Hän löytää avaimia ekologiaan soluista, jotka varastavat muilta

Hammas- ja kynsistään punainen luonto on täynnä organismeja, jotka syövät naapureitaan päästäkseen eteenpäin. Mutta teoreettisen ekologin tutkimissa järjestelmissä Holly Moeller, ekologian, evoluution ja meribiologian apulaisprofessori Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa, kulutetusta tulee osa kuluttajaa yllättävällä tavalla.

Moeller tutkii ensisijaisesti protisteja, laajaa luokkaa yksisoluisia mikro-organismeja, kuten amebaa ja parameciaa, jotka eivät sovi tuttuihin makroskooppisiin eläinten, kasvien ja sienten luokkiin. Häntä kiehtoo eniten joidenkin protistien kyky kooptoida osia saalistamistaan ​​soluista. Näillä yhä toimivilla saaliinsa osilla aseistautuneena protistit voivat laajentua uusiin elinympäristöihin ja selviytyä siellä, missä he eivät ole ennen kyenneet.

Niiden katseleminen antaa Moellerille erottuvan kuvan nykyisten ekosysteemien taustalla olevasta rakenteesta ja evoluutiovoimista, jotka ovat luoneet ne. Protiistien organellien ryöstäminen saattaa tuntua oudolta, mutta omien solujemme mitokondriot merkitsevät meidät muinaisten esi-isiemme suorittaman vastaavanlaisen metabolisen hankinnan tuotteiksi.

"Laajimmassa merkityksessä nämä ovat kysymyksiä siitä, milloin ja miten organismit erikoistuvat ja kuinka ne voivat rikkoa tämän erikoistumisen saamalla pääsyn johonkin uuteen", hän sanoi. "Minulle tämä työ käsittelee kysymyksiä siitä, kuinka organismit laajentavat ekologista markkinarakoaan, kuinka nämä hankinnat voivat olla pysyviä ja mitä se tarkoittaa siitä, kuinka aineenvaihdunta hyppää elämän puiden oksien kärkien yli."

Quanta puhui Moellerin kanssa puhelimitse urastaan, hankitun aineenvaihdunnan tutkimuksestaan ​​ja teoreettisesta ekologiasta. Haastattelu on tiivistetty ja muokattu selvyyden vuoksi.

Sinusta on tullut tunnettu ekologia- ja evoluutiopiireissä työstäsi "hankitun aineenvaihdunnan" parissa. Onko se termi, jonka keksit?

Ei tarkoituksella. Sitä tarkoitan aineenvaihdunnan osilla, joita ei ole koodattu omaan genomiinne. Saat pääsyn niihin jollain tavalla liittymällä toiseen lajiin.

Se sisältää joitakin symbioosin muotoja, mutta se on enemmän. Se sisältää myös asioita, kuten kloroplastien, eukaryoottisten organellien hankinnan fotosynteesiä varten nautitusta saaliista ja jopa horisontaalisen geeninsiirron, jossa yksi geeni tai koko paketti metabolisia geenejä poimitaan yhdestä organismista toiseen.

Olen koulutettu yhteisön ekologiksi, joten olen erittäin kiinnostunut organismien rooleista ekosysteemeissä ja siitä, kuinka nämä markkinaraot laajenevat ja supistuvat elinaikanaan. Hankitun aineenvaihdunnan tutkiminen tuntui luonnolliselta sopivalta siihen, koska kyse on pitkälti siitä, kuinka organismit voivat laajentaa markkinarakojaan.

Onko se, mitä ihmisillä on suolistobakteeriemme kanssa, hankittua aineenvaihduntaa?

Minusta se on loistava esimerkki. Niin suuri osa kyvystämme syödä erilaisia ​​​​ravintolähteitä ja metaboloida niitä johtuu noista bakteereista. Joitakin tärkeitä vitamiineja ja kofaktoreita, joita tarvitsemme, kuten K-vitamiinia, tuottavat suolistossamme elävät mikrobit. Olemme erittäin riippuvaisia ​​näistä kumppanuuksista.

Mikä sai sinut tälle tutkimuslinjalle?

Tiedäthän, että bakteerit kulkevat usein prosessin läpi, jota kutsutaan "pysähdykseksi ja juoksemiseksi". Ne seuraavat jotakin kemiallista vihjettä kohti resurssia, mutta kun signaali lakkaa, ne pysähtyvät, pyörivät ja lähtevät satunnaiseen suuntaan. Luulen, että tämä pätee myös moniin tiedemiehiin, myös minuun. Seuraamme usein nenämme ja jahtaamme asioita, joista innostumme. Ja joskus se johtaa meidät odottamattomiin paikkoihin.

