Einleitung
Die Natur, rot an Zähnen und Klauen, ist voller Organismen, die ihre Nachbarn fressen, um voranzukommen. Sondern in den vom theoretischen Ökologen untersuchten Systemen Holly Möller, Assistenzprofessor für Ökologie, Evolution und Meeresbiologie an der University of California, Santa Barbara, wird der Konsumierte auf überraschende Weise Teil des Verbrauchers.
Moeller untersucht hauptsächlich Protisten, eine breite Kategorie einzelliger Mikroorganismen wie Amöben und Pantoffeltierchen, die nicht in die bekannten makroskopischen Kategorien von Tieren, Pflanzen und Pilzen passen. Was sie am meisten fasziniert, ist die Fähigkeit einiger Protisten, Teile der Zellen, die sie jagen, zu kooptieren. Bewaffnet mit diesen immer noch funktionierenden Teilen ihrer Beute können die Protisten in neue Lebensräume expandieren und dort überleben, wo sie es vorher nicht konnten.
Sie zu beobachten, gibt Moeller einen unverwechselbaren Einblick in die zugrunde liegende Struktur heutiger Ökosysteme und die evolutionären Kräfte, die sie geschaffen haben. Der Diebstahl von Organellen durch die Protisten mag bizarr erscheinen, aber die Mitochondrien in unseren eigenen Zellen kennzeichnen uns als Produkte einer verwandten Art von Stoffwechselerwerb durch unsere alten Vorfahren.
„Im weitesten Sinne sind dies Fragen darüber, wann und wie sich Organismen spezialisieren und wie sie diese Spezialisierung durchbrechen können, indem sie Zugang zu etwas Neuem erhalten“, sagte sie. „Für mich befasst sich diese Arbeit mit Fragen darüber, wie Organismen ihre ökologische Nische erweitern, wie diese Aneignungen dauerhaft sein können und was das bedeutet, wie der Stoffwechsel über die Spitzen der Äste der Bäume des Lebens springt.“
Wie viel sprach mit Moeller telefonisch über ihren Werdegang, ihre Forschungen zum erworbenen Stoffwechsel und zur theoretischen Ökologie. Das Interview wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit gekürzt und bearbeitet.
In Ökologie- und Evolutionskreisen sind Sie durch Ihre Arbeiten zum „erworbenen Stoffwechsel“ bekannt geworden. Ist das ein Begriff, auf den Sie gekommen sind?
Nicht absichtlich. Das meine ich mit Teilen Ihres Stoffwechsels, die nicht in Ihrem eigenen Genom kodiert sind. Sie erhalten auf irgendeine Weise Zugang zu ihnen, indem Sie sich mit einer anderen Spezies verbinden.
Das umfasst einige Formen der Symbiose, aber es ist mehr als das. Es umfasst auch Dinge wie den Erwerb von Chloroplasten, den eukaryotischen Organellen für die Photosynthese, aus aufgenommener Beute und sogar den horizontalen Gentransfer, bei dem ein einzelnes Gen oder ein ganzes Paket von Stoffwechselgenen von einem Organismus durch einen anderen gezupft wird.
Ich bin als Gemeinschaftsökologe ausgebildet und interessiere mich daher sehr für die Rolle, die Organismen in Ökosystemen spielen, und dafür, wie sich diese Nischen im Laufe ihres Lebens ausdehnen und zusammenziehen. Das Studium des erworbenen Stoffwechsels passte natürlich dazu, weil es sehr darum geht, wie Organismen ihre Nischen erweitern können.
Ist das, was Menschen mit unseren Darmbakterien erworben haben, Stoffwechsel?
Ich denke, das ist ein großartiges Beispiel. Ein Großteil unserer Fähigkeit, verschiedene Nahrungsquellen zu sich zu nehmen und sie zu verstoffwechseln, hängt von diesen Bakterien ab. Einige der wichtigen Vitamine und Cofaktoren, die wir benötigen, wie Vitamin K, werden von Mikroben hergestellt, die in unserem Darm leben. Auf diese Partnerschaften sind wir sehr angewiesen.
Was hat Sie zu dieser Forschungsrichtung geführt?
Wissen Sie, Bakterien bewegen sich oft durch einen Prozess, der „Tumbling and Running“ genannt wird. Sie folgen einem chemischen Hinweis auf eine Ressource, aber wenn das Signal nachlässt, hören sie auf, drehen sich und fliegen in eine zufällige Richtung. Ich denke, das gilt auch für viele Wissenschaftler, einschließlich mir. Wir folgen oft unserer Nase und jagen Dingen nach, die uns begeistern. Und manchmal führt es uns an unerwartete Orte.
