Introducción
La naturaleza, roja de colmillos y garras, está plagada de organismos que se comen a sus vecinos para salir adelante. Pero en los sistemas estudiados por el ecólogo teórico acebo moeller, profesor asistente de ecología, evolución y biología marina en la Universidad de California, Santa Bárbara, los consumidos se vuelven parte del consumidor de maneras sorprendentes.
Moeller estudia principalmente a los protistas, una amplia categoría de microorganismos unicelulares como las amebas y los paramecios que no encajan dentro de las categorías macroscópicas familiares de animales, plantas y hongos. Lo que más la fascina es la capacidad de algunos protistas para cooptar partes de las células de las que se alimentan. Armados con estas piezas de su presa que aún funcionan, los protistas pueden expandirse a nuevos hábitats y sobrevivir donde antes no podían.
Verlos le da a Moeller una visión distintiva de la estructura subyacente de los ecosistemas actuales y las fuerzas evolutivas que los formaron. El hurto de orgánulos por parte de los protistas puede parecer extraño, pero las mitocondrias en nuestras propias células nos marcan como productos de un tipo relacionado de adquisición metabólica por parte de nuestros antiguos ancestros.
“En el sentido más amplio, estas son preguntas sobre cuándo y cómo se especializan los organismos, y cómo pueden romper esa especialización al obtener acceso a algo nuevo”, dijo. “Para mí, este trabajo aborda preguntas sobre cómo los organismos expanden su nicho ecológico, cómo esas adquisiciones pueden ser permanentes y qué significa eso sobre cómo el metabolismo salta a través de las puntas de las ramas de los árboles de la vida”.
¿Cuánto habló con Moeller por teléfono sobre su carrera, su investigación sobre el metabolismo adquirido y la ecología teórica. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.
Se ha hecho muy conocido en los círculos de ecología y evolución por su trabajo sobre el “metabolismo adquirido”. ¿Es ese un término que se te ocurrió?
No intencionalmente. Es lo que quiero decir con partes de su metabolismo que no están codificadas en su propio genoma. Obtienes acceso a ellos de alguna manera asociándote con otra especie.
Eso abarca algunas formas de simbiosis, pero es más que eso. También incluye cosas como la adquisición de cloroplastos, los orgánulos eucariotas para la fotosíntesis, de presas ingeridas, e incluso la transferencia horizontal de genes, donde un solo gen o un paquete completo de genes metabólicos es arrancado de un organismo por otro.
Me formé como ecólogo comunitario, por lo que estoy muy interesado en los roles que juegan los organismos en los ecosistemas y cómo esos nichos se expanden y contraen durante su vida. El estudio del metabolismo adquirido se sintió como un ajuste natural con eso, porque tiene mucho que ver con cómo los organismos pueden expandir sus nichos.
¿Lo que los humanos tenemos con nuestras bacterias intestinales es un metabolismo adquirido?
Creo que es un gran ejemplo. Gran parte de nuestra capacidad para comer diversas fuentes de alimentos y metabolizarlas se reduce a esas bacterias. Algunas de las vitaminas y cofactores importantes que necesitamos, como la vitamina K, son fabricados por microbios que viven dentro de nuestro intestino. Dependemos mucho de estas asociaciones.
¿Qué te llevó a esta línea de investigación?
Ya sabes, las bacterias a menudo se mueven a través de un proceso llamado "dar vueltas y correr". Siguen alguna señal química hacia un recurso, pero cuando la señal se apaga, se detienen, giran y se van en una dirección aleatoria. Creo que esto también es cierto para muchos científicos, incluyéndome a mí. A menudo seguimos nuestro olfato y perseguimos cosas que nos emocionan. Y a veces nos lleva a lugares inesperados.
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Tuve suerte. Mis padres se formaron como científicos, y aunque ninguno de ellos trabajó como tal mientras yo crecía, yo sabía que la investigación era una opción profesional. También tuve mucha suerte en mi educación universitaria en la Universidad de Rutgers, ya que tuve profesores que se interesaron y me conectaron con un miembro de la facultad que investiga sobre microbios marinos. El científico con el que trabajé por primera vez, Pablo Falkowski, tiene intereses eclécticos. Pero una de las cosas que estaba estudiando en ese momento era cómo los cloroplastos se extendían por el árbol de la vida.