Olin onnekas. Vanhempani molemmat kouluttautuivat tiedemiehiksi, ja vaikka kumpikaan heistä ei työskennellyt tutkijoina, kun olin kasvanut, tiesin, että tutkimus oli uravaihtoehto. Minulla kävi myös erittäin onnekas peruskoulutuksessani Rutgersin yliopistossa, sillä minulla oli professoreita, jotka kiinnostuivat ja yhdistivät minut tiedekunnan jäseneen, joka tutkii meren mikrobeja. Tiedemies, jonka kanssa työskentelin ensimmäisen kerran, Paul Falkowski, on eklektiset kiinnostuksen kohteet. Mutta yksi asioista, joita hän opiskeli tuolloin, oli se, kuinka kloroplastit levisivät elämän puun ympärille.

Tästä alkoi kiinnostukseni hankittua aineenvaihduntaa kohtaan. Minusta se oli täysin kiehtovaa, tämä ajatus siitä, että asia, jonka opin oppikirjoista kasvien ominaispiirteenä, oli itse asiassa jotain, jonka he saivat pari miljardia vuotta sitten nielemällä bakteerin. Ja tämä on tapahtunut useita kertoja. Aloin työskennellä Paulin kanssa Matt Johnson, joka oli hänen postdoc tuolloin, organismeista, jotka varastavat kloroplasteja nykyään ja mitä ne voisivat kertoa meille tästä evoluutioprosessista.

Rakastan ajatusta, että organismi voi aloittaa elämänsä ilman kloroplastia ja sitten vain poimia sellaisen.

Eikö? Kuvittele, jos meillä olisi salaatti lounaaksi, ja sitten yhtäkkiä käsivartemme muuttuivat vihreiksi! Asun tällä hetkellä Etelä-Kaliforniassa – voisin kävellä luokkien välillä ja saada kaiken tarvitsemani energian. Vaikka pidänkin lounaan syömisestä, en ole varma, nauttisinko siitä todella.

Monissa tapauksissa nämä kloroplasteja hankkivat organismit sitoutuvat melkoisesti fotosynteesiin. Jotkut lajeista, joiden parissa työskentelemme, kuolisivat, jos ne eivät pystyisi fotosyntetisoimaan, joten ne eivät selviä, jos he eivät löydä saalista varastaakseen kloroplasteja. Minusta on evolutionaarinen uteliaisuus, että he perääntyivät tähän nurkkaan.

Pitääkö näiden lajien varastaa kloroplasteja, koska ne lopulta hajoavat?

Yleensä kyllä. Nämä kloroplasteja varastavat linjat vaihtelevat kuitenkin sen suhteen, kuinka hyviä ne ovat ylläpitämään kloroplastia. Tässä meren ripsien ryhmässä, jonka parissa työskentelemme, kutsuttiin Mesodinium, jotkut sukulinjat eivät varasta kloroplasteja ollenkaan. Jotkut varastavat ne ja ajavat ne maahan todella nopeasti. Ja toiset varastavat ne, mutta myös toiminnallisia ytimiä saaliistaan, mikä tarkoittaa, että he voivat valmistaa lisää kloroplasteja.

Metafora, jota rakastan, on se, että ne, jotka eivät varasta kloroplasteja, ovat kuin hyvin käyttäytyvä lapsi, joka ei ole koskaan varastanut autoa. Toiset varastavat auton huvimatkaa varten, törmäävät sen puuhun ja hylkäävät sen. Mutta jotkut varastavat auton, mutta myös omistajan käsikirjan, ja he rakentavat mekaanikkoliikkeen pitämään hyvää huolta varastetusta omaisuudesta.

Siellä on koko spektri, ja koska ne liittyvät läheisesti toisiinsa, voimme kysyä: Mitkä ovat näiden organismien väliset evoluutioerot, jotka helpottavat siirtymiä?

Perivätkö he koskaan kloroplasteja emosoluistaan? Jos solut jakautuvat lisääntyäkseen, eivätkö kloroplastit myös välity?

Jotkut heistä tekevät. Joissakin suvuissa, kun solut jakautuvat, ne jakavat kloroplastivarannon keskenään. Virkistääkseen ja täydentääkseen kloroplastejaan heidän on varastettava ne syömällä.