Einleitung
Ich hatte Glück. Meine Eltern sind beide als Wissenschaftler ausgebildet, und obwohl keiner von ihnen in meiner Kindheit als einer gearbeitet hat, wusste ich, dass Forschung eine Karriereoption ist. Ich hatte auch sehr viel Glück in meiner Grundausbildung an der Rutgers University, da ich Professoren hatte, die sich interessierten und mich mit einem Fakultätsmitglied verbanden, das über Meeresmikroben forschte. Der Wissenschaftler, mit dem ich zuerst zusammengearbeitet habe, Paul Falkowski, hat vielseitige Interessen. Aber eines der Dinge, die er damals untersuchte, war, wie Chloroplasten um den Baum des Lebens herum verbreitet wurden.
Hier begann mein Interesse am erworbenen Stoffwechsel. Ich fand es total faszinierend, diese Idee, dass etwas, was ich in Lehrbüchern als Merkmal von Pflanzen gelernt habe, tatsächlich etwas war, was sie vor ein paar Milliarden Jahren durch die Aufnahme eines Bakteriums bekommen haben. Und dass dies mehrfach passiert ist. Ich begann mit Paul und zu arbeiten Matt Johnson, der damals sein Postdoc war, über Organismen, die heute Chloroplasten stehlen und was sie uns über diesen Evolutionsprozess verraten könnten.
Ich liebe die Idee, dass ein Organismus ohne Chloroplasten ins Leben starten und sich dann einfach einen zulegen kann.
Recht? Stellen Sie sich vor, wir hätten einen Salat zum Mittagessen und dann würden unsere Arme plötzlich grün! Ich lebe gerade in Südkalifornien – ich könnte zwischen den Unterrichtsstunden spazieren gehen und all die Energie tanken, die ich brauche. Obwohl ich gerne zu Mittag esse, bin ich mir nicht sicher, ob ich das wirklich genießen würde.
In vielen Fällen sind diese Organismen, die Chloroplasten erhalten, ziemlich an die Photosynthese gebunden. Einige der Arten, an denen wir arbeiten, würden sterben, wenn sie keine Photosynthese betreiben könnten, also können sie nicht überleben, wenn sie keine Beute finden, von der sie Chloroplasten stehlen können. Es ist für mich eine evolutionäre Kuriosität, dass sie sich in diese Ecke zurückgezogen haben.
Müssen diese Arten ständig Chloroplasten stehlen, weil sie irgendwann zusammenbrechen?
Generell ja. Diese Chloroplasten stehlenden Abstammungslinien unterscheiden sich jedoch darin, wie gut sie darin sind, die Chloroplasten zu erhalten. In dieser Gruppe von marinen Ciliaten, an denen wir arbeiten, werden genannt Mesodinium, einige Linien stehlen überhaupt keine Chloroplasten. Einige stehlen sie und rennen sie sehr schnell in den Boden. Und andere stehlen sie, aber auch funktionale Kerne von ihrer Beute, was bedeutet, dass sie mehr Chloroplasten bilden können.
Die Metapher, die ich liebe, ist, dass diejenigen, die keine Chloroplasten stehlen, wie das brave Kind sind, das noch nie ein Auto gestohlen hat. Andere stehlen das Auto für eine Spritztour, prallen damit gegen einen Baum und lassen es stehen. Aber es gibt einige, die das Auto stehlen, aber auch die Bedienungsanleitung, und sie bauen eine Werkstatt, um sich gut um das gestohlene Eigentum zu kümmern.
Da ist dieses ganze Spektrum, und weil sie eng miteinander verwandt sind, können wir fragen: Was sind die evolutionären Unterschiede zwischen diesen Organismen, die die Übergänge erleichtert haben?
Erben sie jemals Chloroplasten von ihren Elternzellen? Wenn sich die Zellen zur Fortpflanzung teilen, werden dann nicht auch die Chloroplasten weitergegeben?
Einige von ihnen tun es. In manchen Abstammungslinien teilen sich die Zellen, wenn sie sich teilen, den Chloroplastenanteil zwischen ihnen auf. Um ihre Chloroplasten aufzufrischen und aufzufüllen, müssen sie sie durch Essen stehlen.
Aber die Zellen, die den gestohlenen Kern – die gestohlene Bedienungsanleitung – aufbewahren, können die Chloroplasten dazu bringen, sich zusammen mit dem Rest der Zelle zu teilen. Die Kerne scheinen das zu sein, wofür sie noch essen müssen. Wenn sie eine Beutezelle fangen, halten sie sich an deren Chloroplasten fest, denn warum nicht? Aber es scheint wirklich entscheidend zu sein, dass sie neue Kerne aufnehmen.
