المُقدّمة
الطبيعة ، حمراء في الأسنان والمخلب ، مليئة بالكائنات الحية التي تأكل جيرانها للمضي قدمًا. لكن في الأنظمة التي درسها عالم البيئة النظري هولي مولر، الأستاذ المساعد في علم البيئة والتطور والبيولوجيا البحرية في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، أصبح المستهلكون جزءًا من المستهلك بطرق مدهشة.
يدرس مولر في المقام الأول الطلائعيات ، وهي فئة واسعة من الكائنات الحية الدقيقة أحادية الخلية مثل الأميبات والباراميسيا التي لا تتناسب مع الفئات العيانية المألوفة للحيوانات والنباتات والفطريات. أكثر ما يذهلها هو قدرة بعض الطلائعيات على استمالة أجزاء من الخلايا التي يفترسونها. مسلحين بهذه القطع التي لا تزال تعمل من فرائسهم ، يمكن للمتظاهرين التوسع في موائل جديدة والبقاء على قيد الحياة حيث لم يتمكنوا من ذلك من قبل.
إن مشاهدتها تمنح مولر رؤية مميزة للبنية الأساسية للنظم البيئية اليوم والقوى التطورية التي صنعتها. قد يبدو سرقة الطلائعيات للعضيات غريبًا ، لكن الميتوكوندريا في خلايانا تميزنا كمنتجات لنوع ذي صلة من اكتساب الأيض من قبل أسلافنا القدامى.
قالت: "بالمعنى الواسع ، هذه أسئلة حول متى وكيف تتخصص الكائنات الحية ، وكيف يمكنها كسر هذا التخصص من خلال الوصول إلى شيء جديد". "بالنسبة لي ، يعالج هذا العمل أسئلة حول كيفية توسيع الكائنات الحية لمكانتها البيئية ، وكيف يمكن أن تكون عمليات الاستحواذ هذه دائمة ، وماذا يعني ذلك حول كيفية انتقال التمثيل الغذائي عبر أطراف فروع أشجار الحياة."
كوانتا تحدثت مع مولر عبر الهاتف عن حياتها المهنية ، وأبحاثها حول الأيض المكتسب والبيئة النظرية. تم اختصار المقابلة وتحريرها من أجل الوضوح.
لقد أصبحت معروفًا جيدًا في دوائر البيئة والتطور لعملك على "التمثيل الغذائي المكتسب". هل هذا مصطلح توصلت إليه؟
لا عمدا. هذا ما أعنيه بأجزاء من التمثيل الغذائي الخاص بك والتي لم يتم ترميزها في الجينوم الخاص بك. يمكنك الوصول إليهم بطريقة ما من خلال الارتباط بأنواع أخرى.
هذا يشمل بعض أشكال التعايش ، لكنه أكثر من ذلك. ويشمل أيضًا أشياء مثل اكتساب البلاستيدات الخضراء ، والعضيات حقيقية النواة لعملية التمثيل الضوئي ، من الفريسة المبتلعة ، وحتى نقل الجينات الأفقي ، حيث يتم انتزاع جين واحد أو مجموعة كاملة من الجينات الأيضية من كائن حي من كائن آخر.
لقد تدربت كعالم بيئة مجتمعية ، لذلك أنا مهتم جدًا بالأدوار التي تلعبها الكائنات الحية في النظم البيئية وكيف تتوسع هذه المنافذ وتتقلص خلال حياتها. بدت دراسة التمثيل الغذائي المكتسب أنها تتلاءم بشكل طبيعي مع ذلك ، لأنها تتعلق إلى حد كبير بكيفية توسيع الكائنات الحية لمنافذها.
هل ما يمتلكه البشر من بكتيريا الأمعاء لدينا يكتسب الأيض؟
أعتقد أن هذا مثال رائع. الكثير من قدرتنا على تناول مصادر غذائية متنوعة واستقلابها يعود إلى تلك البكتيريا. يتم تصنيع بعض الفيتامينات والعوامل المساعدة المهمة التي نحتاجها ، مثل فيتامين K ، بواسطة ميكروبات تعيش داخل أمعائنا. نحن نعتمد بشدة على هذه الشراكات.
