Sissejuhatus
Looduses, hambad ja küünised punased, on palju organisme, kes söövad oma naabreid, et edasi pääseda. Kuid teoreetilise ökoloogi uuritud süsteemides Holly Moeller, Santa Barbara California ülikooli ökoloogia, evolutsiooni ja merebioloogia abiprofessor, saavad tarbitud tarbijad üllataval viisil osaks.
Moeller uurib peamiselt protiste, laia kategooriat üherakulisi mikroorganisme, nagu amööbid ja parameetsia, mis ei sobi tuttavate makroskoopiliste loomade, taimede ja seente kategooriatesse. Teda paelub kõige enam mõne protisti võime koopteerida osi rakkudest, mida nad röövivad. Nende endiselt töötavate saakloomatükkidega relvastatud protistid saavad laieneda uutesse elupaikadesse ja ellu jääda seal, kus nad varem ei saanud.
Nende vaatamine annab Moellerile erilise ülevaate ökosüsteemide tänapäeva alusstruktuurist ja neid loonud evolutsioonijõududest. Protistide organellide varastamine võib tunduda veider, kuid meie enda rakkude mitokondrid märgivad meid kui meie iidsete esivanemate sarnase ainevahetuse omandamise saadusi.
"Kõige laiemas mõttes on need küsimused selle kohta, millal ja kuidas organismid spetsialiseeruvad ning kuidas nad saavad selle spetsialiseerumise murda, saades juurdepääsu millelegi uuele," ütles ta. "Minu jaoks käsitleb see töö küsimusi selle kohta, kuidas organismid oma ökoloogilist nišši laiendavad, kuidas need omandamised võivad olla püsivad ja mida see tähendab, kuidas ainevahetus hüppab üle elupuude okste otste."
Quanta rääkis Moelleriga telefoni teel tema karjäärist, omandatud ainevahetuse uurimisest ja teoreetilisest ökoloogiast. Intervjuu on koondatud ja selguse huvides toimetatud.
Olete saanud ökoloogia- ja evolutsiooniringkondades tuntuks oma tööga "omandatud ainevahetuse" alal. Kas see on termin, mille sa välja mõtlesid?
Mitte tahtlikult. Seda ma mõtlen teie ainevahetuse osade all, mis pole teie enda genoomi kodeeritud. Saate neile mingil viisil juurdepääsu, kui olete mõne teise liigiga suhelnud.
See hõlmab mõningaid sümbioosi vorme, kuid see on midagi enamat. See hõlmab ka selliseid asju nagu kloroplastide, eukarüootsete organellide omandamine fotosünteesiks allaneelatud saagist ja isegi horisontaalne geeniülekanne, kus üks geen või terve pakett metaboolseid geene eemaldatakse ühest organismist teise poolt.
Olen koolitatud kogukonna ökoloogiks, seega olen väga huvitatud organismide rollist ökosüsteemides ja sellest, kuidas need nišid elu jooksul laienevad ja kahanevad. Omandatud ainevahetuse uurimine tundus sellega loomulikku sobivust, sest see sõltub suuresti sellest, kuidas organismid saavad oma nišše laiendada.
Kas see, mis inimestel on meie soolebakteritega, on omandatud ainevahetus?
Ma arvan, et see on suurepärane näide. Nii palju meie võimest süüa erinevaid toiduallikaid ja neid metaboliseerida taandub nendele bakteritele. Mõned olulised vitamiinid ja kofaktorid, mida me vajame, nagu K-vitamiin, on toodetud meie soolestikus elavate mikroobide poolt. Oleme nendest partnerlustest väga sõltuvad.
Mis viis teid selle uurimissuuna juurde?
Teate, bakterid liiguvad sageli läbi protsessi, mida nimetatakse "kukkumiseks ja jooksmiseks". Nad järgivad ressursi suunas mingit keemilist näpunäidet, kuid kui signaal kaob, peatuvad, pöörlevad ja lähevad juhuslikus suunas. Ma arvan, et see kehtib ka paljude teadlaste, sealhulgas minu kohta. Me käime sageli oma nina taga ja ajame taga asju, millest oleme vaimustuses. Ja mõnikord viib see meid ootamatutesse kohtadesse.
