A new analytical method was developed to quantify 26 newly-identified and 21 legacy (e.g. perfluoroalkyl carboxylates, perfluoroalkyl sulfonates, and fluorotelomer sulfonates) per and polyfluorinated alkyl substances (PFAS) in groundwater and aqueous film forming foam (AFFF) formulations. Prior to analysis, AFFF formulations were diluted into methanol and PFAS in groundwater were micro liquid-liquid extracted. Methanolic dilutions of AFFF formulations and groundwater extracts were analyzed by large-volume injection (900 μL) high-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry. Orthogonal chromatography was performed using cation exchange (silica) and anion exchange (propylamine) guard columns connected in series to a reverse-phase (C18) analytical column. Method detection limits for PFAS in groundwater ranged from 0.71 ng/L to 67 ng/L, and whole-method accuracy ranged from 96% to 106% for analytes for which matched authentic analytical standards were available. For analytes without authentic analytical standards, whole-method accuracy ranged from 78 % to 144 %, and whole-method precision was less than 15 % relative standard deviation for all analytes. A demonstration of the method on groundwater samples from five military bases revealed eight of the 26 newly-identified PFAS present at concentrations up to 6900 ng/L. The newly-identified PFAS represent a minor fraction of the fluorinated chemicals in groundwater relative to legacy PFAS. The profiles of PFAS in groundwater differ from those found in fluorotelomer- and electrofluorination-based AFFF formulations, which potentially indicates environmental transformation of PFAS.

The Major Transitions in evolution include events and processes that result in the emergence of new levels of biological individuality. For collectives to undergo Darwinian evolution, their traits must be heritable, but the emergence of higher-level heritability is poorly understood and has long been considered a stumbling block for nascent evolutionary transitions. A change in the means by which genetic information is utilized and transmitted has been presumed necessary. Using analytical models, synthetic biology, and biologicallyinformed simulations, we explored the emergence of trait heritability during the evolution of multicellularity. Contrary to existing theory, we show that no additional layer of genetic regulation is necessary for traits of nascent multicellular organisms to become heritable; rather, heritability and the capacity to respond to natural selection on multicellular-level traits can arise “for free.” In fact, we find that a key emergent multicellular trait, organism size at reproduction, is usually more heritable than the underlying cell-level trait upon which it is based, given reasonable assumptions.

Abstract While early multicellular lineages necessarily started out as relatively simple groups of cells, little is known about how they became Darwinian entities capable of open-ended multicellular adaptation 1,2 . To explore this, we initiated the Multicellularity Long Term Evolution Experiment (MuLTEE), selecting for larger group size in the snowflake yeast ( Saccharomyces cerevisiae ) model system. Given the historical importance of oxygen limitation 3 , our ongoing experiment consists of three metabolic treatments 4 : anaerobic, obligately aerobic, and mixotrophic yeast. After 600 rounds of selection, snowflake yeast in the anaerobic treatment evolved to be macroscopic, becoming ~2·10 4 times larger (~mm scale) and ~10 4 -fold more biophysically tough, while retaining a clonal multicellular life cycle. They accomplished this through sustained biophysical adaptation, evolving increasingly elongate cells that initially reduced the strain of cellular packing, then facilitated branch entanglements that enabled groups of cells to stay together even after many cellular bonds fracture. In contrast, snowflake yeast competing for low oxygen remained microscopic, evolving to be just ~6-fold larger, underscoring the critical role of oxygen levels in the evolution of multicellular size. Taken together, this work provides unique insight into an ongoing evolutionary transition in individuality, showing how simple groups of cells overcome fundamental biophysical limitations via gradual, yet sustained, multicellular adaptation.

Abstract The evolution of multicellular life spurred evolutionary radiations, fundamentally changing many of Earth’s ecosystems. Yet little is known about how early steps in the evolution of multicellularity transform eco-evolutionary dynamics, e.g., via niche expansion processes that may facilitate coexistence. Using long-term experimental evolution in the snowflake yeast model system, we show that the evolution of multicellularity drove niche partitioning and the adaptive divergence of two distinct, specialized lineages from a single multicellular ancestor. Over 715 daily transfers, snowflake yeast were subject to selection for rapid growth in rich media, followed by selection favoring larger group size. Both small and large cluster-forming lineages evolved from a monomorphic ancestor, coexisting for over ~4,300 generations. These small and large sized snowflake yeast lineages specialized on divergent aspects of a trade-off between growth rate and survival, mirroring predictions from ecological theory. Through modeling and experimentation, we demonstrate that coexistence is maintained by a trade-off between organismal size and competitiveness for dissolved oxygen. Taken together, this work shows how the evolution of a new level of biological individuality can rapidly drive adaptive diversification and the expansion of a nascent multicellular niche, one of the most historically-impactful emergent properties of this evolutionary transition.