ما الذي دفعك إلى هذا النوع من البحث؟
كما تعلم ، تتحرك البكتيريا غالبًا خلال عملية تسمى "التدهور والجري". إنهم يتبعون بعض الإشارات الكيميائية تجاه أحد الموارد ، لكن عندما تتلاشى الإشارة ، تتوقف ، وتدور وتنطلق في اتجاه عشوائي. أعتقد أن هذا صحيح بالنسبة للعديد من العلماء أيضًا ، بمن فيهم أنا. غالبًا ما نتبع أنوفنا ونطارد الأشياء التي نتحمس لها. وأحيانًا يقودنا إلى أماكن غير متوقعة.
المُقدّمة
كنت محظوظا. تدرب والداي كعلماء ، وعلى الرغم من أن أيا منهما لم يعمل كواحد أثناء نشأتي ، كنت أعلم أن البحث كان خيارًا وظيفيًا. كما أنني كنت محظوظًا جدًا في دراستي الجامعية في جامعة روتجرز ، حيث كان لدي أساتذة اهتموا وربطوني بأحد أعضاء هيئة التدريس الذين يقومون بأبحاث حول الميكروبات البحرية. العالم الذي عملت معه لأول مرة ، بول فالكوسكي، لديه اهتمامات انتقائية. لكن أحد الأشياء التي كان يدرسها في ذلك الوقت هو كيفية انتشار البلاستيدات الخضراء حول شجرة الحياة.
كان هذا هو المكان الذي بدأ فيه اهتمامي بالأيض المكتسب. لقد وجدت أنها رائعة تمامًا ، فكرة أن شيئًا ما تعلمته في الكتب المدرسية كميزة للنباتات كان في الواقع شيئًا حصلوا عليه منذ بضعة مليارات من السنين عن طريق تناول بكتيريا. وأن هذا حدث عدة مرات. بدأت العمل مع Paul و مات جونسون، الذي كان باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراة في ذلك الوقت ، عن الكائنات الحية التي تسرق البلاستيدات الخضراء اليوم وما قد تخبرنا به عن هذه العملية التطورية.
أحب فكرة أن كائنًا ما يمكن أن يبدأ في الحياة بدون بلاستيدات خضراء ، ثم يختار واحدًا فقط.
حق؟ تخيل لو تناولنا السلطة على الغداء ، وفجأة تحولت أذرعنا إلى اللون الأخضر! أعيش الآن في جنوب كاليفورنيا - يمكنني أن أتجول بين الفصول الدراسية وأحصل على كل الطاقة التي أحتاجها. على الرغم من أنني أحب تناول الغداء ، إلا أنني لست متأكدًا من أنني سأستمتع بذلك حقًا.
في كثير من الحالات ، تصبح هذه الكائنات التي تحصل على البلاستيدات الخضراء ملزمة تمامًا بالقيام بعملية التمثيل الضوئي. سوف تموت بعض الأنواع التي نعمل عليها إذا لم تتمكن من التمثيل الضوئي ، لذلك لا يمكنها البقاء على قيد الحياة إذا لم تجد فريسة لسرقة البلاستيدات الخضراء منها. إنه لفضول تطوري بالنسبة لي أنهم وضعوا أنفسهم في هذه الزاوية.
هل يتعين على هذه الأنواع الاستمرار في سرقة البلاستيدات الخضراء لأنها تتفكك في النهاية؟
بشكل عام ، نعم. ومع ذلك ، فإن سلالات سرقة البلاستيدات الخضراء تختلف في مدى جودتها في الحفاظ على البلاستيدات الخضراء. تسمى هذه المجموعة من الشركات العملاقة البحرية التي نعمل عليها الميزودينيوم، بعض السلالات لا تسرق البلاستيدات الخضراء على الإطلاق. البعض يسرقهم ويركضهم في الأرض بسرعة كبيرة. وآخرون يسرقونها ولكنهم يسرقون أيضًا نوى وظيفية من فرائسهم ، مما يعني أنهم يستطيعون صنع المزيد من البلاستيدات الخضراء.
