Introduktion
Naturen, rød i tænder og klo, er fyldt med organismer, der æder deres naboer for at komme videre. Men i de systemer, der studeres af den teoretiske økolog Holly Møller, en assisterende professor i økologi, evolution og marinbiologi ved University of California, Santa Barbara, bliver de forbrugte en del af forbrugeren på overraskende måder.
Moeller studerer primært protister, en bred kategori af encellede mikroorganismer som amøber og paramecia, der ikke passer ind i de velkendte makroskopiske kategorier af dyr, planter og svampe. Det, der fascinerer hende mest, er nogle protisters evne til at optage dele af de celler, de forgriber sig på. Bevæbnet med disse stadig fungerende stykker af deres bytte kan protisterne udvide sig til nye levesteder og overleve, hvor de ikke kunne før.
At se dem giver Moeller et særpræget syn på den underliggende struktur af økosystemer i dag og de evolutionære kræfter, der har skabt dem. Protisternes tyveri af organeller kan virke bizart, men mitokondrierne i vores egne celler markerer os som produkter af en beslægtet form for metabolisk tilegnelse af vores gamle forfædre.
"I bredeste forstand er det spørgsmål om, hvornår og hvordan organismer specialiserer sig, og hvordan de kan bryde denne specialisering ved at få adgang til noget nyt," sagde hun. "For mig adresserer dette arbejde spørgsmål om, hvordan organismer udvider deres økologiske niche, hvordan disse erhvervelser kan være permanente, og hvad det betyder om, hvordan stofskiftet springer hen over spidserne af grenene af livets træer."
Quanta talte med Moeller telefonisk om hendes karriere, hendes forskning i erhvervet stofskifte og teoretisk økologi. Interviewet er blevet komprimeret og redigeret for klarhedens skyld.
Du er blevet kendt i økologi- og evolutionskredse for dit arbejde med "erhvervet metabolisme." Er det et udtryk du fandt på?
Ikke med vilje. Det er, hvad jeg mener med dele af dit stofskifte, der ikke er kodet i dit eget genom. Du får adgang til dem på en eller anden måde ved at omgås en anden art.
Det omfatter nogle former for symbiose, men det er mere end det. Det omfatter også ting som erhvervelse af kloroplaster, de eukaryote organeller til fotosyntese, fra indtaget bytte, og endda horisontal genoverførsel, hvor et enkelt gen eller en hel pakke af metaboliske gener plukkes fra en organisme af en anden.
Jeg er uddannet samfundsøkolog, så jeg er meget interesseret i de roller, som organismer spiller i økosystemer, og hvordan disse nicher udvider sig og trækker sig sammen i løbet af deres levetid. Studiet af erhvervet stofskifte føltes som et naturligt match med det, fordi det i høj grad handler om, hvordan organismer kan udvide deres nicher.
Er det, som mennesker har med vores tarmbakterier, erhvervet stofskifte?
Jeg synes, det er et godt eksempel. Så meget af vores evne til at spise forskellige fødevarekilder og omsætte dem kommer ned til disse bakterier. Nogle af de vigtige vitaminer og cofaktorer, som vi har brug for, som vitamin K, er fremstillet af mikrober, der lever inde i vores tarm. Vi er meget afhængige af disse partnerskaber.
Hvad førte dig ind i denne forskningslinje?
Du ved, bakterier bevæger sig ofte gennem en proces, der kaldes "tumbling og løbende." De følger et eller andet kemisk signal mod en ressource, men når signalet forsvinder, stopper de, de snurrer og de går i en tilfældig retning. Jeg tror, at dette også gælder for mange videnskabsmænd, inklusive mig. Vi følger ofte vores næse og jagter efter ting, som vi bliver begejstrede for. Og nogle gange fører det os til uventede steder.
Introduktion
Jeg var heldig. Mine forældre uddannede sig begge som videnskabsmænd, og selvom ingen af dem arbejdede som én, mens jeg voksede op, vidste jeg, at forskning var en karrieremulighed. Jeg var også meget heldig i min bacheloruddannelse på Rutgers University, idet jeg havde professorer, der interesserede mig og forbandt mig med et fakultetsmedlem, der forskede i marine mikrober. Den videnskabsmand, jeg først arbejdede med, Paul Falkowski, har eklektiske interesser. Men en af de ting, han studerede på det tidspunkt, var, hvordan kloroplaster blev spredt rundt om livets træ.