Aquí fue donde comenzó mi interés por el metabolismo adquirido. Me pareció totalmente fascinante esta idea de que algo que aprendí en los libros de texto como una característica de las plantas era en realidad algo que obtuvieron hace un par de miles de millones de años al ingerir una bacteria. Y que esto ha sucedido varias veces. Empecé a trabajar con Paul y Matt Johnson, quien fue su postdoctorado en ese momento, sobre los organismos que roban cloroplastos en la actualidad y lo que podrían decirnos sobre este proceso evolutivo.
Me encanta la idea de que un organismo puede comenzar su vida sin un cloroplasto, y luego simplemente adquirir uno.
¿Derecha? ¡Imagínese si almorzáramos una ensalada y de repente nuestros brazos se pusieran verdes! Vivo en el sur de California en este momento: podría caminar entre clases y obtener toda la energía que necesitaba. Aunque me gusta almorzar, así que no estoy seguro de que realmente me guste eso.
En muchos casos, estos organismos que obtienen cloroplastos se ven bastante obligados a realizar la fotosíntesis. Algunas de las especies con las que trabajamos morirían si no pudieran hacer la fotosíntesis, por lo que no pueden sobrevivir si no pueden encontrar presas a las que robar los cloroplastos. Es una curiosidad evolutiva para mí que se acorralaron en este rincón.
¿Estas especies tienen que seguir robando cloroplastos porque eventualmente se descomponen?
Generalmente, sí. Sin embargo, estos linajes que roban cloroplastos varían en lo buenos que son para mantener el cloroplasto. En este grupo de ciliados marinos que trabajamos llamados mesodinio, algunos linajes no roban cloroplastos en absoluto. Algunos los roban y los tiran al suelo muy rápido. Y otros los roban pero también roban núcleos funcionales de sus presas, lo que significa que pueden fabricar más cloroplastos.
La metáfora que me encanta es que los que no roban cloroplastos son como el niño bien portado que nunca ha robado un coche. Otros roban el coche para dar un paseo, lo estrellan contra un árbol y lo abandonan. Pero hay algunos que roban el auto pero también el manual del propietario, y construyen un taller mecánico para cuidar bien la propiedad robada.
Existe todo este espectro, y debido a que están estrechamente relacionados, podemos preguntar: ¿Cuáles son las diferencias evolutivas entre estos organismos que facilitaron las transiciones?
¿Alguna vez heredan cloroplastos de sus células progenitoras? Si las células se dividen para reproducirse, ¿no se transmiten también los cloroplastos?
Algunos de ellos lo hacen. En algunos linajes, cuando las células se dividen, se reparten la asignación de cloroplastos entre ellas. Para refrescar y reponer sus cloroplastos, necesitan robarlos comiendo.
Pero las células que guardan el núcleo robado —el manual de instrucciones robado— pueden hacer que los cloroplastos se dividan junto con el resto de la célula. Los núcleos parecen ser lo que todavía necesitan para comer. Cuando atrapan una célula presa, se aferran a sus cloroplastos, porque ¿por qué no? Pero parece que realmente lo crítico es que recojan nuevos núcleos.
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¿Cómo es posible que los ciliados obtengan energía de la maquinaria celular de otra persona?
Esa es una pregunta realmente interesante. Cuando algunos de los mesodinio los ciliados comen, eliminan la mayor parte de la célula presa. La microscopía electrónica ha demostrado que los cloroplastos están bastante intactos, pero también están dentro de la membrana celular reliquia de la presa. Y luego el ciliado tiene una membrana propia alrededor de todo eso, porque el ciliado metió la célula presa en una vacuola [vesícula de membrana] cuando la ingirió.
Realmente no sabemos cómo se mueven las moléculas a través de este sistema de múltiples membranas. Eso es algo en lo que estamos tratando de profundizar ahora siguiendo hacia dónde van las proteínas.
¿Qué pregunta evolutiva te está ayudando a responder este trabajo?
Cuando enseñamos fotosíntesis en la escuela, nos enfocamos principalmente en las plantas terrestres, cuyos antepasados recogieron los cloroplastos hace 2 mil millones de años, cuando domesticaron las cianobacterias de vida libre como endosimbiontes.
Pero cuando observamos el fitoplancton en el océano y los sistemas de agua dulce, la imagen es mucho más complicada. A menudo observamos organismos que tienen lo que se llama un cloroplasto secundario, lo que significa que, en algún momento de su historia evolutiva, obtuvieron un cloroplasto de otra cosa. A veces, incluso se ven evidencias de cloroplastos terciarios, donde los organismos obtienen cloroplastos que se tomaron de una tercera célula. Estos eventos de endosimbiosis secundaria y terciaria han tenido lugar, creemos, al menos media docena de veces. Y eso ha dado lugar a la enorme diversidad de fitoplancton eucariota.
