او کلیدهای اکولوژی را در سلول هایی می یابد که از دیگران می دزدند

طبیعتی که دندان و چنگالش قرمز است، مملو از موجوداتی است که همسایگان خود را می خورند تا جلو بیفتند. اما در سیستم های مورد مطالعه بوم شناس نظری هالی مولراستادیار بوم شناسی، تکامل و زیست شناسی دریایی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، مصرف کنندگان به روش های شگفت انگیزی بخشی از مصرف کننده می شوند.

مولر اساساً پروتیست‌ها را مطالعه می‌کند، دسته وسیعی از میکروارگانیسم‌های تک سلولی مانند آمیب و پارامسی که در دسته‌های ماکروسکوپی آشنا حیوانات، گیاهان و قارچ‌ها قرار نمی‌گیرند. چیزی که او را بیشتر مجذوب می‌کند توانایی برخی از پروتیست‌ها برای تصاحب بخش‌هایی از سلول‌هایی است که شکار می‌کنند. با مسلح شدن به این تکه های طعمه که هنوز در حال کار هستند، پروتیست ها می توانند به زیستگاه های جدید گسترش یابند و در جایی که قبلاً نمی توانستند زنده بمانند.

تماشای آنها به مولر دیدگاهی متمایز از ساختار زیربنایی اکوسیستم های امروزی و نیروهای تکاملی که آنها را ساخته اند می دهد. غارت اندامک‌ها توسط پروتیست‌ها ممکن است عجیب به نظر برسد، اما میتوکندری‌های موجود در سلول‌های خودمان ما را به‌عنوان محصولات نوعی کسب متابولیک مرتبط توسط اجداد باستانی‌مان نشان می‌دهند.

او گفت: «در گسترده‌ترین مفهوم، اینها سؤالاتی درباره زمان و چگونگی تخصص ارگانیسم‌ها و اینکه چگونه می‌توانند این تخصص را با دستیابی به چیز جدید بشکنند، هستند. برای من، این کار به سؤالاتی در مورد اینکه چگونه موجودات فضایی اکولوژیکی خود را گسترش می‌دهند، چگونه این اکتساب‌ها می‌توانند دائمی باشند و این که چگونه متابولیسم از نوک شاخه‌های درختان زندگی می‌پرد، به چه معناست.»

کوانتوم با مولر از طریق تلفن در مورد حرفه خود، تحقیقاتش در مورد متابولیسم اکتسابی و بوم شناسی نظری صحبت کرد. مصاحبه برای وضوح فشرده و ویرایش شده است.

شما به دلیل کار خود در مورد "متابولیسم اکتسابی" در محافل اکولوژی و تکامل شناخته شده اید. آیا این اصطلاحی است که به ذهن شما خطور کرده است؟

نه به عمد. منظور من از بخش هایی از متابولیسم شماست که در ژنوم شما کدگذاری نشده است. شما به نوعی با ارتباط با گونه های دیگر به آنها دسترسی پیدا می کنید.

این شامل برخی از اشکال همزیستی است، اما بیش از این است. همچنین شامل مواردی مانند بدست آوردن کلروپلاست ها، اندامک های یوکاریوتی برای فتوسنتز، از طعمه بلعیده شده و حتی انتقال افقی ژن می شود، که در آن یک ژن واحد یا یک بسته کامل از ژن های متابولیک از یک موجود زنده توسط موجود دیگر جدا می شود.

من به عنوان یک بوم‌شناس جامعه آموزش دیده‌ام، بنابراین به نقش‌هایی که موجودات زنده در اکوسیستم‌ها ایفا می‌کنند و چگونگی گسترش و انقباض آن‌ها در طول عمرشان بسیار علاقه‌مندم. مطالعه متابولیسم اکتسابی مانند یک تناسب طبیعی با آن احساس می‌شود، زیرا این موضوع بسیار به این موضوع است که چگونه موجودات زنده می‌توانند جایگاه خود را گسترش دهند.

