zelfs genen voor cadherinen en c-type lectinen, eiwitten die cellen helpen bij elkaar te blijven, waardoor een weefsel intact blijft.door de actieve genen van 21 soorten choanoflagellaten te onderzoeken, ontdekte King ‘ s group dat deze “eenvoudige” organismen ongeveer 350 genfamilies hebben waarvan ooit werd aangenomen dat ze exclusief waren voor meercellige dieren, rapporteerden ze op 31 mei in eLife. Als, zoals zij en anderen geloven, choanoflagellaten een glimp geven van de eencellige voorouder van dieren, was dat organisme al goed toegerust voor meercellig leven. King en haar lab “hebben protisten aan het front gezet van onderzoek naar dierlijke oorsprong”, zegt Iñaki Ruiz-Trillo, een evolutionair bioloog aan de Spaanse Nationale Onderzoeksraad en de Pompeu Fabra Universiteit in Barcelona, Spanje.

u neemt een belangrijke stap in de evolutie en maakt er een reeks kleine stappen van.

de voorouderlijke versies van deze genen hebben mogelijk niet dezelfde taken uitgevoerd als later. Choanoflagellaten hebben bijvoorbeeld genen voor eiwitten die cruciaal zijn voor neuronen, en toch lijken hun cellen niet op zenuwcellen, zegt King. Ook hun flagellum heeft een eiwit dat in gewervelde dieren helpt creëren links-rechts asymmetrie van het lichaam, maar wat het doet in het eencellige organisme is onbekend. En choanoflagellaten anticiperen niet op multicellulariteit in elk opzicht; zij missen sommige kritieke genen, met inbegrip van transcriptiefactoren zoals Pax en Sox, belangrijk in dierlijke ontwikkeling. De ontbrekende genen geven ons “een beter idee van wat de werkelijke dierlijke innovaties waren”, zegt King.

omdat cellen samenbonden, hebben ze niet alleen bestaande genen voor nieuwe toepassingen gebruikt. Studies van Volvox, een alg die mooie, flagellated groene ballen vormt, tonen aan dat meercellige organismen ook nieuwe manieren vonden om bestaande functies te gebruiken. Volvox en zijn verwanten overspannen de overgang naar multicellulariteit. Terwijl de Volvox-individuen 500 tot 60.000 cellen hebben die in een holle bol worden gerangschikt, hebben sommige verwanten, zoals de Goniumspecies, slechts vier tot 16 cellen; anderen zijn volledig eencellig. Door biologie en genetica langs het continuüm van één cel met duizenden te vergelijken, verzamelen biologen de vereisten om steeds complexer te worden. “Wat deze groep algen ons heeft geleerd zijn enkele stappen die betrokken zijn bij de evolutie van een meercellig organisme,” zegt Matthew Herron, een evolutionair bioloog aan het Georgia Institute of Technology in Atlanta.

deze studies tonen aan dat veel functies van gespecialiseerde cellen in een complex organisme niet nieuw zijn. In plaats daarvan worden kenmerken en functies die in eencellige organismen worden gezien, herschikt in tijd en ruimte in hun meercellige verwanten, zegt Corina Tarnita, een theoretisch bioloog aan de Princeton University. Bijvoorbeeld, in een eencellig familielid van Volvox, Chlamydomonas, organellen genoemd centrioles doen dubbele plicht. Voor een groot deel van de levensduur van de cel verankeren ze de twee wervelende flagella die de cel voortstuwen door het water. Maar als die cel zich voorbereidt om zich voort te planten, verliest hij de flagella, en de centriolen bewegen naar de kern, waar ze helpen de chromosomen van de delende cel uit elkaar te trekken. Later groeien de dochtercellen weer aan de flagella. Chlamydomonas kan zowel zwemmen als zich voortplanten, maar niet tegelijkertijd.

multicellulair Volvox kan beide tegelijk doen, omdat de cellen zich hebben gespecialiseerd. De kleinere cellen hebben altijd flagella, die voedingsstoffen over het oppervlak van de Volvox vegen en het helpen zwemmen. De grotere cellen missen flagella en in plaats daarvan gebruiken centrioles full time voor celdeling.