¿Cómo se ve pasar de ser algo heterótrofo a algo altamente fotosintético? ¿Qué cambios tienes que hacer en tu fisiología? ¿Dónde puedes sobrevivir? ¿Qué gradientes de selección natural deben existir? El estudio de mesodinio nos da una idea de cómo fue esa transición.
¿El metabolismo adquirido ayuda a los organismos a salir adelante?
En el artículo que publicamos a principios de este año, observamos un organismo que se está volviendo fotosintético al albergar algas endosimbióticas. Es a la vez metabolismo adquirido y una simbiosis. Podrías abrir estos ciliados de agua dulce llamados Paramecio bursaria y aislar las algas, y las algas vivirían felizmente y crecerían solas.
Estos paramecios son como pequeñas manchas verdes borrosas que giran en la placa de Petri. Empezamos a ver cómo las habilidades competitivas de estos organismos dependían de la disponibilidad de luz. Si obtienen energía de la luz solar, mientras más luz solar haya, más energía deberían obtener para crecer. Pensamos que eso se extendería a su capacidad para competir con otras especies.
Tuve un estudiante universitario increíblemente talentoso, veronica hsu, quien probó esa idea. Teníamos esta incubadora con bancos de luces y pequeños frascos de cultivos creciendo a diferentes niveles de luz. Cada dos días, Veronica tomaba muestras de los cultivos y ponía gotitas de ellos en placas de Petri. Luego contó el número de diferentes tipos de ciliados en cada gota.
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Pero incluso sin hacer un recuento exacto, se podía ver en tan solo unas pocas semanas que todos los ciliados no fotosintéticos translúcidos blancos estaban desapareciendo, mientras que todos los paramecios de color verde brillante estaban aumentando. Podías ver la competencia desarrollarse ante tus ojos.
Veronica demostró que a medida que aumentaba la luz, también aumentaba la capacidad competitiva del organismo que había adquirido la fotosíntesis al albergar las algas. Y luego contar las células nos permitió captar los datos detrás de este fenómeno.
Entonces, obtener estos recuentos de células y construir un modelo matemático de lo que estaba sucediendo fue una parte importante de esto.
Sí, cuando llevamos a cabo estos experimentos, hay mucho que contar. Mi colega carolina tucker dijo cuando estábamos juntos en la escuela de posgrado: "Sabes, la ecología es solo la ciencia de contar". En ese momento, estaba un poco resentido por su declaración, pero ella no estaba equivocada.
Hay una parte de mí que siempre pensará que no hay sustituto para sentarse con su organismo de estudio y enamorarse un poco de él en el laboratorio o en el campo. Sentado en una habitación oscura, mirando a través de un microscopio, sientes que sientes las personalidades de estas diferentes especies. Algunos de estos paramecios son de un color blanco plateado y tienen forma de lágrima y son muy translúcidos porque no tienen algas fotosintéticas. Cuando están en un frasco nuevo con muchos recursos bacterianos, se mueven lentamente, pero luego, a medida que avanza el experimento, es como si pudieras verlos hambrientos ante tus ojos y comienzan a nadar muy rápido. Y puede hacer observaciones que luego conduzcan a hallazgos adicionales.
Ser capaz de combinar experimentos de laboratorio con modelos matemáticos me obliga a ser muy honesto y explícito sobre lo que creo que está pasando. ¿Qué entendemos por “adquisición” del metabolismo? ¿Qué recursos obtiene la célula al albergar la fotosíntesis? ¿Cómo afecta eso exactamente sus habilidades competitivas?
Ahora tenemos un modelo que sabemos describe cómo el metabolismo adquirido puede cambiar la capacidad competitiva. Y eso tiene implicaciones no solo para la fotosíntesis adquirida, sino también para otras adquisiciones del metabolismo. Los detalles exactos que ingresamos en el modelo pueden cambiar según el sistema. Pero tenemos un marco para usar.
Hablamos de las ventajas competitivas que pueden derivarse del metabolismo adquirido. Pero, ¿hay desventajas en hacerse cargo del metabolismo de otra persona?
Definitivamente. Existe la teoría de que nuestras mitocondrias, otro orgánulo metabólico que adquirimos a través de la endosimbiosis, son la razón por la que envejecemos.