Sissejuhatus
Mul vedas. Minu vanemad õppisid mõlemad teadlasteks ja kuigi kumbki neist ei töötanud minu kasvamise ajal teadlasena, teadsin, et teadustöö on karjäärivõimalus. Mul vedas ka Rutgersi ülikooli bakalaureuseõppes, kuna mul olid professorid, kes tundsid huvi ja ühendasid mind õppejõuga, kes uuris mere mikroobide kohta. Teadlane, kellega ma esimest korda töötasin, Paul Falkowski, on eklektilised huvid. Kuid üks asi, mida ta sel ajal uuris, oli see, kuidas kloroplastid elupuu ümber levisid.
Siit sai alguse minu huvi omandatud ainevahetuse vastu. Minu arvates oli see täiesti põnev, see idee, mille kohta ma õpikutest õppisin kui taimede omadust, oli tegelikult see, mille nad said paar miljardit aastat tagasi bakteri alla neelamisel. Ja seda on korduvalt juhtunud. Alustasin koostööd Pauliga ja Matt Johnson, kes oli sel ajal tema järeldoktor, uurib organisme, mis varastavad tänapäeval kloroplaste ja mida nad võivad meile selle evolutsiooniprotsessi kohta rääkida.
Mulle meeldib mõte, et organism võib alustada elu ilma kloroplastita ja siis lihtsalt selle üles võtta.
eks? Kujutage ette, kui sööksime lõunaks salatit ja siis äkki muutuksid meie käed roheliseks! Ma elan praegu Lõuna-Californias – saaksin tundide vahel jalutada ja saada kogu vajaliku energia. Kuigi mulle meeldib lõunat süüa, pole ma kindel, et mulle see väga meeldiks.
Paljudel juhtudel on need organismid, mis saavad kloroplaste, üsna seotuks fotosünteesiga. Mõned liigid, mille kallal me töötame, sureksid, kui nad ei saaks fotosünteesida, seega ei suuda nad ellu jääda, kui nad ei leia saaki, kust kloroplaste varastada. See on minu jaoks evolutsiooniline uudishimu, et nad tõmbusid sellesse nurka.
Kas need liigid peavad jätkama kloroplastide varastamist, kuna need lõpuks lagunevad?
Üldiselt jah. Need kloroplastide varastamise liinid erinevad siiski selle poolest, kui head nad kloroplasti säilitavad. Sellesse mereripslaste rühma, kelle kallal me töötame, kutsuti Mesodinium, mõned suguvõsad ei varasta üldse kloroplaste. Mõned varastavad need ja ajavad need väga kiiresti maasse. Ja teised varastavad neid, aga varastavad ka nende saagilt funktsionaalseid tuumasid, mis tähendab, et nad võivad toota rohkem kloroplaste.
Metafoor, mida ma armastan, on see, et need, kes kloroplaste ei varasta, on nagu hästi käitunud laps, kes pole kunagi autot varastanud. Teised varastavad sõiduks auto, sõidavad sellega vastu puud ja jätavad selle maha. Kuid on neid, kes varastavad auto, aga ka kasutusjuhendi, ning ehitavad mehaanikutöökoja, et varastatud vara eest hästi hoolt kanda.
Seal on kogu see spekter ja kuna need on tihedalt seotud, võime küsida: millised on nende organismide evolutsioonilised erinevused, mis hõlbustasid üleminekuid?
Kas nad pärivad kunagi oma vanemrakkudelt kloroplaste? Kui rakud jagunevad paljunemiseks, kas kloroplastid ei kandu samuti edasi?
Mõned neist teevad seda. Mõnes liinis jagavad rakud, kui rakud jagunevad, kloroplastide jaotuse nende vahel. Kloroplastide värskendamiseks ja täiendamiseks peavad nad need söömise teel varastama.