Mutta solut, jotka säilyttävät varastetun ytimen – varastetun ohjekirjan – voivat saada kloroplastit jakautumaan muun solun mukana. Ytimet näyttävät olevan sitä, mitä heidän tarvitsee vielä syödä. Kun he saavat kiinni saalissolun, he roikkuvat sen kloroplasteissa, koska miksi ei? Mutta näyttää siltä, ​​​​että todella kriittistä on se, että ne poimivat uusia ytimiä.

Kuinka ripsien on mahdollista saada energiaa jonkun toisen solukoneistosta?

Se on todella mielenkiintoinen kysymys. Kun jotkut Mesodinium ripset syövät, ne riisuvat suurimman osan saalissoluista. Elektronimikroskopia on osoittanut, että kloroplastit ovat melko ehjät, mutta ne ovat myös edelleen saaliin jäännössolukalvon sisällä. Ja sitten värpäksellä on oma kalvo kaiken tämän ympärillä, koska ripskolainen kiinnitti saalissolun tyhjiöön [kalvorakkula], kun se nieli sen.

Emme todellakaan tiedä, kuinka molekyylit liikkuvat tämän monikalvojärjestelmän poikki. Se on asia, jota yritämme nyt kaivella seuraamalla minne proteiinit menevät.

Mihin evoluutiokysymykseen tämä työ auttaa sinua vastaamaan?

Kun opetamme fotosynteesiä koulussa, keskitymme enimmäkseen maakasveihin, joiden esi-isät poimivat kloroplasteja 2 miljardia vuotta sitten, kun he kesyttivät vapaasti eläviä sinileviä endosymbionteiksi.

Mutta kun tarkastelemme kasviplanktonia valtamerissä ja makean veden järjestelmissä, kuva on paljon monimutkaisempi. Tarkastelemme usein organismeja, joilla on niin sanottu sekundaarinen kloroplasti, mikä tarkoittaa, että joskus evoluutiohistoriansa aikana ne ovat saaneet kloroplastin jostain muusta. Joskus näet jopa todisteita tertiaarisista kloroplasteista, joissa organismit saavat kloroplasteja, jotka on otettu jostain kolmannesta solusta. Näitä sekundaarisia ja tertiäärisiä endosymbioositapahtumia on ilmeisesti tapahtunut ainakin puoli tusinaa kertaa. Ja tämä on aiheuttanut eukaryoottisen kasviplanktonin valtavan monimuotoisuuden.

Miltä näyttää muuttua jostakin heterotrofisesta joksikin, joka on erittäin fotosynteettistä? Mitä muutoksia sinun on tehtävä fysiologiassasi? Missä voit selviytyä? Mitä luonnollisen valinnan gradientteja tulee olla paikallaan? Tutkimus Mesodinium antaa meille käsityksen siitä, miltä siirtymä näytti.

Auttaako hankittu aineenvaihdunta organismeja pääsemään eteenpäin?

Aiemmin tänä vuonna julkaisemassamme artikkelissa tarkastelimme organismia, joka on tulossa fotosynteettiseksi isännöimällä endosymbioottisia leviä. Se on sekä hankittua aineenvaihduntaa että symbioosia. Voisit avata nämä makeanveden ripset nimeltään Paramecium bursaria ja eristää levät, ja levät eläisivät ja kasvaisivat onnellisesti yksinään.

Nämä parameciat ovat kuin pieniä sumeita vihreitä täpliä, jotka pyörivät petrimaljassa. Aloimme tarkastella, kuinka näiden organismien kilpailukyvyt riippuivat valon saatavuudesta. Jos he saavat energiaa auringonvalosta, niin mitä enemmän auringonvaloa on, sitä enemmän energiaa heidän pitäisi saada kasvamiseen. Ajattelimme, että se ulottuisi heidän kykyynsä kilpailla muiden lajien kanssa.

Minulla oli uskomattoman lahjakas perustutkinto-opiskelija, Veronica Hsu, joka testasi ideaa. Meillä oli tämä inkubaattori, jossa oli valopankkeja ja pieniä pulloja eri valotasoilla kasvavia viljelmiä. Joka toinen päivä Veronica otti näytteitä viljelmistä ja pisti niitä pieniä pisaroita petrimaljoihin. Sitten hän laski eri tyyppisten ripsien lukumäärän kussakin pisarassa.

Mutta jopa ilman tarkkaa laskemista, voit nähdä muutaman viikon sisällä, että kaikki valkoiset läpikuultavat ei-fotosynteettiset ripset olivat katoamassa, kun taas kaikki kirkkaan vihreät parameciat lisääntyivät. Voit nähdä kilpailun etenevän silmiesi edessä.