المجاز الذي أحبه هو أن أولئك الذين لا يسرقون البلاستيدات الخضراء هم مثل الطفل حسن التصرف الذي لم يسرق سيارة أبدًا. يسرق آخرون السيارة في نزهة ، ويصطدمون بشجرة ويتخلون عنها. ولكن هناك من يسرق السيارة ولكن أيضًا دليل المالك ، ويقومون ببناء متجر ميكانيكي للعناية الجيدة بالممتلكات المسروقة.
يوجد هذا الطيف بأكمله ، ولأنهم مرتبطون ارتباطًا وثيقًا ، يمكننا أن نسأل: ما هي الاختلافات التطورية بين هذه الكائنات التي سهلت التحولات؟
هل يرثون البلاستيدات الخضراء من خلاياهم الأم؟ إذا انقسمت الخلايا لتتكاثر ، ألا يتم نقل البلاستيدات الخضراء أيضًا؟
البعض منهم يفعل. في بعض السلالات ، عندما تنقسم الخلايا ، فإنها تقسم حصة البلاستيدات الخضراء بينهما. لتحديث وتجديد البلاستيدات الخضراء الخاصة بهم ، يجب عليهم سرقتها عن طريق تناول الطعام.
لكن الخلايا التي تحتفظ بالنواة المسروقة - دليل التعليمات المسروقة - يمكن أن تجعل البلاستيدات الخضراء تنقسم مع بقية الخلية. يبدو أن النوى هي ما لا يزالون بحاجة لتناول الطعام من أجله. عندما يصطادون خلية فريسة ، يتمسكون بالبلاستيدات الخضراء ، فلماذا لا؟ ولكن يبدو أن الأمر المهم حقًا هو أنهم يلتقطون نوى جديدة.
المُقدّمة
كيف يمكن للشركات العملاقة الحصول على الطاقة من الآلات الخلوية لشخص آخر؟
هذا سؤال مثير للاهتمام حقًا. عندما بعض من الميزودينيوم الأهداب يأكلون ، يجرون معظم خلايا الفريسة. أظهر الفحص المجهري الإلكتروني أن البلاستيدات الخضراء سليمة تمامًا ، لكنها أيضًا لا تزال داخل غشاء خلية بقايا الفريسة. ومن ثم فإن الهدبية لديها غشاء خاص بها حول كل ذلك ، لأن الهدبية ألحقت الخلية الفريسة في فجوة [حويصلة غشاء] عندما ابتلعتها.
لا نعرف حقًا كيف تتحرك الجزيئات عبر هذا النظام متعدد الأغشية. هذا شيء نحاول البحث فيه الآن من خلال متابعة اتجاه البروتينات.
ما السؤال التطوري الذي يساعدك هذا العمل في الإجابة عليه؟
عندما نقوم بتدريس التمثيل الضوئي في المدرسة ، فإننا نركز في الغالب على نباتات الأرض ، التي التقط أسلافها البلاستيدات الخضراء منذ ملياري عام ، عندما قاموا بتدجين البكتيريا الزرقاء التي تعيش بحرية على أنها متعايشات داخلية.
ولكن عندما ننظر إلى العوالق النباتية في المحيطات وأنظمة المياه العذبة ، فإن الصورة أكثر تعقيدًا. غالبًا ما ننظر إلى الكائنات الحية التي لديها ما يسمى بالبلاستيدات الخضراء الثانوية ، مما يعني أنه في وقت ما في تاريخها التطوري ، حصلوا على بلاستيدات خضراء من شيء آخر. في بعض الأحيان ترى دليلاً على البلاستيدات الخضراء الثلاثية ، حيث تحصل الكائنات الحية على البلاستيدات الخضراء المأخوذة من خلية ثالثة. لقد حدثت أحداث التعايش الداخلي الثانوية والثالثية ، كما نعتقد ، ست مرات على الأقل. وقد أدى ذلك إلى ظهور التنوع الهائل في العوالق النباتية حقيقية النواة.