Einleitung
Wie ist es den Ciliaten möglich, Energie aus der Zellmaschinerie eines anderen zu gewinnen?
Das ist eine wirklich interessante Frage. Wenn einige der Mesodinium Ciliaten fressen, sie streifen den größten Teil der Beutezelle ab. Die Elektronenmikroskopie hat gezeigt, dass die Chloroplasten ziemlich intakt sind, aber sie befinden sich auch noch in der Reliktzellmembran der Beute. Und dann hat der Ciliat um all das eine eigene Membran, weil der Ciliat die Beutezelle in eine Vakuole [Membranbläschen] gesteckt hat, als er sie aufgenommen hat.
Wir wissen wirklich nicht, wie sich Moleküle durch dieses Multimembransystem bewegen. Das ist etwas, dem wir jetzt nachzugehen versuchen, indem wir verfolgen, wohin die Proteine gehen.
Welche evolutionäre Frage hilft Ihnen diese Arbeit bei der Beantwortung?
Wenn wir Photosynthese in der Schule unterrichten, konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die Landpflanzen, deren Vorfahren vor 2 Milliarden Jahren Chloroplasten aufgenommen haben, als sie frei lebende Cyanobakterien als Endosymbionten domestizierten.
Aber wenn wir uns Phytoplankton in Ozean- und Süßwassersystemen ansehen, ist das Bild viel komplizierter. Wir sehen uns oft Organismen an, die einen sogenannten sekundären Chloroplasten haben, was bedeutet, dass sie irgendwann in ihrer Evolutionsgeschichte einen Chloroplasten von etwas anderem erhalten haben. Manchmal sieht man sogar Hinweise auf tertiäre Chloroplasten, bei denen Organismen Chloroplasten erhalten, die einer dritten Zelle entnommen wurden. Diese sekundären und tertiären Endosymbiose-Ereignisse haben unserer Meinung nach mindestens ein halbes Dutzend Mal stattgefunden. Und das hat zu der enormen Vielfalt des eukaryotischen Phytoplanktons geführt.
Wie sieht es aus, von etwas, das heterotroph ist, zu etwas zu werden, das stark photosynthetisch ist? Welche Veränderungen müssen Sie in Ihrer Physiologie vornehmen? Wo kannst du überleben? Welche natürlichen Selektionsgradienten müssen vorhanden sein? Das Studium der Mesodinium gibt uns Einblicke, wie dieser Übergang aussah.
Hilft erworbener Stoffwechsel dem Organismus, voranzukommen?
In dem Papier, das wir Anfang dieses Jahres veröffentlicht haben, haben wir uns einen Organismus angesehen, der photosynthetisch wird, indem er endosymbiotische Algen beherbergt. Es ist sowohl ein erworbener Stoffwechsel als auch eine Symbiose. Sie könnten diese Süßwasser-Ciliaten namens öffnen Paramecium bursaria und isolieren Sie die Algen, und die Algen würden glücklich leben und alleine wachsen.
Diese Pantoffeltierchen sind wie kleine flockige grüne Kleckse, die in der Petrischale herumwirbeln. Wir begannen zu untersuchen, wie die Wettbewerbsfähigkeit dieser Organismen von der Verfügbarkeit von Licht abhängt. Wenn sie Energie aus Sonnenlicht beziehen, dann sollten sie umso mehr Energie zum Wachsen bekommen, je mehr Sonnenlicht vorhanden ist. Wir dachten, das würde sich auf ihre Fähigkeit erstrecken, mit anderen Arten zu konkurrieren.
Ich hatte einen unglaublich talentierten Studenten, Veronika Hsu, der diese Idee getestet hat. Wir hatten diesen Inkubator mit Lichtbänken und kleinen Fläschchen mit Kulturen, die bei unterschiedlichen Lichtstärken gezüchtet wurden. Alle zwei Tage entnahm Veronica Proben der Kulturen und gab kleine Tröpfchen davon in Petrischalen. Dann zählte sie die Anzahl der verschiedenen Arten von Ciliaten in jedem Tröpfchen.
Einleitung
Aber auch ohne eine genaue Zählung konnte man innerhalb weniger Wochen sehen, dass alle weißen durchscheinenden nicht-photosynthetischen Ciliaten verschwanden, während alle hellgrünen Pantoffeltierchen zunahmen. Sie konnten sehen, wie sich der Wettbewerb vor Ihren Augen abspielte.