Det var her min interesse for erhvervet stofskifte startede. Jeg fandt det fuldstændig fascinerende, denne idé om, at noget, jeg lærte om i lærebøger som et træk ved planter, faktisk var noget, de fik for et par milliarder år siden ved at indtage en bakterie. Og at dette er sket flere gange. Jeg begyndte at arbejde med Paul og Matt Johnson, som var hans postdoc på det tidspunkt, om organismer, der stjæler kloroplaster i dag, og hvad de kunne fortælle os om denne evolutionære proces.
Jeg elsker tanken om, at en organisme kan starte i livet uden en kloroplast, og så bare hente en.
Højre? Tænk, hvis vi fik en salat til frokost, og så pludselig blev vores arme grønne! Jeg bor i det sydlige Californien lige nu - jeg kunne gå en tur mellem klasserne og få al den energi, jeg havde brug for. Selvom jeg godt kan lide at spise frokost, så er jeg ikke sikker på, at jeg virkelig ville nyde det.
I mange tilfælde bliver disse organismer, der opnår kloroplaster, ret bundet til at lave fotosyntese. Nogle af de arter, som vi arbejder på, ville dø, hvis de ikke kunne fotosyntetisere, så de kan ikke overleve, hvis de ikke kan finde bytte at stjæle kloroplaster fra. Det er en evolutionær nysgerrighed for mig, at de bakkede sig selv ind i dette hjørne.
Skal disse arter blive ved med at stjæle kloroplaster, fordi de til sidst nedbrydes?
Generelt, ja. Disse kloroplaststjælende afstamninger varierer dog i, hvor gode de er til at vedligeholde kloroplasten. I denne gruppe af marine ciliater, som vi arbejder på, kaldes Mesodinium, nogle slægter stjæler slet ikke kloroplaster. Nogle stjæler dem og kører dem i jorden rigtig hurtigt. Og andre stjæler dem, men stjæler også funktionelle kerner fra deres bytte, hvilket betyder, at de kan lave flere kloroplaster.
Den metafor, jeg elsker, er, at dem, der ikke stjæler kloroplaster, er som det velopdragne barn, der aldrig har stjålet en bil. Andre stjæler bilen for en joyride, styrter den ind i et træ og forlader den. Men der er nogle, der stjæler bilen, men også instruktionsbogen, og de bygger et mekanikerværksted for at passe godt på det stjålne.
Der er hele dette spektrum, og fordi de er tæt beslægtede, kan vi spørge: Hvad er de evolutionære forskelle mellem disse organismer, der lettede overgangene?
Arver de nogensinde kloroplaster fra deres moderceller? Hvis cellerne deler sig for at formere sig, bliver kloroplasterne så ikke også givet videre?
Nogle af dem gør. I nogle slægter, når cellerne deler sig, opdeler de kloroplastfordelingen mellem sig. For at genopfriske og genopbygge deres kloroplaster skal de stjæle dem ved at spise.
Men de celler, der holder den stjålne kerne - den stjålne brugsanvisning - kan få kloroplasterne til at dele sig sammen med resten af cellen. Kernerne ser ud til at være det, de stadig skal spise for. Når de fanger en byttecelle, hænger de på dens kloroplaster, for hvorfor ikke? Men det ser ud til, at det, der er afgørende, er, at de opfanger nye kerner.
Introduktion
Hvordan er det muligt for ciliaterne at få energi fra andres cellulære maskineri?
Det er et rigtig interessant spørgsmål. Når nogle af de Mesodinium ciliater spiser, fjerner de det meste af byttecellen. Elektronmikroskopi har vist, at kloroplasterne er ret intakte, men de er også stadig inde i byttets relikviecellemembran. Og så har ciliatet en egen membran omkring alt det, fordi ciliatet satte byttecellen fast i en vakuole [membranvesikel], da den indtog det.
Vi ved virkelig ikke, hvordan molekyler bevæger sig hen over dette multimembransystem. Det er noget, vi forsøger at grave ind i nu ved at følge, hvor proteinerne er på vej hen.
Hvilket evolutionært spørgsmål hjælper dette arbejde dig med at besvare?
Når vi underviser i fotosyntese i skolen, fokuserer vi mest på landplanterne, hvis forfædre hentede kloroplaster for 2 milliarder år siden, da de tæmmede fritlevende cyanobakterier som endosymbionter.
Men når vi ser på fytoplankton i havet og ferskvandssystemerne, er billedet meget mere kompliceret. Vi ser ofte på organismer, der har det, der kaldes en sekundær kloroplast, hvilket betyder, at de engang i deres evolutionære historie fik en kloroplast fra noget andet. Nogle gange ser man endda tegn på tertiære kloroplaster, hvor organismer får kloroplaster, der er taget fra en tredje celle. Disse sekundære og tertiære endosymbiose-begivenheder har fundet sted, tror vi, mindst et halvt dusin gange. Og det har givet anledning til den enorme mangfoldighed af eukaryotisk planteplankton.