Kuid rakud, mis hoiavad varastatud tuuma – varastatud kasutusjuhend – võivad panna kloroplastid koos ülejäänud rakuga jagunema. Tundub, et tuumad on need, mille jaoks nad veel sööma peavad. Kui nad saakloomaraku kinni püüavad, ripuvad nad selle kloroplastide küljes, sest miks mitte? Kuid tundub, et tõesti on oluline see, et nad koguksid uusi tuumasid.
Sissejuhatus
Kuidas on ripsloomadel võimalik saada energiat kellegi teise rakumasinast?
See on tõesti huvitav küsimus. Kui mõned Mesodinium ripsloomad söövad, eemaldavad nad suurema osa röövrakust. Elektronmikroskoopia on näidanud, et kloroplastid on üsna terved, kuid nad on endiselt ka saagi reliikvia rakumembraanis. Ja siis on ripsloomal selle kõige ümber oma membraan, sest ripsloom torkas saaklooma raku alla neelamisel vakuooli [membraani vesiikulisse].
Me tõesti ei tea, kuidas molekulid selles mitmemembraanilises süsteemis liiguvad. See on asi, millesse püüame praegu süveneda, jälgides, kuhu valgud lähevad.
Millisele evolutsiooniküsimusele see töö aitab teil vastata?
Koolis fotosünteesi õpetades keskendume peamiselt maismaataimedele, mille esivanemad korjasid kloroplastid 2 miljardit aastat tagasi, kui kodustasid endosümbiontidena vabalt elavad sinivetikad.
Kuid kui vaatame fütoplanktonit ookeanis ja mageveesüsteemides, on pilt palju keerulisem. Me vaatame sageli organisme, millel on nn sekundaarne kloroplast, mis tähendab, et millalgi oma evolutsiooniajaloos said nad kloroplasti millestki muust. Mõnikord näete isegi tõendeid tertsiaarsete kloroplastide kohta, kus organismid saavad kloroplaste, mis on võetud mõnest kolmandast rakust. Need sekundaarsed ja tertsiaarsed endosümbioosi sündmused on meie arvates toimunud vähemalt pool tosinat korda. Ja see on tekitanud eukarüootse fütoplanktoni tohutu mitmekesisuse.
Kuidas näeb välja muutumine millestki, mis on heterotroofne, millekski, mis on väga fotosünteetiline? Milliseid muudatusi peate oma füsioloogias tegema? Kus sa ellu jääd? Millised loodusliku valiku gradiendid peavad paigas olema? Uuring Mesodinium annab meile ülevaate sellest, kuidas see üleminek välja nägi.
Kas omandatud ainevahetus aitab organismidel edasi jõuda?
Selle aasta alguses avaldatud artiklis vaatlesime organismi, mis hakkab endosümbiootiliste vetikate majutamise tõttu fotosünteesiks. See on nii omandatud ainevahetus kui ka sümbioos. Sa võiksid need magevee ripsloomad, mida kutsutakse Paramecium bursaria ja isoleerida vetikad ning vetikad elaksid ja kasvaksid õnnelikult omaette.
Need parametsiad on nagu väikesed hägused rohelised plekid, mis keerlevad Petri tassis. Hakkasime uurima, kuidas nende organismide võistlusvõime sõltus valguse kättesaadavusest. Kui nad saavad energiat päikesevalgusest, siis mida rohkem päikesevalgust on, seda rohkem energiat nad peaksid saama kasvamiseks. Arvasime, et see laieneb nende võimele konkureerida teiste liikidega.
Mul oli uskumatult andekas bakalaureuseõppe üliõpilane, Veronica Hsu, kes seda ideed katsetas. Meil oli see inkubaator valgustite ja erinevatel valgustasemetel kasvavate kultuuride kolbidega. Veronica võttis iga kahe päeva tagant kultuuridest proove ja pistis neid väikseid tilka Petri tassidesse. Seejärel luges ta igas piisakes kokku erinevat tüüpi ripsloomade arvu.