آیا آنچه انسان ها با باکتری های روده ما دارند متابولیسم اکتسابی است؟

من فکر می کنم این یک مثال عالی است. بسیاری از توانایی ما برای خوردن منابع غذایی متنوع و متابولیسم آنها به این باکتری ها مربوط می شود. برخی از ویتامین‌ها و کوفاکتورهای مهمی که ما به آن‌ها نیاز داریم، مانند ویتامین K، توسط میکروب‌هایی ساخته می‌شوند که در داخل روده ما زندگی می‌کنند. ما بسیار به این مشارکت ها متکی هستیم.

چه چیزی شما را به این خط تحقیقاتی سوق داد؟

می‌دانید، باکتری‌ها اغلب از طریق فرآیندی به نام «غلت و دویدن» حرکت می‌کنند. آنها برخی از نشانه های شیمیایی را به سمت یک منبع دنبال می کنند، اما وقتی سیگنال خاموش می شود، متوقف می شوند، می چرخند و در جهت تصادفی حرکت می کنند. فکر می کنم این برای بسیاری از دانشمندان از جمله من نیز صادق است. ما اغلب دنبال بینی خود می رویم و دنبال چیزهایی می گردیم که در مورد آنها هیجان زده می شویم. و گاهی ما را به مکان های غیرمنتظره ای هدایت می کند.

خوش شانس بودم. پدر و مادر من هر دو به عنوان دانشمند آموزش دیدند، و اگرچه هیچ یک از آنها در دوران رشد من به عنوان یکی از آنها کار نمی کردند، می دانستم که تحقیق یک گزینه شغلی است. من همچنین در تحصیلات کارشناسی خود در دانشگاه راتگرز بسیار خوش شانس بودم، زیرا اساتیدی داشتم که به من علاقه داشتند و من را با یکی از اعضای هیئت علمی که در مورد میکروب های دریایی تحقیق می کرد، مرتبط کردند. دانشمندی که برای اولین بار با او کار کردم، پل فالکوفسکی، علایق التقاطی دارد. اما یکی از چیزهایی که او در آن زمان مطالعه می کرد این بود که چگونه کلروپلاست ها در اطراف درخت زندگی پخش شدند.

این جایی بود که علاقه من به متابولیسم اکتسابی شروع شد. من آن را کاملاً جذاب دیدم، این ایده که چیزی که در کتاب‌های درسی به عنوان ویژگی گیاهان در مورد آن یاد گرفتم، در واقع چیزی بود که آنها چند میلیارد سال پیش با بلعیدن یک باکتری به آن دست یافتند. و اینکه چندین بار این اتفاق افتاده است. من شروع به کار با پل و مت جانسون، که در آن زمان فوق دکترای او بود، در مورد موجوداتی که امروزه کلروپلاست ها را می دزدند و آنچه ممکن است در مورد این فرآیند تکاملی به ما بگویند.

من این ایده را دوست دارم که یک موجود زنده می تواند بدون کلروپلاست زندگی خود را شروع کند و سپس یکی را انتخاب کند.

درست؟ تصور کنید برای ناهار سالاد بخوریم و ناگهان بازوهایمان سبز شود! من در حال حاضر در جنوب کالیفرنیا زندگی می کنم - می توانم بین کلاس ها قدم بزنم و تمام انرژی مورد نیاز خود را دریافت کنم. اگرچه من خوردن ناهار را دوست دارم، بنابراین مطمئن نیستم که واقعاً از آن لذت ببرم.

در بسیاری از موارد، این موجودات که کلروپلاست را به دست می آورند، کاملاً به انجام فتوسنتز وابسته می شوند. برخی از گونه هایی که ما روی آنها کار می کنیم اگر نتوانند فتوسنتز کنند می میرند، بنابراین اگر نتوانند طعمه ای برای سرقت کلروپلاست پیدا کنند، نمی توانند زنده بمانند. برای من یک کنجکاوی تکاملی است که آنها خود را در این گوشه پشتیبان کردند.

آیا این گونه ها باید به سرقت کلروپلاست ها ادامه دهند زیرا در نهایت تجزیه می شوند؟

به طور کلی، بله. با این حال، این دودمان دزد کلروپلاست از نظر میزان خوب بودن آنها در حفظ کلروپلاست متفاوت است. در این گروه از مژک داران دریایی که ما روی آنها کار می کنیم نامیده می شود مزودینیم، برخی از دودمان به هیچ وجه کلروپلاست را نمی دزدند. برخی آنها را می دزدند و خیلی سریع آنها را به زمین می اندازند. و دیگران آنها را می دزدند اما هسته های عملکردی را نیز از طعمه خود می دزدند، به این معنی که می توانند کلروپلاست بیشتری بسازند.