Hvordan ser det ud at gå fra at være noget, der er heterotrofisk, til noget, der er meget fotosyntetisk? Hvilke ændringer skal du foretage i din fysiologi? Hvor kan du overleve? Hvilke naturlige selektionsgradienter skal være på plads? Studiet af Mesodinium giver os indsigt i, hvordan den overgang så ud.
Hjælper erhvervet stofskifte organismer med at komme videre?
I papiret, som vi udgav tidligere i år, så vi på en organisme, der bliver fotosyntetisk ved at være vært for endosymbiotiske alger. Det er både erhvervet stofskifte og en symbiose. Du kunne åbne disse ferskvandsciliater kaldet Paramecium bursaria og isolere algerne, og algerne ville med glæde leve og vokse af sig selv.
Disse paramecia er som små uklare grønne klatter, der hvirvler rundt i petriskålen. Vi begyndte at se på, hvordan disse organismers konkurrenceevne afhang af tilgængeligheden af lys. Hvis de får energi fra sollys, så jo mere sollys der er, jo mere energi skal de få til at vokse. Vi troede, at det ville udvide deres evne til at konkurrere med andre arter.
Jeg havde en utrolig dygtig bachelorstuderende, Veronica Hsu, der testede den idé. Vi havde denne inkubator med lysbanker og små flasker af kulturer, der voksede ved forskellige lysniveauer. Hver anden dag tog Veronica prøver af kulturerne og puttede små dråber af dem i petriskåle. Derefter talte hun antallet af forskellige typer ciliater i hver dråbe.
Introduktion
Men selv uden at foretage en nøjagtig optælling, kunne du inden for få uger se, at alle de hvide gennemskinnelige ikke-fotosyntetiske ciliater var ved at forsvinde, mens al den lysegrønne paramecia voksede. Du kunne se konkurrencen spille for dine øjne.
Veronica viste, at efterhånden som lyset steg, blev konkurrenceevnen hos den organisme, der havde erhvervet fotosyntese ved at være vært for algerne, også større. Og så fik vi mulighed for at tælle cellerne til at forstå dataene bag dette fænomen.
Så at få disse celletællinger og bygge en matematisk model af, hvad der skete, var en vigtig del af dette?
Ja, når vi kører disse eksperimenter, tælles der meget. Min kollega Caroline Tucker sagde, da vi gik i skole sammen, "Du ved, økologi er bare videnskaben om at tælle." På det tidspunkt var jeg lidt ærgerlig over hendes udtalelse, men hun tog ikke fejl.
Der er en del af mig, der altid vil mene, at der ikke er nogen erstatning for at sidde med sin studieorganisme og forelske sig lidt i den i laboratoriet eller ude i marken. Når du sidder i et mørkt rum og stirrer gennem et mikroskop, føler du, at du fornemmer disse forskellige arters personligheder. Nogle af disse paramecia er en slags sølvhvide og dråbeformede og meget gennemskinnelige, fordi de ikke har nogen fotosyntetiske alger. Når de er i en splinterny kolbe med masser af bakterielle ressourcer, bumper de lidt langsomt rundt, men mens eksperimentet fortsætter, er det som om du kan se dem blive sultne foran dine øjne, og de begynder at svømme rigtig hurtigt. Og du kan lave observationer, der så fører til yderligere fund.
At kunne kombinere laboratorieforsøg med matematiske modeller tvinger mig til at være virkelig ærlig og eksplicit om, hvad jeg tror, der foregår. Hvad mener vi med "tilegnelse" af stofskiftet? Hvilke ressourcer får cellen ved at være vært for fotosyntese? Hvordan påvirker det præcis dets konkurrenceevne?
Nu har vi en model, som vi ved beskriver, hvordan erhvervet stofskifte kan ændre konkurrenceevnen. Og det har implikationer ikke kun for erhvervet fotosyntese, men også for andre erhvervelser af metabolisme. De nøjagtige detaljer, som vi tilslutter til modellen, kan ændre sig afhængigt af systemet. Men vi har en ramme at bruge.
Vi talte om konkurrencefordele, der kan komme fra erhvervet stofskifte. Men er der ulemper ved at overtage andres stofskifte?
Helt bestemt. Der er en teori om, at vores mitokondrier - en anden metabolisk organel, som vi har erhvervet gennem endosymbiose - er årsagen til, at vi bliver ældre.