Veronica zeigte, dass mit zunehmendem Licht auch die Konkurrenzfähigkeit des Organismus zunahm, der durch die Beherbergung der Algen Photosynthese erworben hatte. Und dann erlaubte uns das Zählen der Zellen, die Daten hinter diesem Phänomen zu erfassen.
Also war es ein wichtiger Teil davon, diese Zellzahlen zu erhalten und ein mathematisches Modell dessen zu erstellen, was passierte?
Ja, wenn wir diese Experimente durchführen, wird viel gezählt. Meine Kollegin Caroline Tucker sagte, als wir zusammen in der Graduiertenschule waren: „Weißt du, Ökologie ist nur die Wissenschaft des Zählens.“ Damals ärgerte ich mich über ihre Aussage, aber sie lag nicht falsch.
Ein Teil von mir wird immer denken, dass es keinen Ersatz dafür gibt, mit Ihrem Studienorganismus zu sitzen und sich ein wenig in ihn zu verlieben, im Labor oder draußen im Feld. Wenn Sie in einem dunklen Raum sitzen und durch ein Mikroskop starren, haben Sie das Gefühl, die Persönlichkeiten dieser verschiedenen Arten zu spüren. Einige dieser Pantoffeltierchen sind silbrig-weiß und tropfenförmig und sehr durchscheinend, weil sie keine photosynthetischen Algen haben. Wenn sie sich in einer brandneuen Flasche mit vielen bakteriellen Ressourcen befinden, tummeln sie sich langsam herum, aber wenn das Experiment weitergeht, ist es, als könnte man sehen, wie sie vor Ihren Augen hungrig werden und sehr schnell anfangen zu schwimmen. Und man kann Beobachtungen machen, die dann zu weiteren Erkenntnissen führen.
In der Lage zu sein, Laborexperimente mit mathematischen Modellen zu kombinieren, zwingt mich, wirklich ehrlich und explizit zu sein, was ich denke, was vor sich geht. Was verstehen wir unter „Erwerb“ des Stoffwechsels? Welche Ressourcen erhält die Zelle durch die Durchführung der Photosynthese? Wie genau wirkt sich das auf seine Wettbewerbsfähigkeit aus?
Jetzt haben wir ein Modell, von dem wir wissen, dass es beschreibt, wie der erworbene Stoffwechsel die Wettbewerbsfähigkeit verändern kann. Und das hat Auswirkungen nicht nur auf die erworbene Photosynthese, sondern auch auf andere Stoffwechselvorgänge. Die genauen Details, die wir in das Modell stecken, können sich je nach System ändern. Aber wir haben einen Rahmen, den wir verwenden können.
Wir sprachen über Wettbewerbsvorteile, die durch erworbenen Stoffwechsel entstehen können. Aber gibt es auch Nachteile, den Stoffwechsel eines anderen zu übernehmen?
Definitiv. Es gibt eine Theorie, dass unsere Mitochondrien – ein weiteres Stoffwechselorganell, das wir durch Endosymbiose erworben haben – der Grund dafür sind, dass wir altern.
Wegen ihnen sind wir am aeroben Stoffwechsel beteiligt, indem wir Sauerstoff verwenden, um Kohlenhydrate und andere Moleküle für Energie zu verbrennen. Aber die reaktiven Mittel, die Mitochondrien und Chloroplasten produzieren, könnten auch die DNA unseres Körpers oxidieren und abbauen. Dies sind gefährliche Dinge, die Sie neben Ihr genetisches Material legen können.
Eine Sache, die wir manchmal bei diesen Chloroplasten stehlenden Organismen sehen, ist, dass sie über eine Menge schützender Antioxidantien verfügen, die ihnen helfen, mit der Aufnahme von Chloroplasten fertig zu werden. Ein Chloroplast kann es sehr gefährlich machen, sich in hellen Umgebungen aufzuhalten. Grundsätzlich kann man einen Sonnenbrand bekommen. Eine coole Sache demonstriert von Susanne Strom, ein Wissenschaftler im US-Bundesstaat Washington an der Western Washington University, ist, dass Organismen, die Zellen mit Chloroplasten essen, dazu neigen, diese schneller zu verdauen, wenn mehr Licht zur Verfügung steht. Es könnte daran liegen, dass Licht Ihnen hilft, die Chloroplasten abzubauen. Aber es könnte auch sein, dass dieser Organismus denkt: „Ich spiele hier mit dem Feuer; Ich muss es loswerden.“
Einleitung
Das wirft also interessante Fragen über die Arten von Umgebungen auf, in denen diese Organismen gelebt haben könnten, als sie anfingen, sich an Chloroplasten zu klammern. Ich vermute, es war wahrscheinlich eine Umgebung mit weniger Licht, denn wenn Ihre Verdauung vom Licht abhängt, wird weniger Licht sie verlangsamen und auch den Schaden verringern, den die Chloroplasten anrichten könnten. Sie können es ein bisschen mehr verwalten. Und Mesodinium ist sicherlich eine Low-Light-Spezies. Aber das ist sehr anekdotisch. Wir brauchen viel mehr Beweise. Aber natürlich gibt es auch Dinge, die Chloroplasten enthalten, die auch in einer hellen Umgebung leben.