استعاره ای که من دوست دارم این است که آنهایی که کلروپلاست نمی دزدند، مانند بچه های خوش رفتاری هستند که هرگز ماشینی را دزدیده اند. عده ای دیگر ماشین را به خاطر شادی می دزدند، با درختی برخورد می کنند و رها می کنند. اما عده ای هم هستند که ماشین را می دزدند و کتابچه راهنمای مالک را هم می دزدند و یک مکانیک مغازه می سازند تا از اموال مسروقه به خوبی مراقبت کنند.

کل این طیف وجود دارد، و از آنجا که آنها ارتباط نزدیکی با هم دارند، می‌توانیم بپرسیم: تفاوت‌های تکاملی بین این موجودات که انتقال را تسهیل کردند، چیست؟

آیا آنها تا به حال کلروپلاست را از سلول های والدین خود به ارث می برند؟ اگر سلول ها برای تولید مثل تقسیم شوند، آیا کلروپلاست ها نیز منتقل نمی شوند؟

برخی از آنها انجام می دهند. در برخی دودمان ها، زمانی که سلول ها تقسیم می شوند، کلروپلاست را بین خود تقسیم می کنند. برای تازه کردن و دوباره پر کردن کلروپلاست هایشان، آنها باید با خوردن آنها را بدزدند.

اما سلول هایی که هسته دزدیده شده را نگه می دارند - کتابچه راهنمای دستورالعمل به سرقت رفته - می توانند کلروپلاست ها را همراه با بقیه سلول تقسیم کنند. به نظر می‌رسد که هسته‌ها همان چیزی هستند که هنوز به خوردن آن نیاز دارند. وقتی سلول شکاری را می گیرند، به کلروپلاست آن آویزان می شوند، چرا که نه؟ اما به نظر می رسد که واقعاً مهم این است که آنها هسته های جدیدی را انتخاب کنند.

چگونه ممکن است مژک داران از دستگاه سلولی شخص دیگری انرژی بگیرند؟

واقعا سوال جالبی است. زمانی که برخی از مزودینیم مژک داران غذا می خورند، آنها بیشتر سلول شکار را از بین می برند. میکروسکوپ الکترونی نشان داده است که کلروپلاست ها کاملاً دست نخورده هستند، اما همچنان در داخل غشای سلولی باقی مانده طعمه قرار دارند. و سپس مژک زا یک غشای خاص خود را در اطراف همه اینها دارد، زیرا مژک زا هنگامی که آن را بلعیده بود، سلول طعمه را در یک واکوئل [وزیکول غشایی] چسباند.

ما واقعاً نمی دانیم که مولکول ها چگونه در این سیستم چند غشایی حرکت می کنند. این چیزی است که ما اکنون با دنبال کردن مسیری که پروتئین‌ها می‌روند، سعی در بررسی آن داریم.

این کار به شما در پاسخ به چه سوال تکاملی کمک می کند؟

هنگامی که ما فتوسنتز را در مدرسه آموزش می دهیم، بیشتر بر روی گیاهان خشکی تمرکز می کنیم، که اجداد آن ها کلروپلاست ها را 2 میلیارد سال پیش، زمانی که سیانوباکترهای زنده آزاد را به عنوان درون همزیستی اهلی کردند، جمع آوری کردند.

اما وقتی به فیتوپلانکتون‌ها در سیستم‌های اقیانوس و آب شیرین نگاه می‌کنیم، تصویر بسیار پیچیده‌تر است. ما اغلب به ارگانیسم هایی نگاه می کنیم که دارای چیزی هستند که به آن کلروپلاست ثانویه می گویند، به این معنی که در تاریخ تکاملی خود، آنها یک کلروپلاست را از چیز دیگری به دست آورده اند. حتی گاهی اوقات شواهدی از کلروپلاست های درجه سوم می بینید، جایی که موجودات زنده کلروپلاست هایی را دریافت می کنند که از سلول سوم گرفته شده است. ما فکر می کنیم که این رویدادهای درون همزیستی ثانویه و ثالثه حداقل نیم دوجین بار اتفاق افتاده است. و این باعث تنوع عظیم فیتوپلانکتون های یوکاریوتی شده است.

