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.

During the biofilm life cycle, bacteria attach to a surface then reproduce, forming crowded, growing communities. Many theoretical models of biofilm growth dynamics have been proposed; however, difficulties in measuring biofilm height accurately across relevant time and length scales have prevented testing these models or their biophysical underpinnings empirically. Using white light interferometry, we measure the heights of microbial colonies with nanometer precision from inoculation to their final equilibrium height, producing a novel and detailed empirical characterization of vertical growth dynamics. We show that models relying on logistic growth or nutrient depletion fail to capture biofilm height dynamics on short and long time scales. Our empirical results support a simple model inspired by the fact that biofilms only interact with the environment through their interfaces. This interface model captures the growth dynamics from short to long time scales (10 minutes to 14 days) of diverse microorganisms, including prokaryotes like gram-negative and gram-positive bacteria and eukaryotes like aerobic and anaerobic yeast. This model provides heuristic value, highlighting the biophysical constraints that limit vertical growth as well as establishing a quantitative model for biofilm development.

Oxygen availability is a key factor in the evolution of multicellularity, as larger and more sophisticated organisms often require mechanisms allowing efficient oxygen delivery to their tissues. One such mechanism is the presence of oxygen-binding proteins, such as globins and hemerythrins, which arose in the ancestor of bilaterian animals. Despite their importance, the precise mechanisms by which oxygen-binding proteins influenced the early stages of multicellular evolution under varying environmental oxygen levels are not yet clear. We addressed this knowledge gap by heterologously expressing the oxygen binding proteins myoglobin and myohemerythrin in snowflake yeast, a model system of simple, undifferentiated multicellularity. These proteins increased the depth and rate of oxygen diffusion, increasing the fitness of snowflake yeast growing aerobically. Experiments show that, paradoxically, oxygen-binding proteins confer a greater fitness benefit for larger organisms under high, not low, O2 conditions. We show via biophysical modeling that this is because facilitated diffusion is more efficient when oxygen is abundant, transporting a greater quantity of O2 which can be used for metabolism. By alleviating anatomical diffusion limitations to oxygen consumption, the evolution of O2-binding proteins in the oxygen-rich Neoproterozoic may have been a key breakthrough enabling the evolution of increasingly large, complex multicellular metazoan lineages.

The study of interfacial roughening is common in physics, from epitaxial growth in the lab to pio-neering mathematical descriptions of universality in models of growth processes. These studies led to the identification of a series of general principles. Typically, stochastic growth produces an interface that becomes rougher as the deposit grows larger; this roughening can only be counteracted by mechanisms that act on the top of deposit, such as surface tension or surface diffusion. However, even when relaxation mechanisms are present, interfaces that continue to grow stochastically continue to change; new peaks and troughs emerge and disappear as stochastic growth produces a constantly changing, dynamic interface. These universal phenomena have been observed for bacterial colonies in a variety of contexts. However, previous studies have not characterized the interfacial phenomena at the top surface of a colony, i.e., the colony-air interface, when activity is only present at the bottom surface, i.e., the colony-solid interface, where nutrients are available, over long times. As traditional interfacial roughening models primarily focus on activity occurring at the top surface it is unclear what phenomena to expect over long times. Here, we use white light interferometry to study the roughening of bacterial biofilms, from many different species. We find that these colonies are remarkably smooth, suggesting that a mechanism of interfacial relaxation is at play. However, colonies remain remarkably smooth even after growing large. We discover that topographic fluctuations “freeze” in place, despite the fact that growth continues for hundreds of microns more. With simple simulations, we show that this emergent freezing is due to the dampening of fluctuations from cell growth by the cells between the growing zone and the surface. We find that the displacement field caused by a single perturbation decays exponentially, with a decay length of δL . In line with that observation we also show that the topography ceases to change when perturbations are a distance δL away from the surface. Thus, over-damped systems in which activity occurs at the bottom surface represent a distinct class of interfacial growth phenomena, capable of producing frozen topographies and remarkably smooth surfaces from spatially and temporally stochastic growth.