En gruppe av algeceller klynger seg til hverandre i en tettpakket, kuleformet klump. Så faller kulen fra hverandre. De enkelte delene driver vekk og begynner å danne nye kuleformede klumper. Algene, som vanligvis er encellet, har utviklet en form for primitivt flercellet liv.
Men dette viktige evolusjonære spranget tok ikke millioner av år. Det tok 350 dager – og det foregikk i et amerikansk laboratorium.
Forskerne som sto bak forsøket, som ble utført i 2017, klarte å tvinge en encellet grønnalge til å bli flercellet ved å utsette den for et glupsk rovdyr: en encellet ciliat som lever av alger.
Da ciliaten ankom, fikk alger som hadde en tendens til å klumpe seg sammen, over dobbelt så stor sjanse for å overleve som slektninger som hadde en tendens til å leve som einstøinger.
Da den encellede grønnalgen Chlamydomonas ble utsatt for det mikroskopiske rovdyret Paramecium, utviklet algen raskt flercellethet. Den nye flercellede formen hadde omkring 2,5 ganger høyere sjanse for å overleve angrepene enn den gamle encellede formen.
Overgangen til flercellethet er en av de viktigste begivenhetene i livets historie, men forsøket med algene viser at skrittet er overraskende lett å ta.
Og fossiler og DNA har avslørt at livet på jorda har tatt skrittet minst 25 ganger – og antagelig langt mer enn det. Nå er forskerne tett på å forstå hvorfor encellede organismer er som skapt til å arbeide sammen.
Flercellethet lot vente på seg
Stort sett alle de livsformene du ser i hverdagen, er flercellede. Det gjelder deg selv, svarttrosten utenfor vinduet, potteplanten og soppene i skogen. Noen flercellede organismer er ekstremt enkle – de består av celler som har samlet seg i en form for permanent koloni. Andre, som for eksempel deg selv, er mye mer avanserte.
De er blant annet kjennetegnet på å kunne utvikle avkom ut fra kjønnsceller. Og hver av cellene er høyt spesialiserte, på tross av at hver celle inneholder akkurat det samme DNA-et.
Spesialisering innebærer at celler utvikler seg til å ivareta spesielle oppgaver – som nervecellene som sender elektriske signaler på tvers av organismen, eller immuncellene, som beskytter mot sykdom. Landplanter og flercellede sopper har ofte mellom 10 og 20 ulike celletyper, mens dyr, inkludert mennesker, har opptil 200.
Forskere har sett nøye på det enorme mangfoldet av flercellede organismer på kloden i dag og oppdaget at de har utviklet flercellethet uavhengig av hverandre.
Flercellethet gir organismer som dyr noen åpenlyse fordeler. De kan bevege seg effektivt, slik at de kan oppsøke optimale miljøforhold, de kan jakte, og de kan flykte. Men flercellethet har ikke alltid eksistert, og forskerne vet ikke akkurat når den første flercellede organismen oppsto.
Noen funn tyder på at veldig enkle versjoner eksisterte allerede for mellom to og tre milliarder år siden. Disse organismene var antagelig grupper av celler som samarbeidet i løsere former, som minnet mer om klumpene i algeforsøket enn om dyr, planter og sopper.
Det første avanserte flercellede liv så antagelig dagens lys for mellom 750 og 660 millioner år siden. På det tidspunktet hadde encellede livsformer regjert på kloden i over tre milliarder år.
Den lange ventetiden antyder at overgangen var vanskelig, men den konklusjonen stemmer ikke overens med andre spor.
De tidligste flercellede organismer var veldig enkle. Her er det den 560 millioner år gamle Dickinsonia tenuis.
Forskerne har sett nøye på det enorme mangfoldet av flercellede organismer på kloden i dag og oppdaget at de har utviklet flercelletheten uavhengig av hverandre. Planter, dyr og sopper har utviklet seg fra tre ulike encellede forfedre.
Og blant rødalger, grønnalger, brunalger og kiselalger har flercellethet oppstått minst fem ganger. Dagens flercellede organismer kan spores tilbake til minst 25 ulike encellede forfedre – og tallet er antagelig over 50.
Nå jakter forskerne på svar på hvorfor denne enorme eksplosjonen av flercellet liv brukte tre milliarder år på å komme i gang.
Livets tre
Genene til flercellede organismer avslører at mange av dem har utviklet flercelletheten uavhengig av hverandre.
Alger utviklet seg uavhengig
Planter og flercellede alger, som ofte kalles tang, har oppstått fra en rekke ulike encellede alger – og mange av disse algene var ikke særlig tett beslektet med hverandre.
Flercellethet oppsto minst: 9 ganger.
Sopp var ikke bare sopp
Slimsopper, eggsporesopper, ekte sopper og flere andre typer av organismer tidligere satt i samme bås. I dag vet vi at de utviklet seg fra flere ulike encellede forfedre.
Flercellethet oppsto minst: 6 ganger.
Tok spranget bare én gang
Dyr – helt fra den enkleste manet til den største hval – stammer høyst sannsynlig fra en eneste organisme, som utviklet flercellethet for omkring 800 millioner år siden.
Flercellethet oppsto minst: 1 gang.
Celler danner enkle kolonier
Protister – et gammelt ord for alle de organismene som verken er planter, dyr, sopper eller bakterier – har flere ganger utviklet enkel flercellethet, blant annet i form av fjærformede kolonier.
Flercellethet oppsto minst: 5 ganger.
Bakterier lager små blomster
Bakterier og de såkalte arkebakteriene er stort sett encellede, men noen, blant annet myxobakteriene, kan samle seg i blomsterlignende strukturer som er synlige for det blotte øye.