تبدیل شدن از چیزی هتروتروف به چیزی که به شدت فتوسنتزی است، چگونه به نظر می رسد؟ چه تغییراتی باید در فیزیولوژی خود ایجاد کنید؟ کجا می توانید زنده بمانید؟ چه شیب های انتخاب طبیعی باید وجود داشته باشد؟ مطالعه از مزودینیم به ما بینش هایی در مورد اینکه این انتقال چگونه به نظر می رسید، می دهد.

آیا متابولیسم اکتسابی به پیشرفت موجودات کمک می کند؟

در مقاله ای که اوایل امسال منتشر کردیم، به ارگانیسمی نگاه کردیم که با میزبانی از جلبک های درون همزیستی در حال فتوسنتز شدن است. هم متابولیسم اکتسابی و هم همزیستی است. شما می توانید این مژک داران آب شیرین را باز کنید پارامسیوم بورساریا و جلبک ها را جدا کنید، و جلبک ها با خوشحالی زندگی می کنند و به تنهایی رشد می کنند.

این پارامسی ها مانند حباب های کوچک سبز رنگی هستند که در ظرف پتری می چرخند. ما شروع کردیم به بررسی اینکه چگونه توانایی های رقابتی این موجودات به در دسترس بودن نور بستگی دارد. اگر آنها از نور خورشید انرژی دریافت می کنند، پس هر چه نور خورشید بیشتر باشد، انرژی بیشتری برای رشد باید دریافت کنند. ما فکر می کردیم که این به توانایی آنها برای رقابت با گونه های دیگر گسترش می یابد.

من یک دانشجوی فوق‌العاده با استعداد در مقطع کارشناسی داشتم، ورونیکا هسو، که این ایده را آزمایش کرد. ما این انکوباتور را داشتیم که در آن دسته‌هایی از چراغ‌ها و فلاسک‌های کوچک فرهنگ در سطوح مختلف نور رشد می‌کردند. هر دو روز، ورونیکا نمونه‌هایی از کشت‌ها را برداشت و قطرات کمی از آن‌ها را در ظروف پتری ریخت. سپس تعداد انواع مختلف مژک داران را در هر قطره شمارش کرد.

اما حتی بدون انجام شمارش دقیق، می‌توانید ظرف چند هفته ببینید که تمام مژک‌های شفاف سفید غیرفوتوسنتزی در حال ناپدید شدن هستند، در حالی که همه پارامسی‌های سبز روشن در حال افزایش بودند. می توانستید مسابقه را جلوی چشمانتان ببینید.

ورونیکا نشان داد که با افزایش نور، توانایی رقابتی ارگانیسمی که با میزبانی از جلبک ها فتوسنتز را به دست آورده بود نیز افزایش می یابد. و سپس شمارش سلول ها به ما امکان داد تا داده های پشت این پدیده را درک کنیم.

بنابراین دریافت این تعداد سلول و ساختن یک مدل ریاضی از آنچه اتفاق می‌افتد، بخش مهمی از این کار بود؟

بله، وقتی این آزمایش ها را اجرا می کنیم، شمارش زیادی وجود دارد. همکار من کارولین تاکر وقتی با هم در دبیرستان بودیم گفت: "می دانید، بوم شناسی فقط علم شمارش است." در آن زمان من به نوعی از اظهارات او ناراحت بودم، اما او اشتباه نمی کرد.

بخشی از من وجود دارد که همیشه فکر می کند هیچ جایگزینی برای نشستن با ارگانیسم مطالعه شما و کمی عاشق شدن با آن در آزمایشگاه یا بیرون در میدان وجود ندارد. با نشستن در یک اتاق تاریک و خیره شدن از طریق میکروسکوپ، احساس می کنید که شخصیت این گونه های مختلف را حس می کنید. برخی از این پارامسی ها به نوعی سفید نقره ای و به شکل قطره و بسیار شفاف هستند زیرا هیچ گونه جلبک فتوسنتزی ندارند. وقتی آنها در یک فلاسک کاملاً جدید با منابع باکتریایی زیادی قرار می گیرند، به آرامی به اطراف می چرخند، اما بعد از ادامه آزمایش، مثل این است که می توانی آنها را در مقابل چشمان خود ببینی که گرسنه می شوند و خیلی سریع شروع به شنا می کنند. و می توانید مشاهداتی انجام دهید که سپس به یافته های اضافی منجر شود.