كيف يبدو أن تتحول من شيء غير متجانسة التغذية إلى شيء عالي التركيب الضوئي؟ ما هي التغييرات التي يجب عليك إجراؤها في فسيولوجيا الخاص بك؟ أين يمكنك البقاء على قيد الحياة؟ ما هي تدرجات الانتقاء الطبيعي التي يجب أن تكون موجودة؟ دراسةال الميزودينيوم يعطينا نظرة ثاقبة على شكل هذا الانتقال.
هل يساعد التمثيل الغذائي المكتسب الكائنات الحية على المضي قدمًا؟
في الورقة البحثية التي نشرناها في وقت سابق من هذا العام ، بحثنا في كائن حي أصبح يقوم بعملية التمثيل الضوئي من خلال استضافة الطحالب المتعايشة معها. كل من التمثيل الغذائي والتكافل المكتسب. يمكنك فتح أهداب المياه العذبة التي تسمى بوراميسيوم بورساريا وعزل الطحالب ، وستعيش الطحالب بسعادة وتنمو بمفردها.
هذه الباراميسيا تشبه النقط الخضراء الصغيرة الضبابية التي تدور في طبق بتري. بدأنا في النظر في كيفية اعتماد القدرات التنافسية لهذه الكائنات على توافر الضوء. إذا كانوا يحصلون على الطاقة من ضوء الشمس ، فكلما زاد ضوء الشمس ، زادت الطاقة التي يجب أن يحصلوا عليها للنمو. كنا نظن أن هذا سيمتد إلى قدرتها على التنافس مع الأنواع الأخرى.
كان لدي طالب جامعي موهوب بشكل لا يصدق ، فيرونيكا هسوالذي اختبر هذه الفكرة. كان لدينا هذه الحاضنة مع بنوك من الأضواء وقوارير صغيرة من الثقافات تنمو عند مستويات إضاءة مختلفة. كل يومين ، تأخذ فيرونيكا عينات من الثقافات وتضع قطرات صغيرة منها في أطباق بتري. ثم قامت بعد ذلك بحساب عدد الأنواع المختلفة من الشركات العملاقة في كل قطرة.
المُقدّمة
ولكن حتى بدون إجراء إحصاء دقيق ، يمكنك أن ترى في غضون أسابيع قليلة أن جميع الأهداب البيضاء الشفافة غير الضوئية كانت تختفي ، بينما كانت كل البراميسيا الخضراء الزاهية تتزايد. يمكنك أن ترى المنافسة تجري أمام عينيك.
أظهرت فيرونيكا أنه مع زيادة الضوء ، تزداد أيضًا القدرة التنافسية للكائن الحي الذي اكتسب عملية التمثيل الضوئي من خلال استضافة الطحالب. ثم سمح لنا عد الخلايا بإدراك البيانات الكامنة وراء هذه الظاهرة.
إذن ، كان الحصول على عدد هذه الخلايا وبناء نموذج رياضي لما كان يحدث جزءًا مهمًا من هذا؟
نعم ، عندما نجري هذه التجارب ، هناك الكثير من العد. زميلي كارولين تاكر قال عندما كنا في مدرسة الدراسات العليا معًا ، "كما تعلمون ، علم البيئة هو مجرد علم العد." في ذلك الوقت ، كنت مستاءً نوعًا ما من بيانها ، لكنها لم تكن مخطئة.
هناك جزء مني يعتقد دائمًا أنه لا يوجد بديل للجلوس مع كائن الدراسة الخاص بك والوقوع في حبه قليلاً في المختبر أو في الخارج. عند الجلوس في غرفة مظلمة ، والتحديق من خلال المجهر ، تشعر وكأنك تشعر بشخصيات هذه الأنواع المختلفة. بعض هذه البراميسيا هي نوع من الأبيض الفضي وشكل الدمعة وشفافة للغاية لأنها لا تحتوي على أي طحالب ضوئية. عندما يكونون في قارورة جديدة تمامًا بها الكثير من الموارد البكتيرية ، فإنهم نوعًا ما يتعثرون ببطء ، ولكن مع استمرار التجربة ، يبدو الأمر كما لو أنهم يجوعون أمام عينيك ويبدأون في السباحة بسرعة كبيرة. ويمكنك عمل ملاحظات تؤدي بعد ذلك إلى نتائج إضافية.