Volvox heeft ook andere kenmerken van de eencellige voorouder hergebruikt. In Chlamydomonas, een oude stress reactie pad blokkeert reproductie ‘ s nachts, wanneer de fotosynthese wordt afgesloten en de middelen schaarser zijn. Maar bij Volvox is dezelfde route de hele tijd actief in zijn zwemcellen, om hun voortplanting permanent op afstand te houden. Wat was een reactie op een milieusignaal in de eencellige voorouder is gecoöpteerd voor het bevorderen van de verdeling van de arbeid in zijn meer complexe afstammeling, Kerr zegt.

een derde reeks organismen geeft aan hoe deze herbestemming van bestaande genen en functies had kunnen plaatsvinden. In de afgelopen tien jaar hebben Ruiz-Trillo en zijn collega ‘ s meer dan een dozijn protistische genomen vergeleken met die van dieren—een vergelijking die de grotere omvang en complexiteit van de dierlijke genomen onderstreepte, rapporteerden ze op 20 juli in eLife. Maar een veelzeggender bevinding kwam toen Ruiz-Trillo, Arnau Sebé-Pedrós, nu aan het Weizmann Instituut voor Wetenschap in Rehovot, Israël, en Luciano di Croce in Barcelona ‘ s Centrum voor genomische regulering de portfolio van genregulerende signalen van protist Capsaspora analyseerden. Ze ontdekten dat de protist een aantal van dezelfde moleculen als dieren gebruikt om genen aan en uit te zetten op bepaalde tijden en plaatsen: eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd en lange strengen RNA die geen eiwitten coderen. Maar de promotors – het regulerende DNA dat interageert met transcriptiefactoren-waren veel korter en eenvoudiger dan bij dieren, rapporteerden de groepen op 19 mei 2016 in de cel, wat minder geavanceerde regelgeving suggereerde.voor Ruiz-Trillo en zijn team wijst de bevinding op een sleutel tot multicellulariteit: verhoogde fijnafstelling van genregulatie. Wat een enorme sprong leek van eencellige voorouders ziet er minder ontmoedigend uit als het deels een kwestie was van het resetten van de genetische schakelaars, waardoor bestaande genen actief konden zijn op nieuwe tijden en plaatsen. “Dit is wat evolution altijd doet, maakt gebruik van dingen die er zijn voor nieuwe doeleinden,” zegt William Ratcliff van Georgia Tech.

die zuinige herbestemming kan de snelle overgangen verklaren die zich hebben ontvouwen in Ratcliff ‘ s lab. In plaats van te kijken naar het fossielenbestand of het vergelijken van genomen van bestaande organismen, heeft hij de evolutie in labculturen herschapen. “Mijn eigen onderzoek was niet om erachter te komen wat er in de echte wereld gebeurde, maar om te kijken naar het proces van hoe cellen evolueren verhoogde complexiteit,” legt hij uit.als postdoc in samenwerking met Michael Travisano aan de Universiteit van Minnesota in St.Paul onderwierp Ratcliff gistculturen aan een vorm van kunstmatige selectie. Hij liet alleen de grootste cellen—gemeten aan de hand van hoe snel ze zich op de bodem van de kolf vestigden-overleven en zich voortplanten. Binnen 2 maanden, multicellular clusters begonnen te verschijnen, als nieuw gevormde dochtercellen geplakt aan hun moeders en gevormde vertakkende structuren.

naarmate elke cultuur verder evolueerde—sommige zijn nu al meer dan 3000 generaties doorgegaan—werden de sneeuwvlokken groter, werden de gistcellen duurzamer en langer, en ontwikkelde zich een nieuwe manier van voortplanting. In grote sneeuwvlok gist, een paar cellen langs lange takken ondergaan een vorm van zelfmoord, het vrijgeven van de cellen aan de top om een nieuwe sneeuwvlok te beginnen. De stervende cel offert zijn leven op zodat de groep zich kan voortplanten. Het is een rudimentaire vorm van celdifferentiatie, legt Ratcliff uit. Hij is net begonnen met het onderzoeken van de genetische basis van deze snel verschijnende eigenschappen; het lijkt een mix van bestaande genen worden gecoöpteerd voor nieuwe functies en andere genen-zoals een die helpt scheiden gistcellen scheiden—steeds uitgeschakeld.

de gist ontwikkelde ook een beveiliging die de sleutel is tot multicellulariteit: een manier om cellulaire valsspelers op afstand te houden. Dergelijke bedriegers ontstaan wanneer mutaties maken sommige cellen anders dan anderen, en mogelijk minder coöperatief. In complexe organismen zoals mensen, komt de bescherming gedeeltelijk van het hebben van een immuunsysteem om afwijkende cellen te vernietigen. Het hangt ook af van een bottleneck tussen generaties, waarin een enkele cel (een bevruchte eicel, bijvoorbeeld) dient als uitgangspunt voor de volgende generatie. Het resultaat is dat alle cellen in de nieuwe generatie genetisch identiek beginnen. Sneeuwvlokgisten hebben hun eigen manier om zich te zuiveren van afwijkende cellen. Omdat mutaties zich in de loop van de tijd ophopen, worden de meest afwijkende cellen gevonden op de toppen van de sneeuwvlokken. Maar ze breken af om nieuwe kolonies te vormen voordat ze een kans hebben om valsspelers te worden.