Ich habe auf Ihrem Twitter bemerkt, dass Sie viel Baumwurzeln zählen. Was hat das mit dieser anderen Arbeit zu tun?
Eines der Dinge, die ich daran liebe, ein theoretischer Ökologe zu sein, ist, dass ich mich mit vielen verschiedenen Systemen beschäftigen kann.
Das ist ein weiterer Aspekt des erworbenen Stoffwechsels, an dem wir arbeiten. Wir haben also darüber gesprochen, die Stoffwechselmaschinerie eines anderen Organismus zu stehlen. Aber es gibt auch metabolischen Mutualismus – den Erwerb des Stoffwechsels durch diese wirklich enge Partnerschaft zwischen zwei Organismen. Das Geschäft der Bäume ist, wie wir alle wissen, die Photosynthese. Aber für die Photosynthese benötigen Bäume Nährstoffe und Wasser aus dem Boden. Und es stellt sich heraus, dass sie vor allem in gemäßigten Ökosystemen Zugang zu diesen Ressourcen erhalten, indem sie mit Pilzen, Ektomykorrhizapilzen, zusammenarbeiten. Dies sind Pilze, die hauptsächlich unter der Erde leben, obwohl sie manchmal wirklich köstliche Pilze hervorbringen, und manchmal auch giftige. Die Pilze sind in Partnerschaft mit den Bäumen. Die Pilze zeichnen sich dadurch aus, dass sie Nährstoffe aus dem Boden ernten, und die Bäume liefern Zucker aus der Photosynthese, sodass sie sich gegenseitig unterstützen können.
Dieser metabolische Mutualismus hilft Bäumen, unter den unterschiedlichsten Umweltbedingungen zu überleben und ihre ökologische Nische zu erweitern. Ein Baum kann mit bestimmten Pilzen zusammenarbeiten, die für eine Umgebung gut sind, und mit verschiedenen Pilzen in einer anderen Umgebung. Wir glauben, dass dies es Bäumen ermöglicht, ihren Lebensunterhalt unter vielfältigeren Umweltbedingungen zu bestreiten, als wenn sie alleine wären.
Es wird so viel über das Mikrobiom geredet, aber wir vergessen, dass es am Anfang wirklich schwierig gewesen sein muss, all diese Beziehungen zu Mikroben in Gang zu bringen.
Ja, total. Da wir durch die Sequenzierung bessere Umweltdaten erhalten, sehen wir, dass so ziemlich alles eine Art Mikrobiom hat, auch wenn es auf ihrer Außenseite lebt. Wer hat wessen Entwicklung kontrolliert, weißt du? Vielleicht mussten wir uns einfach damit abfinden, dass unser Darm von Insekten besiedelt werden würde, und wir haben das Beste daraus gemacht.
Deshalb finde ich das Studium des erworbenen Stoffwechsels so faszinierend. Sie studieren Organismen, die heute diese Akquisitionen machen. Man bekommt einen Einblick, wie sie das früher ökologisch gehandhabt haben, wie der Selektionsdruck war und so weiter.
Ich habe das Gefühl, dass die theoretische Ökologie in letzter Zeit explodiert.
Ich denke, es ist jetzt sehr in Mode.
Ich denke, dass ein Teil des steigenden Interesses an der Theorie von der überwältigenden Menge an Informationen herrührt, die wir jetzt haben. Wenn Sie Berge und Berge von Daten haben, machen Sie Sinn daraus, indem Sie einige vereinheitlichende Theorien darüber entwickeln. Und mathematische Modelle sind eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen. Ich denke, das ist der Grund, warum das Interesse unserer Doktoranden an diesen Themen oder das Interesse an Universitäten, theoretische Ökologen einzustellen, gestiegen ist. Es läuft auf Folgendes hinaus: Wir haben riesige Datenmengen. Und wir sind bereit.