تجبرني القدرة على الجمع بين التجارب المعملية والنماذج الرياضية على أن أكون صريحًا وواضحًا بشأن ما أعتقد أنه يحدث. ماذا نعني ب "اكتساب" التمثيل الغذائي؟ ما هي الموارد التي تحصل عليها الخلية من خلال استضافة عملية التمثيل الضوئي؟ كيف بالضبط يؤثر ذلك على قدراتها التنافسية؟
الآن لدينا نموذج نعرفه يصف كيف يمكن لعملية الأيض المكتسبة أن تغير القدرة التنافسية. وهذا له آثار ليس فقط على التمثيل الضوئي المكتسب ، ولكن على عمليات الاستقلاب الأخرى أيضًا. قد تتغير التفاصيل الدقيقة التي نقوم بتوصيلها بالنموذج اعتمادًا على النظام. لكن لدينا إطار عمل لاستخدامه.
تحدثنا عن المزايا التنافسية التي يمكن أن تأتي من التمثيل الغذائي المكتسب. ولكن هل هناك جوانب سلبية للسيطرة على التمثيل الغذائي لشخص آخر؟
بالتااكيد. هناك نظرية مفادها أن الميتوكوندريا لدينا - وهي عضية استقلابية أخرى حصلنا عليها من خلال التعايش الداخلي - هي سبب تقدمنا في العمر.
بسببهم ، نحن منخرطون في التمثيل الغذائي الهوائي ، باستخدام الأكسجين لحرق الكربوهيدرات والجزيئات الأخرى للحصول على الطاقة. لكن العوامل التفاعلية التي تنتجها الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء قد تؤدي أيضًا إلى أكسدة وتحطيم الحمض النووي في أجسامنا. هذه أشياء خطيرة يجب وضعها بجانب المادة الوراثية الخاصة بك.
الشيء الوحيد الذي نراه أحيانًا في هذه الكائنات الحية التي تسرق البلاستيدات الخضراء هو أن لديها الكثير من الآليات الوقائية المضادة للأكسدة ، والتي تساعدها على التعامل مع البلاستيدات الخضراء. قد يؤدي وجود بلاستيدات خضراء إلى جعل التواجد في أماكن الإضاءة العالية أمرًا خطيرًا للغاية. يمكن أن تصاب بحروق الشمس. شيء واحد رائع أظهره سوزان ستروم، عالم في ولاية واشنطن في جامعة ويسترن واشنطن ، أنه عندما تأكل الكائنات الحية الخلايا التي تحتوي على البلاستيدات الخضراء ، فإنها تميل إلى هضمها بشكل أسرع عندما يتوفر المزيد من الضوء. قد يكون ذلك بسبب أن الضوء يساعدك على تكسير البلاستيدات الخضراء. ولكن يمكن أن يكون هذا الكائن الحي يفكر ، "أنا ألعب بالنار هنا ؛ يجب أن أتخلص منه ".
المُقدّمة
لذا فإن هذا يثير أسئلة مثيرة للاهتمام حول أنواع البيئات التي ربما كانت هذه الكائنات تعيش فيها عندما بدأت لأول مرة في التمسك بالبلاستيدات الخضراء. أظن أنها ربما كانت بيئة منخفضة الإضاءة لأنه إذا كان الهضم يعتمد على الضوء ، فإن الضوء المنخفض سيبطئه ويقلل أيضًا من الضرر الذي قد تحدثه البلاستيدات الخضراء. يمكنك إدارته أكثر قليلاً. و الميزودينيوم هي بالتأكيد من الأنواع منخفضة الإضاءة. لكن هذه قصصية للغاية. نحن بحاجة إلى الكثير من الأدلة. ولكن بالطبع هناك أيضًا أشياء تحافظ على البلاستيدات الخضراء التي تعيش في بيئة عالية الإضاءة أيضًا.