Sissejuhatus
Kuid isegi ilma täpset loendust tegemata võisite vaid mõne nädala jooksul näha, et kõik valged poolläbipaistvad mittefotosünteetilised ripsloomad kadusid, samal ajal kui kogu erkrohelised parametsiad suurenesid. Võistlust oli näha silme ees.
Veronica näitas, et valguse kasvades muutus ka vetikate majutamise kaudu fotosünteesi omandanud organismi võistlusvõime. Ja siis võimaldas rakkude loendamine meil selle nähtuse taga olevaid andmeid mõista.
Nii et nende rakkude arvu saamine ja toimuva matemaatilise mudeli loomine oli selle oluline osa?
Jah, kui me neid katseid teeme, on palju loendamist. Minu kolleeg Caroline Tucker ütles, kui me koos koolis õppisime: "Tead, ökoloogia on lihtsalt loendamise teadus." Tol ajal olin ma tema avalduse peale kuidagi nördinud, kuid ta ei eksinud.
Minus on osa, kes arvab alati, et miski ei asenda seda, kui istuda oma uuritava organismiga ja armuda sellesse veidi laboris või väljas. Istudes pimedas ruumis ja vaadates läbi mikroskoobi, tunnete, et tunnete nende erinevate liikide isiksusi. Mõned neist parameetsiatest on hõbevalged ja pisarakujulised ning väga poolläbipaistvad, kuna neil ei ole fotosünteetilisi vetikaid. Kui nad on uhiuues kolvis, kus on palju bakteriressursse, kobisevad nad aeglaselt ringi, kuid siis, kui katse jätkub, on justkui näha, et nad hakkavad teie silme all nälga ja nad hakkavad väga kiiresti ujuma. Ja saate teha tähelepanekuid, mis viivad seejärel täiendavate leidudeni.
Võimalus ühendada laborikatsed matemaatiliste mudelitega sunnib mind olema tõeliselt aus ja selgesõnaline selle kohta, mis minu arvates toimub. Mida me mõtleme ainevahetuse "omandamise" all? Milliseid ressursse saab rakk fotosünteesi korraldades? Kuidas see täpselt mõjutab tema konkurentsivõimet?
Nüüd on meil mudel, mis kirjeldab, kuidas omandatud ainevahetus võib konkurentsivõimet muuta. Ja see ei mõjuta mitte ainult omandatud fotosünteesi, vaid ka muid ainevahetuse omandamisi. Täpsed üksikasjad, mille mudeliga ühendame, võivad olenevalt süsteemist muutuda. Kuid meil on raamistik, mida kasutada.
Rääkisime konkurentsieelistest, mis võivad tuleneda omandatud ainevahetusest. Kuid kas kellegi teise ainevahetuse ülevõtmisel on varjukülgi?
Kindlasti. On olemas teooria, et meie mitokondrid – teine metaboolne organell, mille omandasime endosümbioosi kaudu – on meie vananemise põhjuseks.
Nende tõttu tegeleme aeroobse ainevahetusega, kasutades hapnikku süsivesikute ja muude molekulide põletamiseks energia saamiseks. Kuid reaktiivsed ained, mida mitokondrid ja kloroplastid toodavad, võivad samuti oksüdeerida ja lagundada meie keha DNA-d. Need on ohtlikud asjad, mida oma geneetilise materjali kõrvale panna.
Üks asi, mida me mõnikord nendes kloroplaste varastavates organismides näeme, on see, et neil on palju kaitsvaid antioksüdante, mis aitavad neil kloroplasti omastamist toime tulla. Kloroplasti omamine võib muuta kõrge valgustuse tingimustes viibimise väga ohtlikuks. Põhimõtteliselt võite saada päikesepõletuse. Üks lahe asi, mida näitas Suzanne StromWashingtoni osariigi teadlane Lääne-Washingtoni ülikoolist on seisukohal, et kui organismid söövad kloroplastidega rakke, kipuvad nad neid kiiremini seedima, kui valgust on rohkem. See võib olla tingitud sellest, et valgus aitab teil kloroplasti lagundada. Aga võib ka olla, et see organism mõtleb: „Ma mängin siin tulega; Ma pean sellest lahti saama."