Veronica osoitti, että valon lisääntyessä myös sen organismin kilpailukyky, joka oli saanut fotosynteesin isännöimällä leviä, parani. Ja sitten solujen laskeminen antoi meille mahdollisuuden ymmärtää tämän ilmiön taustalla oleva data.

Joten näiden solulukujen saaminen ja matemaattisen mallin rakentaminen tapahtuneesta oli tärkeä osa tätä?

Kyllä, kun suoritamme näitä kokeita, on paljon laskentaa. Kollegani Caroline Tucker sanoi, kun olimme yhdessä lukiossa: "Tiedätkö, ekologia on vain laskemisen tiedettä." Tuolloin olin tavallaan katkera hänen lausunnostaan, mutta hän ei ollut väärässä.

Osa minusta ajattelee aina, ettei mikään voi korvata sitä, että istuu tutkimusorganismisi kanssa ja rakastuu siihen vähän laboratoriossa tai kentällä. Istuu pimeässä huoneessa ja tuijottaa mikroskoopin läpi, tuntuu kuin aistit näiden eri lajien persoonallisuudet. Jotkut näistä paramecioista ovat hopeanvalkoisia ja pisaran muotoisia ja hyvin läpikuultavia, koska niissä ei ole fotosynteettisiä leviä. Kun ne ovat upouudessa pullossa, jossa on paljon bakteerivaroja, ne kiertelevät hitaasti, mutta sitten kokeen edetessä on kuin näkisit heidän nälkäisen silmiesi edessä ja ne alkavat uida todella nopeasti. Ja voit tehdä havaintoja, jotka sitten johtavat lisälöydöksiin.

Laboratoriokokeiden yhdistäminen matemaattisiin malleihin pakottaa minut olemaan todella rehellinen ja selkeä siitä, mitä luulen tapahtuvan. Mitä tarkoitamme aineenvaihdunnan "hankimisella"? Mitä resursseja solu saa isännöimällä fotosynteesiä? Miten se tarkalleen ottaen vaikuttaa sen kilpailukykyyn?

Nyt meillä on malli, jonka tiedämme kuvaavan, kuinka hankittu aineenvaihdunta voi muuttaa kilpailukykyä. Ja tämä ei vaikuta vain hankittuun fotosynteesiin, vaan myös muihin aineenvaihdunnan hankintoihin. Malliin liittämämme tarkat tiedot voivat muuttua järjestelmästä riippuen. Mutta meillä on käytössämme puitteet.

Puhuimme kilpailueduista, joita hankittu aineenvaihdunta voi saada. Mutta onko jonkun muun aineenvaihdunnan hallinnassa huonoja puolia?

Ehdottomasti. On olemassa teoria, jonka mukaan mitokondriomme - toinen metabolinen organelli, jonka hankimme endosymbioosin kautta - ovat syy ikääntymiseen.

Niiden ansiosta osallistumme aerobiseen aineenvaihduntaan ja käytämme happea hiilihydraattien ja muiden molekyylien polttamiseen energiaksi. Mutta mitokondrioiden ja kloroplastien tuottamat reaktiiviset aineet saattavat myös hapettaa ja hajottaa kehomme DNA:ta. Nämä ovat vaarallisia asioita laittaa geneettisen materiaalisi viereen.

Yksi asia, jonka näemme joskus näissä kloroplasteja varastavissa organismeissa, on se, että niillä on paljon suojaavia antioksidanttikoneistoja, jotka auttavat niitä käsittelemään kloroplastin ottamista. Kloroplasti voi tehdä erittäin vaaralliseksi oleskella kirkkaassa valaistuksessa. Voit periaatteessa palata auringossa. Yksi hieno asia osoitti Suzanne StromWashingtonin osavaltiossa Länsi-Washingtonin yliopistossa työskentelevä tutkija toteaa, että kun organismit syövät kloroplasteja sisältäviä soluja, niillä on taipumus sulattaa niitä nopeammin, kun käytettävissä on enemmän valoa. Se voi johtua siitä, että valo auttaa sinua hajottamaan kloroplastia. Mutta voi myös olla, että tämä organismi ajattelee: "Leikin täällä tulella; Minun on päästävä siitä eroon."