اینکه بتوانم آزمایش‌های آزمایشگاهی را با مدل‌های ریاضی ترکیب کنم، مرا وادار می‌کند که در مورد آنچه فکر می‌کنم واقعاً صادق و صریح باشم. منظور ما از "اکتساب" متابولیسم چیست؟ سلول با میزبانی فتوسنتز چه منابعی به دست می آورد؟ این دقیقاً چگونه بر توانایی های رقابتی آن تأثیر می گذارد؟

اکنون مدلی داریم که می دانیم توضیح می دهد که چگونه متابولیسم اکتسابی می تواند توانایی رقابتی را تغییر دهد. و این پیامدهایی نه تنها برای فتوسنتز اکتسابی، بلکه برای سایر دستاوردهای متابولیسم نیز دارد. جزئیات دقیقی که به مدل وصل می کنیم بسته به سیستم ممکن است تغییر کند. اما ما چارچوبی برای استفاده داریم.

ما در مورد مزایای رقابتی صحبت کردیم که می تواند از متابولیسم اکتسابی ناشی شود. اما آیا تسلط بر متابولیسم شخص دیگری مضراتی دارد؟

قطعا. یک نظریه وجود دارد که میتوکندری ما - اندامک متابولیکی دیگری که از طریق اندوسیمبیوز به دست آوردیم - دلیل پیری ما هستند.

به دلیل آنها، ما درگیر متابولیسم هوازی هستیم و از اکسیژن برای سوزاندن کربوهیدرات ها و سایر مولکول ها برای انرژی استفاده می کنیم. اما عوامل واکنشی که میتوکندری ها و کلروپلاست ها تولید می کنند نیز ممکن است DNA بدن ما را اکسید کرده و تجزیه کنند. اینها چیزهای خطرناکی هستند که باید در کنار مواد ژنتیکی خود قرار دهید.

یکی از مواردی که ما گاهی اوقات در این ارگانیسم‌هایی که کلروپلاست می‌دزدند می‌بینیم این است که آنها دارای ماشین آلات آنتی اکسیدانی محافظ زیادی هستند که به آنها کمک می‌کند تا کلروپلاست را تحمل کنند. داشتن کلروپلاست می تواند قرار گرفتن در محیط های پر نور را بسیار خطرناک کند. اساساً ممکن است دچار آفتاب سوختگی شوید. یک چیز جالب نشان داده شده توسط سوزان استرومدانشمندی در ایالت واشنگتن در دانشگاه وسترن واشنگتن می گوید وقتی موجودات زنده سلول هایی را با کلروپلاست می خورند، وقتی نور بیشتری در دسترس باشد، تمایل دارند آنها را سریعتر هضم کنند. ممکن است به این دلیل باشد که نور به شما کمک می کند تا کلروپلاست را تجزیه کنید. اما ممکن است این ارگانیسم فکر کند: «من اینجا دارم با آتش بازی می‌کنم. من باید از شر آن خلاص شوم.»

بنابراین، این سؤالات جالبی را در مورد انواع محیط‌هایی که این موجودات ممکن است در زمانی که برای اولین بار شروع به آویزان شدن به کلروپلاست‌ها کردند در آن زندگی می‌کردند، ایجاد می‌کند. من گمان می‌کنم که احتمالاً محیطی با نور کمتر بوده است، زیرا اگر هضم شما به نور بستگی دارد، نور کمتر باعث کاهش سرعت آن می‌شود و همچنین آسیب‌هایی که ممکن است کلروپلاست‌ها داشته باشند را کاهش می‌دهد. شما می توانید کمی بیشتر آن را مدیریت کنید. و مزودینیم مطمئناً گونه ای کم نور است. اما این بسیار حکایتی است. ما به شواهد بسیار بیشتری نیاز داریم. اما البته چیزهایی نیز وجود دارند که کلروپلاست هایی را که در محیط های پر نور نیز زندگی می کنند، حفظ می کنند.