Gracias a ellos, participamos en el metabolismo aeróbico, utilizando oxígeno para quemar carbohidratos y otras moléculas para obtener energía. Pero los agentes reactivos que producen las mitocondrias y los cloroplastos también podrían estar oxidando y degradando el ADN de nuestro cuerpo. Estas son cosas peligrosas para poner al lado de su material genético.
Una cosa que a veces vemos en estos organismos que roban cloroplastos es que tienen una gran cantidad de maquinaria protectora antioxidante, lo que les ayuda a manejar la toma de un cloroplasto. Tener un cloroplasto puede hacer que sea muy peligroso estar en lugares con mucha luz. Básicamente puedes quemarte con el sol. Una cosa genial demostrada por suzanne strom, un científico en el estado de Washington en la Universidad de Western Washington, es que cuando los organismos comen células con cloroplastos, tienden a digerirlas más rápido cuando hay más luz disponible. Podría ser porque la luz te ayuda a descomponer el cloroplasto. Pero también puede ser que este organismo esté pensando: “Aquí estoy jugando con fuego; Tengo que deshacerme de él.
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Entonces, esto plantea preguntas interesantes sobre los tipos de entornos en los que estos organismos podrían haber estado viviendo cuando comenzaron a aferrarse a los cloroplastos. Sospecho que probablemente fue un ambiente con poca luz porque si su digestión depende de la luz, la luz más baja la ralentizará y también reducirá el daño que los cloroplastos podrían causar. Puedes manejarlo un poco más. Y mesodinio es sin duda una especie de poca luz. Pero eso es muy anecdótico. Necesitamos muchas más pruebas. Pero, por supuesto, también hay cosas que retienen los cloroplastos que también viven en un ambiente de mucha luz.
Noté en tu Twitter que estás contando muchas raíces de árboles. ¿Qué tiene que ver eso con este otro trabajo?
Una de las cosas que me encantan de ser un ecologista teórico es que puedo incursionar en muchos sistemas diferentes.
Ese es otro aspecto del metabolismo adquirido en el que trabajamos. Así que hemos hablado de robar maquinaria metabólica de otro organismo. Pero también existe el mutualismo metabólico: la adquisición del metabolismo a través de esta asociación realmente íntima entre dos organismos. El negocio de los árboles, como todos sabemos, es la fotosíntesis. Pero para realizar la fotosíntesis, los árboles necesitan nutrientes y agua del suelo. Y resulta que, especialmente en los ecosistemas templados, obtienen acceso a estos recursos asociándose con hongos, hongos ectomicorrízicos. Se trata de hongos que viven mayoritariamente bajo tierra, aunque a veces levantan setas realmente deliciosas, y también a veces tóxicas. Los hongos están en sociedad con los árboles. Los hongos sobresalen en la recolección de nutrientes del suelo, y los árboles proporcionan azúcar de la fotosíntesis, para que puedan apoyarse mutuamente.
Este mutualismo metabólico ayuda a los árboles a sobrevivir en todo tipo de condiciones ambientales diferentes y a expandir su nicho ecológico. Un árbol puede asociarse con ciertos hongos que son buenos para un ambiente y con diferentes hongos en un ambiente diferente. Creemos que esto permite que los árboles se ganen la vida en un conjunto más diverso de condiciones ambientales que si estuvieran solos.
Se habla mucho sobre el microbioma, pero olvidamos que debe haber sido muy difícil establecer todas esas relaciones con los microbios al principio.
Si ... totalmente. A medida que obtenemos mejores datos ambientales de la secuenciación, vemos que casi todo tiene algún tipo de microbioma, incluso si vive en su exterior. ¿Quién controló la evolución de quién? Tal vez solo tuvimos que lidiar con el hecho de que nuestros intestinos iban a ser colonizados por insectos y lo hicimos lo mejor posible.
Por eso creo que el estudio del metabolismo adquirido es tan fascinante. Estás estudiando organismos que están haciendo estas adquisiciones hoy. Obtienes una idea de cómo manejaban eso ecológicamente en el pasado, cuáles eran las presiones de selección, etc.
Siento que la ecología teórica está explotando últimamente.
Creo que ahora está muy de moda.
Creo que parte del creciente interés en la teoría proviene de la abrumadora cantidad de información que tenemos ahora. Cuando tienes montones y montones de datos, le das sentido desarrollando algunas teorías unificadoras al respecto. Y los modelos matemáticos son una forma de abordar ese problema. Creo que por eso ha habido más interés entre nuestros estudiantes de posgrado en estos temas, o interés en las universidades en contratar ecologistas teóricos. Todo se reduce a: Tenemos datos masivos. Y estamos listos.