Joten tämä herättää mielenkiintoisia kysymyksiä ympäristötyypeistä, joissa nämä organismit saattoivat elää, kun he alkoivat riippua kloroplasteista. Epäilen, että se oli luultavasti vähemmän valoisa ympäristö, koska jos ruoansulatus riippuu valosta, heikompi valo hidastaa sitä ja vähentää myös kloroplastien mahdollisesti aiheuttamaa haittaa. Voit hallita sitä hieman enemmän. Ja Mesodinium on varmasti heikossa valossa oleva laji. Mutta se on hyvin anekdoottista. Tarvitsemme paljon lisää todisteita. Mutta tietysti on myös asioita, jotka säilyttävät kloroplasteja, jotka elävät myös valoisassa ympäristössä.

Huomasin Twitterissäsi, että lasket paljon puiden juuria. Mitä tekemistä sillä on tämän toisen työn kanssa?

Yksi niistä asioista, joista pidän teoreettisena ekologina olemisessa, on se, että voin harrastaa monia erilaisia ​​järjestelmiä.

Se on toinen osa hankittua aineenvaihduntaa, jonka parissa työskentelemme. Joten olemme puhuneet aineenvaihduntakoneiston varastamisesta toiselta organismilta. Mutta on myös metabolista vastavuoroisuutta – aineenvaihdunnan hankkimista tämän todella intiimin kumppanuuden kautta kahden organismin välillä. Puiden liiketoiminta, kuten me kaikki tiedämme, on fotosynteesi. Mutta fotosyntetisoituakseen puut tarvitsevat ravinteita ja vettä maaperästä. Ja käy ilmi, varsinkin lauhkean vyöhykkeen ekosysteemeissä, että he saavat pääsyn näihin resursseihin tekemällä yhteistyötä sienten, ektomykorritsasienten kanssa. Nämä ovat sieniä, jotka elävät enimmäkseen maan alla, vaikka joskus niistä syntyy todella herkullisia sieniä, joskus myös myrkyllisiä. Sienet ovat yhteistyössä puiden kanssa. Sienet ovat erinomaisia ​​​​ravinteiden keräämisessä maaperästä, ja puut tuottavat sokeria fotosynteesistä, joten ne voivat tukea toisiaan.

Tämä metabolinen keskinäisyys auttaa puita selviytymään erilaisissa ympäristöolosuhteissa ja laajentamaan ekologista markkinarakoaan. Puu voi tehdä yhteistyötä tiettyjen sienten kanssa, jotka ovat hyviä yhteen ympäristöön, ja eri sienten kanssa eri ympäristössä. Uskomme, että tämä antaa puille mahdollisuuden ansaita elantonsa erilaisissa ympäristöolosuhteissa kuin jos ne olisivat yksinään.

Mikrobiomista puhutaan niin paljon, mutta unohdamme, että alussa on täytynyt olla todella vaikeaa saada kaikki suhteet mikrobiin toimimaan.

Joo, täysin. Samalla kun saamme parempaa ympäristötietoa sekvensoinnista, näemme, että melkein kaikella on jonkinlainen mikrobiomi, vaikka se asuukin niiden ulkopuolella. Kuka kontrolloi kenen kehitystä, tiedätkö? Ehkä meidän täytyi vain käsitellä sitä tosiasiaa, että suolistomme asustivat vikoja, ja teimme siitä parhaamme.

Siksi mielestäni hankitun aineenvaihdunnan tutkimus on niin kiehtovaa. Tutkit organismeja, jotka tekevät näitä hankintoja tänään. Saat jonkinlaisen käsityksen siitä, kuinka he käsittelivät sitä ekologisesti aiemmin, mitkä olivat valintapaineet ja niin edelleen.

Minusta tuntuu, että teoreettinen ekologia on räjähdysmäisesti viime aikoina.

Minusta se on nyt erittäin muodissa.

Uskon, että osa kasvavasta kiinnostuksesta teoriaa kohtaan johtuu valtavasta määrästä tietoa, joka meillä on nyt. Kun sinulla on pinoja ja pinoja dataa, ymmärrät sen kehittämällä siitä joitain yhdistäviä teorioita. Ja matemaattiset mallit ovat yksi tapa lähestyä tätä ongelmaa. Luulen, että siksi jatko-opiskelijoiden keskuudessa on ollut enemmän kiinnostusta näitä aiheita kohtaan tai yliopistoissa kiinnostusta teoreettisten ekologien palkkaamiseen. Se tavallaan tiivistyy seuraavasti: Meillä on valtava määrä dataa. Ja olemme valmiita.