miljarder år sedan korsade livet en tröskel. Enstaka celler började samlas, och en värld av formlöst, encelligt liv var på väg att utvecklas till upploppet av former och funktioner i multicellulärt liv idag, från myror till päronträd till människor. Det är en övergång lika betydelsefull som någon i livets historia, och tills nyligen hade vi ingen aning om hur det hände.

klyftan mellan encelligt och multicellulärt liv verkar nästan oöverstigligt. En enda cells existens är enkel och begränsad. Liksom eremiter behöver mikrober bara vara upptagna med att mata sig själva; varken samordning eller samarbete med andra är nödvändigt, även om vissa mikrober ibland går samman. Däremot ger celler i en multicellulär organism, från de fyra cellerna i vissa alger till 37 biljoner i en människa, upp sitt oberoende för att hålla ihop ihärdigt; de tar på sig specialiserade funktioner, och de begränsar sin egen reproduktion till det större goda och växer bara så mycket som de behöver för att uppfylla sina funktioner. När de gör uppror kan cancer bryta ut.

Multicellularitet ger nya funktioner. Djur får till exempel rörlighet för att söka bättre livsmiljö, undvika rovdjur och jaga byte. Växter kan sondera djupt i jorden för vatten och näringsämnen; de kan också växa mot soliga fläckar för att maximera fotosyntesen. Svampar bygger massiva reproduktiva strukturer för att sprida sina sporer. Men för alla multicellularitetens fördelar, säger l Ubicszl Ubic Nagy, en evolutionär biolog vid det biologiska forskningscentret vid den ungerska vetenskapsakademin i Szeged, det har traditionellt ”betraktats som en stor övergång med stora genetiska hinder till den.”nu lär Nagy och andra forskare att det kanske inte har varit så svårt trots allt. Bevisen kommer från flera håll. De evolutionära historierna hos vissa grupper av organismer registrerar upprepade övergångar från encelliga till multicellulära former, vilket tyder på att hindren inte kunde ha varit så höga. Genetiska jämförelser mellan enkla multicellulära organismer och deras encelliga släktingar har visat att mycket av den molekylära utrustning som behövs för att celler ska bandas ihop och samordna sina aktiviteter kan ha varit på plats långt innan multicellularitet utvecklades. Och smarta experiment har visat att i provröret kan encelligt liv utveckla början av multicellularitet på bara några hundra generationer-ett evolutionärt ögonblick.

evolutionsbiologer diskuterar fortfarande vad som drev enkla aggregat av celler att bli mer och mer komplexa, vilket leder till den underbara mångfalden i livet idag. Men att börja på den vägen verkar inte längre så skrämmande. ”Vi börjar få en känsla av hur det kan ha inträffat”, säger Ben Kerr, en evolutionär biolog vid University of Washington i Seattle. ”Du tar det som verkar vara ett stort steg i evolutionen och gör det till en serie mindre steg.”

tips om multicellularitet går tillbaka 3 miljarder år, när intryck av vad som verkar vara mattor av mikrober förekommer i fossilregistret. Vissa har hävdat att 2 miljarder år gamla, spiralformade fossiler av vad som kan vara blågröna eller gröna alger-som finns i USA och Asien och kallas Grypania spiralis—eller 2.5 miljarder år gamla mikroskopiska filament registrerade i Sydafrika representerar det första sanna beviset på multicellulärt liv. Andra typer av komplexa organismer dyker inte upp förrän mycket senare i fossilregistret. Svampar, som av många anses vara det mest primitiva levande djuret, kan dateras tillbaka till 750 miljoner år sedan, men många forskare anser att en grupp frondlike varelser som kallas Ediacarans, vanliga för cirka 570 miljoner år sedan, är de första definitiva djurfossilerna. På samma sätt föreslår fossila sporer multicellulära växter som utvecklats från alger för minst 470 miljoner år sedan.