Sissejuhatus
Seega tekitab see huvitavaid küsimusi keskkonnatüüpide kohta, milles need organismid võisid elada, kui nad esimest korda kloroplastide külge rippuma hakkasid. Ma kahtlustan, et see oli tõenäoliselt nõrgema valgusega keskkond, sest kui teie seedimine sõltub valgusest, aeglustab madalam valgustus seda ja vähendab ka kloroplastide poolt tekitatavat kahju. Saate seda natuke rohkem hallata. Ja Mesodinium on kindlasti vähese valgusega liik. Aga see on väga anekdootlik. Vajame palju rohkem tõendeid. Kuid loomulikult on ka asju, mis säilitavad kloroplaste, mis elavad ka valgusküllases keskkonnas.
Märkasin teie Twitteris, et loendate palju puujuuri. Mis on sellel pistmist selle teise teosega?
Üks asi, mis mulle teoreetilise ökoloogina olemise juures meeldib, on see, et saan tegeleda paljude erinevate süsteemidega.
See on omandatud ainevahetuse teine aspekt, millega me töötame. Seega oleme rääkinud ainevahetusmasinate varastamisest teiselt organismilt. Kuid on ka metaboolne vastastikune suhtumine – ainevahetuse omandamine kahe organismi vahelise tõeliselt intiimse partnerluse kaudu. Puude äri, nagu me kõik teame, on fotosüntees. Kuid fotosünteesiks vajavad puud pinnasest toitaineid ja vett. Ja selgub, eriti parasvöötme ökosüsteemides, et nad saavad neile ressurssidele juurdepääsu, tehes koostööd seente, ektomükoriisa seentega. Need on seened, mis elavad enamasti maa all, kuigi mõnikord kasvatavad nad väga maitsvaid ja mõnikord ka mürgiseid seeni. Seened on puudega koostöös. Seened koguvad suurepäraselt mullast toitaineid ja puud annavad fotosünteesist suhkrut, nii et nad saavad üksteist toetada.
See metaboolne vastastikune suhtumine aitab puudel ellu jääda igasugustes erinevates keskkonnatingimustes ja laiendada oma ökoloogilist nišši. Puu võib olla partneriks teatud seentega, mis sobivad ühes keskkonnas, ja erinevate seentega erinevas keskkonnas. Arvame, et see võimaldab puudel elatist teenida mitmekesisemates keskkonnatingimustes kui siis, kui nad oleksid üksi.
Mikrobioomist räägitakse nii palju, kuid me unustame, et alguses pidi olema tõesti raske kõiki neid suhteid mikroobidega käima lükata.
Jah, täiesti. Kuna järjestamisest saame paremaid keskkonnaandmeid, näeme, et peaaegu kõigel on mingi mikrobioom, isegi kui see elab nende välisküljel. Kes kontrollis kelle arengut, teate? Võib-olla pidime lihtsalt leppima tõsiasjaga, et putukad koloniseerivad meie sisikonda ja võtsime sellest parima.
Sellepärast arvan, et omandatud ainevahetuse uurimine on nii põnev. Te uurite organisme, mis täna neid omandamisi teevad. Saate ülevaate sellest, kuidas nad seda ökoloogiliselt varem käsitlesid, milline oli valikusurve ja nii edasi.
Mulle tundub, et teoreetiline ökoloogia on viimasel ajal plahvatuslikult kasvanud.
Ma arvan, et see on praegu väga moes.
Arvan, et osa kasvavast huvist teooria vastu tuleneb tohutust teabehulgast, mis meil praegu on. Kui teil on hunnikuid andmeid, saate sellest aru, töötades välja selle kohta mõned ühendavad teooriad. Ja matemaatilised mudelid on üks viis sellele probleemile lähenemiseks. Ma arvan, et seepärast on meie magistrantide seas nende teemade vastu suurem huvi või ülikoolide huvi teoreetiliste ökoloogide palkamise vastu. See taandub järgmiselt: meil on tohutult andmeid. Ja me oleme valmis.