Abstract The prevalence of multicellular organisms is due in part to their ability to form complex structures. How cells pack in these structures is a fundamental biophysical issue, underlying their functional properties. However, much remains unknown about how cell packing geometries arise, and how they are affected by random noise during growth - especially absent developmental programs. Here, we quantify the statistics of cellular neighborhoods of two different multicellular eukaryotes: lab-evolved “snowflake” yeast and the green alga Volvox carteri . We find that despite large differences in cellular organization, the free space associated with individual cells in both organisms closely fits a modified gamma distribution, consistent with maximum entropy predictions originally developed for granular materials. This ‘entropic’ cellular packing ensures a degree of predictability despite noise, facilitating parent-offspring fidelity even in the absence of developmental regulation. Together with simulations of diverse growth morphologies, these results suggest that gamma-distributed cell neighborhood sizes are a general feature of multicellularity, arising from conserved statistics of cellular packing.

Bacteria often attach to surfaces and grow densely-packed communities called biofilms. As biofilms grow, they expand across the surface, increasing their surface area and access to nutrients. Thus, the overall growth rate of a biofilm is directly dependent on its "range expansion" rate. One factor that limits the range expansion rate is vertical growth; at the biofilm edge there is a direct trade-off between horizontal and vertical growth-the more a biofilm grows up, the less it can grow out. Thus, the balance of horizontal and vertical growth impacts the range expansion rate and, crucially, the overall biofilm growth rate. However, the biophysical connection between horizontal and vertical growth remains poorly understood, due in large part to difficulty in resolving biofilm shape with sufficient spatial and temporal resolution from small length scales to macroscopic sizes. Here, we experimentally show that the horizontal expansion rate of bacterial colonies is controlled by the contact angle at the biofilm edge. Using white light interferometry, we measure the three-dimensional surface morphology of growing colonies, and find that small colonies are surprisingly well-described as spherical caps. At later times, nutrient diffusion and uptake prevent the tall colony center from growing exponentially. However, the colony edge always has a region short enough to grow exponentially; the size and shape of this region, characterized by its contact angle, along with cellular doubling time, determines the range expansion rate. We found that the geometry of the exponentially growing biofilm edge is well-described as a spherical-cap-napkin-ring, i.e., a spherical cap with a cylindrical hole in its center (where the biofilm is too tall to grow exponentially). We derive an exact expression for the spherical-cap-napkin-ring-based range expansion rate; further, to first order, the expansion rate only depends on the colony contact angle, the thickness of the exponentially growing region, and the cellular doubling time. We experimentally validate both of these expressions. In line with our theoretical predictions, we find that biofilms with long cellular doubling times and small contact angles do in fact grow faster than biofilms with short cellular doubling times and large contact angles. Accordingly, sensitivity analysis shows that biofilm growth rates are more sensitive to their contact angles than to their cellular growth rates. Thus, to understand the fitness of a growing biofilm, one must account for its shape, not just its cellular doubling time.

Whole-genome duplication (WGD) is widespread across eukaryotes and can promote adaptive evolution

Many organisms exhibit branching morphologies that twist around each other and become entangled. Entanglement occurs when different objects interlock with each other, creating complex and often irreversible configurations. This physical phenomenon is well-studied in non-living materials, such as granular matter, polymers, and wires, where it has been shown that entanglement is highly sensitive to the geometry of the component parts. However, entanglement is not yet well understood in living systems, despite its presence in many organisms. In fact, recent work has shown that entanglement can evolve rapidly, and play a crucial role in the evolution of tough, macroscopic multicellular groups. Here, through a combination of experiments, simulations, and numerical analyses, we show that growth generically facilitates entanglement for a broad range of geometries. We find that experimentally grown entangled branches can be difficult or even impossible to disassemble through translation and rotation of rigid components, suggesting that there are many configurations of branches that growth can access that agitation cannot. We use simulations to show that branching trees readily grow into entangled configurations. In contrast to non-growing entangled materials, these trees entangle for a broad range of branch geometries. We thus propose that entanglement via growth is largely insensitive to the geometry of branched-trees, but instead will depend sensitively on time scales, ultimately achieving an entangled state once sufficient growth has occurred. We test this hypothesis in experiments with snowflake yeast, a model system of undifferentiated, branched multicellularity, showing that lengthening the time of growth leads to entanglement, and that entanglement via growth can occur for a wide range of geometries. Taken together, our work demonstrates that entanglement is more readily achieved in living systems than in their non-living counterparts, providing a widely-accessible and powerful mechanism for the evolution of novel biological material properties.