Flercellethet oppsto minst: 4 ganger.
Fiender skapte samhold
I den første delen av planetens historie var oksygennivået mye lavere enn i dag. Først for 850 millioner år siden steg nivået – like før det for alvor kom avanserte flercellede organismer.
Sammenfallet har fått noen forskere til å foreslå at det lave oksygennivået hadde holdt flercellet liv tilbake. Men den britiske paleontologen Nicholas Butterfield tror ikke det stemmer.
Han mener flercellede organismer lett kan ha omgått oksygenmangelen ved å pumpe vann over en overflate som kan ta opp oksygenet. Det er slik gjellene i fisk fungerer.
I stedet foreslår Butterfield at avansert flercellet liv lot vente på seg fordi overgangen krevde en omfattende endring av cellenes koordineringsevne.
I organismer som oss sørger det for at hver enkelt celle produserer de riktige proteinene på det riktige tidspunktet.
Det gjør at cellene våre kan ivareta ulike oppgaver selv om de har det samme DNA-et, at de slutter å dele seg når vekst ikke er nødvendig, og at noen av dem tar livet av seg selv for å hjelpe fellesskapet.
Video: Slik fordeler cellene arbeidet
En vanskelig overgang til bedre koordinering forklarer hvorfor flercellethet lot vente på seg – men ikke hvorfor den plutselig oppsto en rekke ganger i ulike organismer.
Svaret på det spørsmålet er antagelig at den vanskelige overgangen ikke er så vanskelig når den riktige evolusjonære motivasjonen er til stede. Fordelen ved flercellethet er særlig at den beskytter mot rovdyr.
Men i de første tre milliarder årene av livets historie var rovdyrene små og enkle – det var ikke noe press på livet for å bli flercellet. Så for om lag 800 millioner år siden oppsto et mer avansert rovdyr, og det fikk en lang rekke andre organismer til å klumpe sammen i selvforsvar.
Tidlige rovdyr, som den 530 millioner år gamle Anomalocaris, satte for alvor fart i de flercellede organismers utvikling.
I løpet av en kort periode klarte flere ulike grupper å ta spranget til flercellethet, og den amerikanske biologen Nicole King har kanskje funnet svaret på hvorfor det gikk så raskt.
Ved å undersøke encellede såkalte krageflagellater har King og kollegene hennes oppdaget at encellede organismer har versjoner av mange av de genene som er essensielle for vår egen flercellethet: Gener som sørger for at cellene våre sitter sammen med hverandre, kan kommunisere med hverandre eller ta livet av seg selv for å unngå kreft og andre sykdommer som truer fellesskapet.
I de encellede organismene blir genene brukt til andre oppgaver, som for eksempel å fange mat eller sanse omverdenen, men det skulle bare små endringer til for å bruke dem til flercellethet.
Celler er skapt til å arbeide sammen
1. Jaktredskap holder sammen cellene
Krageflagellater har såkalte cadheriner (lyse flekker) på overflaten, som blant annet hjelper dem med å fange bakterier. I kroppen vår brukes cadheriner til å holde sammen cellene, slik at vi ikke faller fra hverandre.
2. Sanseapparat mottar signaler
For å sanse molekyler i vannet rundt seg bruker krageflagellater såkalte tyrosinkinasereseptorer (lysegrønn). Hos oss sikrer de samme reseptorene at cellene våre kan motta signaler, for eksempel hormoner, som andre celler i kroppen sender.
3. Spesialverktøy bremser kreft
Proteinet p53 (turkis) sørger for å reparere ødelagt DNA (rød) både i mennesker og krageflagellater. Hos oss får det dessuten celler til å begå selvmord hvis de ikke kan repareres – dermed hindrer det at celler som er skadet, utvikler seg til kreft.
Encellede organismer har altså allerede alle de verktøyene som skal til for å bli flercellede, og derfor har flercellethet oppstått igjen og igjen.
Siden våre egne forfedre tok spranget, har de justert genene sine over millioner av år, så kroppen vår nå har oppnådd en nesten ufattelig koordinasjon mellom hver eneste av de 37 billioner cellene den består av. Men forskere har oppdaget at vi en gang imellom opplever tilbakefall til det encellede stadiet.
Tilbakefall forklarer kreft
Australske forskere med biologen David Goode i spissen undersøkte i 2017 hvordan aktiviteten til en rekke gener i kreftceller avvek fra normalen.
Goode avslørte at de genene som har endret seg minst siden våre encellede opphav, er veldig aktive i kreftcellene. Omvendt er de genene som har utviklet seg mer, blitt inaktivert.
Konklusjonen er at kreft oppstår, når mutasjoner bryter ned de mekanismene som sørger for cellenes koordinasjonsevne – og i stedet fremmer de egoistiske mekanismene som er nødvendige for en encellet organisme.
Kreftceller deler seg ute av kontroll og ødelegger det friske vevet rundt seg.
Kreft er en overgang fra flercellethet til encellethet, og kreftcellene oppfører seg som encellede snyltere som angriper kroppen.
Noen sjeldne kreftformer, for eksempel det såkalte Stickers sarkom, som rammer hunder, kan faktisk spre seg fra en kropp til en annen via seksuell kontakt – akkurat som for eksempel gonoré og andre bakterier.
Forskerne har i de siste årene lært mye om overgangen fra encellethet til flercellethet.
Men det har etter hvert blitt klart at disse oppdagelsene kan brukes til mer enn bare å fortelle oss om fortiden: De kan hjelpe oss med å forstå hvordan cellene våre kan falle tilbake til encellethet, og dermed bidra i framtidens behandlinger mot kreft.