växter och djur var och en gjorde språnget till multicellularitet bara en gång. Men i andra grupper ägde övergången rum om och om igen. Svampar utvecklades sannolikt komplex multicellularitet i form av fruktkroppar—tänk svampar—vid ungefär ett dussin separata tillfällen avslutade Nagy i ett preprint publicerat 8 December 2017 på bioRxiv, baserat på en översyn av hur olika svamparter—vissa encelliga, vissa multicellulära-är relaterade till varandra. Detsamma gäller för alger: röda, bruna och gröna alger utvecklade alla sina egna multicellulära former under de senaste miljarder åren eller så.Nicole King, en biolog vid University of California (UC), Berkeley, hittade ett avslöjande fönster på de gamla övergångarna: choanoflagellates, en grupp levande protister som verkar på väg att göra språnget till multicellularitet. Dessa encelliga kusiner av djur, utrustade med en whiplike flagellum och en krage av kortare hår, liknar de matfiltrerande ”krage”-cellerna som leder svampens kanaler. Vissa choanoflagellater själva kan bilda sfäriska kolonier. För mer än 2 decennier sedan lärde King sig att odla och studera dessa vattenlevande varelser, och år 2001 började hennes genetiska analyser väcka tvivel om den dåvarande uppfattningen att övergången till multicellularitet var ett stort genetiskt språng.

hennes labb började dyka upp gen efter att Gen en gång trodde vara exklusiv för komplexa djur—och till synes onödigt i en ensam cell. Choanoflagellater har gener för tyrosinkinaser, enzymer som i komplexa djur hjälper till att kontrollera funktionerna hos specialiserade celler, såsom insulinsekretion i bukspottkörteln. De har celltillväxtregulatorer som p53, en gen som är ökänd för sin koppling till cancer hos människor. De har till och med gener för cadheriner och C-typ lektiner, proteiner som hjälper celler att hålla ihop och hålla en vävnad intakt.alla berättade, genom att kartlägga de aktiva generna i 21 choanoflagellatarter, fann King ’ s group att dessa ”enkla” organismer har cirka 350 genfamiljer som en gång trodde vara exklusiva för multicellulära djur, rapporterade de den 31 maj i eLife. Om, som hon och andra tror, choanoflagellates erbjuder en glimt av djurens encelliga förfader, var den organismen redan välutrustad för multicellulärt liv. King och hennes labb ”har satt protister på framsidan av forskningen för att ta itu med djurens ursprung”, säger jag biolog vid Spanish National Research Council och Pompeu Fabra University i Barcelona, Spanien.

du tar det som verkar vara ett stort steg i evolutionen och gör det till en serie mindre steg.

de förfädernas versioner av dessa gener kanske inte har gjort samma jobb som de senare tog på sig. Till exempel har choanoflagellater gener för proteiner som är avgörande för neuroner, och ändå liknar deras celler inte nervceller, säger King. På samma sätt har deras flagellum ett protein som hos ryggradsdjur hjälper till att skapa kroppens vänster-höger asymmetri, men vad den gör i den encelliga organismen är okänd. Och choanoflagellate genomes förutser inte multicellularitet i alla avseenden; de saknar några kritiska gener, inklusive transkriptionsfaktorer som Pax och Sox, viktiga för djurens utveckling. De saknade generna ger oss ”en bättre uppfattning om vad de faktiska djurinnovationerna var”, säger King.

som celler bandade ihop satte de inte bara befintliga gener till nya användningsområden. Studier av Volvox, en alga som bildar vackra, flagellerade gröna bollar, visar att flercelliga organismer också hittade nya sätt att använda befintliga funktioner. Volvox och dess släktingar spänner över övergången till multicellularitet. Medan Volvox-individer har 500 till 60 000 celler ordnade i en ihålig sfär, har vissa släktingar, såsom goniumarten, så få som fyra till 16 celler; andra är helt encelliga. Genom att jämföra biologi och genetik längs kontinuumet från en cell till tusentals, biologer hämtar kraven för att bli allt mer komplexa. ”Vad denna grupp alger har lärt oss är några av de steg som är involverade i utvecklingen av en multicellulär organism”, säger Matthew Herron, en evolutionär biolog vid Georgia Institute of Technology i Atlanta.

dessa studier visar att många funktioner hos specialiserade celler i en komplex organism inte är nya. Istället ordnas funktioner och funktioner som ses i encelliga organismer i tid och rum i sina multicellulära släktingar, säger Corina Tarnita, en teoretisk biolog vid Princeton University. Till exempel, i en encellig släkting till Volvox, Chlamydomonas, organeller som kallas centrioler gör dubbel plikt. Under mycket av cellens livstid förankrar de de två virvlande flagellerna som driver cellen genom vattnet. Men när den cellen förbereder sig för att reproducera, förlorar den flagellan, och centriolerna rör sig mot kärnan, där de hjälper till att dra isär delningscellens kromosomer. Senare växer dottercellerna varje flagella. Chlamydomonas kan både simma och reproducera, men inte samtidigt.