dit mechanisme maakt het ook mogelijk groepseigenschappen in de gist te ontwikkelen. Mutaties in de cellen die vrijkomen uit elke sneeuwvloktak worden doorgegeven aan alle cellen in de volgende kolonie. Bijgevolg beginnen latere sneeuwvlokken met nieuwe groepskenmerken – in de grootte en het aantal cellen of de frequentie en locaties van zelfmoordcellen, bijvoorbeeld—die koren worden voor verdere evolutie. Vanaf dat moment is het de assemblage, niet de individuele cellen, die zich aanpast.

de resultaten van de gist waren geen toeval. In 2014, Ratcliff en zijn collega ‘ s toegepast dezelfde soort selectie voor grotere cellen Chlamydomonas, de eencellige alg, en opnieuw zag kolonies snel ontstaan. Om kritiek te uiten dat zijn kunstmatige selectietechniek te gekunsteld was, herhaalden hij en Herron het Chlamydomonas-experiment met een meer natuurlijke selectieve druk: een populatie van paramecia die Chlamydomonas eten-en de neiging hebben om de kleinere cellen eruit te halen. Weer een soort van multicellulariteit was snel te verschijnen: Binnen 750 generaties—ongeveer een jaar-waren twee van de vijf experimentele populaties begonnen zich te vormen en te reproduceren als groepen, schreef het team op 12 januari in een preprint op bioRxiv.

als multicellulariteit zo eenvoudig is, waarom duurde het dan enkele miljarden jaren na de oorsprong van het leven voordat complexe organismen zich stevig vestigden? Traditioneel hebben onderzoekers de schuld gegeven van de lage zuurstofniveaus in de vroege atmosfeer: om genoeg zuurstof te krijgen, hadden organismen de hoogst mogelijke verhouding van oppervlakte tot volume nodig, waardoor ze klein moesten blijven. Pas nadat het zuurstofgehalte ongeveer 1 miljard jaar geleden steeg, konden Grotere, meercellige organismen ontstaan.in 2015 stelde Nicholas Butterfield, een paleontoloog aan de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk, echter voor dat lage zuurstofniveaus de evolutie van multicellulariteit in oude mariene organismen ten goede kwamen. Grotere, meercellige organismen—met meerdere flagella-waren beter in het vegen van water langs hun celmembranen om zuurstof te oogsten. Schaarse voedingsstoffen in de oude zeeën zouden de volgende stap hebben geholpen, de evolutie van gespecialiseerde celtypen, omdat complexere organismen efficiënter voedsel kunnen oogsten. Wat betreft de reden waarom complexe organismen er zo lang over deden om te ontstaan, denkt Butterfield dat de vertraging de tijd weerspiegelt die nodig was om de meer geavanceerde genregulatie te ontwikkelen die nodig is voor multicellulariteit.Butterfields theorie “is really quite elegant and simple, building on first principles of physics and chemistry, set into a deep geochemical, biogeochemical, and biophysical context,” says Richard Grosberg, an evolutionary biologist at UC Davis.

zodra organismen de drempel naar multicellulariteit hadden overschreden, keerden ze zelden terug. In veel geslachten bleef het aantal soorten cellen en organen groeien, en ze ontwikkelden steeds meer geavanceerde manieren om hun activiteiten te coördineren. Ratcliff en Eric Libby, een theoretisch bioloog aan de Universiteit van Umeå in Zweden, stelden 4 jaar geleden voor dat een ratcheting effect het overnam, waardoor een onverbiddelijke toename in complexiteit werd veroorzaakt. Hoe meer gespecialiseerd en afhankelijk van elkaar de cellen van complexe organismen werden, hoe moeilijker het was om terug te keren naar een eencellige levensstijl. Evolutionaire biologen Guy Cooper en Stuart West aan de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk hebben dat beeld onlangs bevestigd in wiskundige simulaties. “Division of labor is not a consequence but a driver” of more complex organisms, schreven Cooper and West op 28 mei in Nature Ecology & Evolution.

aangewakkerd door de eerste overgang van één cel naar vele, een cyclus van toenemende complexiteit greep, en de rijkdom van meercellig leven vandaag is het resultaat.