På grund af dem er vi engageret i aerob metabolisme og bruger ilt til at forbrænde kulhydrater og andre molekyler til energi. Men de reaktive midler, som mitokondrier og kloroplaster producerer, kan også oxidere og nedbryde vores krops DNA. Det er farlige ting at lægge ved siden af dit genetiske materiale.
En ting, som vi nogle gange ser i disse organismer, der stjæler kloroplaster, er, at de har en masse beskyttende antioxidantmaskineri, som hjælper dem med at håndtere kloroplaster. At have en kloroplast kan gøre det meget farligt at være i højlys. Du kan som udgangspunkt blive solskoldet. En fed ting demonstreret af Suzanne Strøm, en videnskabsmand i Washington State ved Western Washington University, er, at når organismer spiser celler med kloroplaster, har de en tendens til at fordøje dem hurtigere, når der er mere lys tilgængeligt. Det kan være fordi lys hjælper dig med at nedbryde kloroplasten. Men det kan også være, at denne organisme tænker: ”Jeg leger med ilden her; Jeg skal af med det."
Introduktion
Så dette rejser interessante spørgsmål om de typer miljøer, som disse organismer kunne have levet i, da de først begyndte at hænge på kloroplaster. Jeg formoder, at det sandsynligvis var et miljø med lavere lys, fordi hvis din fordøjelse afhænger af lys, vil lavere lys bremse det og også reducere den skade, som kloroplasterne kan gøre. Du kan klare det lidt mere. Og Mesodinium er bestemt en art med svagt lys. Men det er meget anekdotisk. Vi har brug for meget mere bevis. Men der er selvfølgelig også ting, der bevarer kloroplaster, der også lever i et stærkt lysmiljø.
Jeg har bemærket på din Twitter, at du laver en masse trærodstælling. Hvad har det at gøre med dette andet arbejde?
En af de ting, jeg elsker ved at være teoretisk økolog, er, at jeg kan boltre mig i mange forskellige systemer.
Det er et andet aspekt af erhvervet stofskifte, som vi arbejder på. Så vi har talt om at stjæle stofskiftemaskineri fra en anden organisme. Men der er også metabolisk gensidighed - erhvervelsen af metabolisme gennem dette virkelig intime partnerskab mellem to organismer. Træernes forretning, som vi alle ved, er fotosyntese. Men for at fotosyntetisere har træer brug for næringsstoffer og vand fra jorden. Og det viser sig, især i tempererede økosystemer, at de får adgang til disse ressourcer ved at samarbejde med svampe, ektomykorrhizale svampe. Det er svampe, der for det meste lever under jorden, selvom de nogle gange sætter virkelig lækre svampe op, og nogle gange også giftige. Svampene er i partnerskab med træerne. Svampene udmærker sig ved at høste næringsstoffer fra jorden, og træerne giver sukker fra fotosyntesen, så de kan støtte hinanden.
Denne metaboliske gensidighed hjælper træer til at overleve under alle mulige forskellige miljøforhold og udvide deres økologiske niche. Et træ kan samarbejde med visse svampe, der er gode for et miljø, og med forskellige svampe i et andet miljø. Vi tror, at dette giver træer mulighed for at leve af et mere forskelligartet sæt af miljøforhold, end hvis de var alene.
Der er så meget snak om mikrobiomet, men vi glemmer, at det må have været virkelig svært at få alle de forhold til mikrober i gang i begyndelsen.
Ja, helt. Efterhånden som vi får bedre miljødata fra sekventering, ser vi, at stort set alt har en form for mikrobiom, selvom det lever udenfor. Hvem kontrollerede hvis udvikling, ved du? Måske skulle vi bare forholde os til det faktum, at vores indvolde ville blive koloniseret af insekter, og vi gjorde det bedste ud af det.
Det er derfor, jeg synes, at studiet af erhvervet stofskifte er så fascinerende. Du studerer organismer, der foretager disse erhvervelser i dag. Du får et indblik i, hvordan de håndterede det økologisk tidligere, hvad udvælgelsespresset var og så videre.
Jeg føler, at teoretisk økologi eksploderer på det seneste.
Jeg tror, det er meget på mode nu.
Jeg tror, at en del af den stigende interesse for teori kommer fra den overvældende mængde information, som vi har nu. Når man har bunker og bunker af data, giver man mening ud af det ved at udvikle nogle samlende teorier om det. Og matematiske modeller er en måde at gribe det problem an på. Jeg tror, det er derfor, der har været større interesse blandt vores kandidatstuderende for disse emner, eller interesse på universiteterne for at ansætte teoretiske økologer. Det bunder lidt i: Vi har massive data. Og vi er klar.