Multicellular Volvox kan göra båda på en gång, eftersom dess celler har specialiserat sig. De mindre cellerna har alltid flagella, som sveper näringsämnen över Volvox yta och hjälper den att simma. Större celler saknar flagella och använder istället centriolerna heltid för celldelning.

Volvox har repurposed andra funktioner i single cell förfader samt. I Chlamydomonas blockerar en gammal stressresponsväg reproduktion på natten, när fotosyntesen stängs av och resurserna är knappare. Men i Volvox är samma väg aktiv hela tiden i sina simceller för att hålla deras reproduktion permanent i schack. Vad som var ett svar på en miljösignal i encells förfader har samarbetat för att främja arbetsfördelning i sin mer komplexa ättling, säger Kerr.

en tredje uppsättning organismer antyder hur denna repurposing av befintliga gener och funktioner kunde ha ägt rum. Under det senaste decenniet har Ruiz-Trillo och hans kollegor jämfört mer än ett dussin protistiska genomer med djurens—en jämförelse som betonade djurgenomens större storlek och komplexitet, rapporterade de den 20 juli i eLife. Men en mer berättande upptäckt kom när Ruiz-Trillo; Arnau SEB Kubi-Pedr Bigs, nu vid Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel; och Luciano di Croce vid Barcelonas centrum för genomisk reglering analyserade Protisten Capsasporas portfölj av genreglerande signaler. De fann att protisten använder några av samma molekyler som djur för att slå på och av gener vid vissa tider och platser: proteiner som kallas transkriptionsfaktorer och långa strängar av RNA som inte kodar för proteiner. Men dess promotorer—det reglerande DNA som interagerar med transkriptionsfaktorer-var mycket kortare och enklare än hos djur, rapporterade grupperna den 19 maj 2016 i Cell, vilket tyder på mindre sofistikerad reglering.

till Ruiz-Trillo och hans team pekar fyndet på en nyckel till multicellularitet: ökad finjustering av genreglering. Vad som verkade ett stort steg från encelliga förfäder ser mindre skrämmande ut om det delvis handlade om att återställa de genetiska omkopplarna, vilket gjorde det möjligt för befintliga gener att vara aktiva vid nya tider och platser. ”Det här är vad evolution alltid gör, använder sig av saker som finns för nya ändamål”, säger William Ratcliff från Georgia Tech.

den sparsamma repurposing kan förklara de snabba övergångar som har utvecklats i Ratcliffs lab. Istället för att titta på fossilregistret eller jämföra Genom av befintliga organismer har han återskapat evolutionen i labbkulturer. ”Min egen forskning har inte försöka ta reda på vad som hände i den verkliga världen, men att titta på processen för hur celler utvecklas ökad komplexitet,” förklarar han.som en postdoktor som arbetar med Michael Travisano vid University of Minnesota i St. Paul utsatte Ratcliff jästkulturer för en form av artificiellt urval. Han tillät bara de största cellerna-mätt av hur snabbt de bosatte sig i botten av kolven—att överleva och reproducera. Inom 2 månader började multicellulära kluster dyka upp, eftersom nybildade dotterceller fastnade vid sina mödrar och bildade förgreningsstrukturer.när varje kultur fortsatte att utvecklas—vissa har nu gått igenom mer än 3000 generationer—blev snöflingorna större, jästcellerna blev mer hållbara och mer långsträckta och ett nytt reproduktionssätt utvecklades. I stor snöflingajäst genomgår några celler längs långa grenar en form av självmord, vilket frigör cellerna vid spetsen för att starta en ny snöflinga. Den Döende cellen offrar sitt liv så att gruppen kan reproducera sig. Det är en rudimentär form av celldifferentiering, förklarar Ratcliff. Han har precis börjat utforska den genetiska grunden för dessa snabbt förekommande egenskaper; det verkar vara en blandning av befintliga gener som samordnas för nya funktioner och andra gener-som en som hjälper till att dela jästceller separat—blir inaktiverad.