لقد لاحظت على Twitter أنك تقوم بالكثير من حساب جذر الشجرة. ما علاقة ذلك بهذا العمل الآخر؟
أحد الأشياء التي أحبها في كوني عالم بيئة نظري هو أنه يمكنني المشاركة في الكثير من الأنظمة المختلفة.
هذا جانب آخر من الأيض المكتسب الذي نعمل عليه. لذلك تحدثنا عن سرقة آلات التمثيل الغذائي من كائن حي آخر. ولكن هناك أيضًا التبادل الأيضي - اكتساب التمثيل الغذائي من خلال هذه الشراكة الحميمة حقًا بين كائنين. إن عمل الأشجار ، كما نعلم جميعًا ، هو التمثيل الضوئي. ولكن من أجل التمثيل الضوئي ، تحتاج الأشجار إلى العناصر الغذائية والمياه من التربة. وقد اتضح ، خاصة في النظم البيئية المعتدلة ، أنهم يحصلون على إمكانية الوصول إلى هذه الموارد من خلال الشراكة مع الفطريات والفطريات الخارجية. هذه الفطريات تعيش في الغالب تحت الأرض ، على الرغم من أنها أحيانًا تضع فطرًا لذيذًا حقًا ، وأحيانًا تكون سامة. الفطريات في شراكة مع الأشجار. تتفوق الفطريات في حصاد العناصر الغذائية من التربة ، وتوفر الأشجار السكر من عملية التمثيل الضوئي ، حتى يتمكنوا من دعم بعضهم البعض.
تساعد هذه التبادلية الأيضية الأشجار على البقاء في جميع أنواع الظروف البيئية المختلفة وتوسيع مكانتها البيئية. يمكن للشجرة أن تتعاون مع فطريات معينة مفيدة لبيئة واحدة ومع فطريات مختلفة في بيئة مختلفة. نعتقد أن هذا يسمح للأشجار بكسب عيشها عبر مجموعة أكثر تنوعًا من الظروف البيئية مما لو كانت بمفردها.
هناك الكثير من الحديث عن الميكروبيوم ، لكننا ننسى أنه لا بد أنه كان من الصعب حقًا بدء كل تلك العلاقات مع الميكروبات في البداية.
نعم تماما. نظرًا لأننا نحصل على بيانات بيئية أفضل من التسلسل ، فإننا نرى أن كل شيء تقريبًا يحتوي على نوع من الميكروبيوم ، حتى لو كان يعيش في الخارج. من يتحكم في تطور من تعرف؟ ربما كان علينا فقط أن نتعامل مع حقيقة أن شجاعتنا سوف تستعمر من قبل الحشرات وأننا صنعنا أفضل ما في الأمر.
لهذا السبب أعتقد أن دراسة الأيض المكتسب رائعة للغاية. أنت تدرس الكائنات الحية التي تقوم بعمليات الاستحواذ هذه اليوم. يمكنك الحصول على نظرة ثاقبة حول كيفية تعاملهم مع ذلك بيئيًا في الماضي ، وما هي ضغوط الاختيار وما إلى ذلك.
أشعر أن علم البيئة النظرية آخذ في الانفجار مؤخرًا.
أعتقد أنها رائجة للغاية الآن.
أعتقد أن جزءًا من الاهتمام المتزايد بالنظرية يأتي من الكم الهائل من المعلومات التي لدينا الآن. عندما يكون لديك أكوام وأكوام من البيانات ، فإنك تفهمها من خلال تطوير بعض النظريات الموحدة حولها. والنماذج الرياضية هي إحدى الطرق للتعامل مع هذه المشكلة. أعتقد أن هذا هو سبب وجود اهتمام أكبر بين طلاب الدراسات العليا لدينا بهذه الموضوعات ، أو الاهتمام في الجامعات بتوظيف علماء البيئة النظريين. يتلخص الأمر نوعًا ما في: لدينا بيانات ضخمة. ونحن جاهزون.