من در توییتر شما متوجه شدم که شما در حال انجام بسیاری از شمارش ریشه درختان هستید. چه ربطی به این کار دیگر دارد؟

یکی از چیزهایی که در مورد بوم شناس نظری بودن دوست دارم این است که می توانم در بسیاری از سیستم های مختلف فعالیت کنم.

این جنبه دیگری از متابولیسم اکتسابی است که ما روی آن کار می کنیم. بنابراین ما در مورد سرقت ماشین آلات متابولیک از یک موجود دیگر صحبت کرده ایم. اما متقابل متابولیک نیز وجود دارد - کسب متابولیسم از طریق این مشارکت واقعاً صمیمی بین دو ارگانیسم. همانطور که همه ما می دانیم کار درختان فتوسنتز است. اما برای فتوسنتز، درختان به مواد مغذی و آب از خاک نیاز دارند. و مشخص است، به ویژه در اکوسیستم های معتدل، که آنها با مشارکت با قارچ ها، قارچ های اکتومیکوریزا، به این منابع دسترسی پیدا می کنند. اینها قارچ هایی هستند که عمدتاً در زیر زمین زندگی می کنند ، اگرچه گاهی اوقات قارچ های واقعاً خوشمزه و گاهی اوقات سمی نیز ایجاد می کنند. قارچ ها با درختان مشارکت دارند. قارچ ها در برداشت مواد مغذی از خاک برتری دارند و درختان قند را از فتوسنتز تأمین می کنند، بنابراین می توانند از یکدیگر حمایت کنند.

این متابولیسم متابولیک به درختان کمک می کند تا در انواع شرایط محیطی مختلف زنده بمانند و جایگاه اکولوژیکی خود را گسترش دهند. یک درخت می تواند با قارچ های خاصی که برای یک محیط مناسب هستند و با قارچ های مختلف در محیطی متفاوت شریک شود. ما فکر می‌کنیم که این امر به درختان اجازه می‌دهد تا در شرایط محیطی متنوع‌تری نسبت به زمانی که خودشان بودند، زندگی کنند.

صحبت های زیادی در مورد میکروبیوم وجود دارد، اما فراموش می کنیم که در ابتدا برقراری روابط با میکروب ها واقعاً دشوار بوده است.

بله، کاملا. همانطور که ما داده های محیطی بهتری را از توالی یابی به دست می آوریم، می بینیم که تقریباً همه چیز دارای نوعی میکروبیوم است، حتی اگر در بیرون زندگی کند. می دانید چه کسی تکامل چه کسی را کنترل کرد؟ شاید فقط مجبور بودیم با این واقعیت کنار بیاییم که روده هایمان قرار بود توسط حشرات مستعمره شود و ما بهترین استفاده را از آن کردیم.

به همین دلیل است که فکر می کنم مطالعه متابولیسم اکتسابی بسیار جذاب است. شما در حال مطالعه ارگانیسم هایی هستید که امروز این دستاوردها را انجام می دهند. شما بینشی در مورد نحوه برخورد آنها با محیط زیست در گذشته، فشارهای انتخابی و غیره دریافت می کنید.

من احساس می کنم که بوم شناسی نظری اخیراً در حال انفجار است.

فکر کنم الان خیلی مد شده.

من فکر می کنم که بخشی از علاقه فزاینده به تئوری ناشی از حجم عظیم اطلاعاتی است که اکنون در اختیار داریم. وقتی انبوه و انبوهی از داده‌ها دارید، با ایجاد برخی تئوری‌های متحد کننده در مورد آن، آن را درک می‌کنید. و مدل های ریاضی یکی از راه های نزدیک شدن به این مسئله است. من فکر می کنم به همین دلیل است که علاقه بیشتری در بین دانشجویان تحصیلات تکمیلی ما به این موضوعات یا علاقه مندی در دانشگاه ها به استخدام اکولوژیست های نظری وجود دارد. این به نوعی خلاصه می شود: ما داده های عظیمی داریم. و ما آماده ایم.