jästen utvecklade också ett skydd som är nyckeln till multicellularitet: ett sätt att hålla cellulära fuskare i schack. Sådana fuskare uppstår när mutationer gör vissa celler annorlunda än andra, och eventuellt mindre kooperativa. I komplexa organismer som människor kommer skyddet delvis från att ha ett immunsystem för att förstöra avvikande celler. Det beror också på en flaskhals mellan generationer, där en enda cell (till exempel ett befruktat ägg) fungerar som utgångspunkt för nästa generation. Resultatet är att alla celler i den nya generationen börjar genetiskt identiska. Snöflingajästar har sitt eget sätt att rensa sig av avvikande celler. Eftersom mutationer ackumuleras över tiden finns de mest avvikande cellerna på snöflingans spetsar. Men de bryter av för att bilda nya kolonier innan de har en chans att bli fuskare.

denna mekanism gör det också möjligt för gruppdrag att utvecklas i jäst. Mutationer i cellerna som frigörs från varje snöflinga gren vidarebefordras till alla celler i nästa koloni. Följaktligen börjar efterföljande snöflingor med nya gruppdrag—i storlek och antal celler eller frekvensen och placeringen av självmordsceller, till exempel-som blir grist för vidare utveckling. Från den tiden är det monteringen, inte enskilda celler, som anpassar sig.

jästresultaten var inte en fluke. År 2014 tillämpade Ratcliff och hans kollegor samma typ av urval för större celler på Chlamydomonas, den encelliga algen, och såg igen kolonier snabbt fram. För att ta itu med kritiken att hans artificiella urvalsteknik var för konstruerad, upprepade han och Herron sedan Chlamydomonas—experimentet med ett mer naturligt selektivt tryck: en population av paramecia som äter Chlamydomonas-och tenderar att plocka bort de mindre cellerna. Återigen var en slags multicellularitet snabb att dyka upp: Inom 750 generationer—ungefär ett år—hade två av fem experimentella populationer börjat bilda och reproducera som grupper, skrev laget den 12 januari i ett förtryck på bioRxiv.

om multicellularitet kommer så lätt, varför tog det flera miljarder år efter livets ursprung för komplexa organismer att bli fast etablerade? Traditionellt har forskare skyllt den tidiga atmosfärens låga syrenivåer: för att få tillräckligt med syre behövde organismer högsta möjliga förhållande mellan yta och volym, vilket tvingade dem att hålla sig små. Först efter att syrenivåerna steg för cirka 1 miljard år sedan kunde större, multicellulära organismer uppstå.

år 2015 föreslog Nicholas Butterfield, en paleontolog vid University of Cambridge i Storbritannien, att låga syrenivåer faktiskt gynnade utvecklingen av multicellularitet i gamla marina organismer. Större, flercelliga organismer—med flera flageller-var bättre på att sopa vatten förbi sina cellmembran för att skörda syre. Knappa näringsämnen i de gamla Haven skulle ha hjälpt till att driva nästa steg, utvecklingen av specialiserade celltyper, eftersom mer komplexa organismer kan skörda mat mer effektivt. När det gäller varför komplexa organismer tog så lång tid att dyka upp, tror Butterfield att fördröjningen återspeglar den tid det tog att utveckla den mer sofistikerade genreglering som behövs för multicellularitet.Butterfields teori ”är egentligen ganska elegant och enkel och bygger på de första principerna för fysik och kemi, som ligger i ett djupt geokemiskt, biogeokemiskt och biofysiskt sammanhang”, säger Richard Grosberg, en evolutionär biolog vid UC Davis.

När organismer hade passerat tröskeln till multicellularitet, vände de sällan tillbaka. I många linjer fortsatte antalet typer av celler och organ att växa, och de utvecklade allt mer sofistikerade sätt att samordna sina aktiviteter. Ratcliff och Eric Libby, en teoretisk biolog vid Ume Jacobs universitet i Sverige, föreslog för 4 år sedan att en ratchetingeffekt tog över, vilket ledde till en obeveklig ökning av komplexiteten. Ju mer specialiserade och beroende av varandra cellerna i komplexa organismer blev, desto svårare var det att återgå till en encellig livsstil. Evolutionsbiologer Guy Cooper och Stuart West vid University of Oxford i Storbritannien bekräftade nyligen den bilden i matematiska simuleringar. ”Arbetsfördelning är inte en följd utan en drivkraft” för mer komplexa organismer, skrev Cooper och West den 28 maj i Nature Ecology & Evolution.

rörd av den initiala övergången från en cell till många, tog en cykel med ökande komplexitet tag, och rikedomen i det multicellulära livet idag är resultatet.