Introduction
La nature, rouge de dents et de griffes, regorge d'organismes qui mangent leurs voisins pour aller de l'avant. Mais dans les systèmes étudiés par l'écologiste théoricien Holly Moeller, professeur adjoint d'écologie, d'évolution et de biologie marine à l'Université de Californie à Santa Barbara, le consommé fait partie du consommateur de manière surprenante.
Moeller étudie principalement les protistes, une large catégorie de micro-organismes unicellulaires comme les amibes et les paramécies qui ne rentrent pas dans les catégories macroscopiques familières des animaux, des plantes et des champignons. Ce qui la fascine le plus, c'est la capacité de certains protistes à récupérer des parties des cellules dont ils se nourrissent. Armés de ces morceaux encore fonctionnels de leur proie, les protistes peuvent s'étendre dans de nouveaux habitats et survivre là où ils ne pouvaient pas le faire auparavant.
Les regarder donne à Moeller une vision distinctive de la structure sous-jacente des écosystèmes d'aujourd'hui et des forces évolutives qui les ont créés. Le vol d'organites par les protistes peut sembler bizarre, mais les mitochondries de nos propres cellules nous marquent comme les produits d'un type connexe d'acquisition métabolique par nos anciens ancêtres.
"Au sens le plus large, ce sont des questions sur quand et comment les organismes se spécialisent, et comment ils peuvent briser cette spécialisation en accédant à quelque chose de nouveau", a-t-elle déclaré. "Pour moi, ce travail aborde des questions sur la façon dont les organismes élargissent leur niche écologique, comment ces acquisitions peuvent être permanentes et ce que cela signifie sur la façon dont le métabolisme saute à travers les pointes des branches des arbres de la vie."
Quanta a parlé avec Moeller par téléphone de sa carrière, de ses recherches sur le métabolisme acquis et de l'écologie théorique. L'interview a été condensée et modifiée pour plus de clarté.
Vous êtes devenu bien connu dans les cercles de l'écologie et de l'évolution pour vos travaux sur le « métabolisme acquis ». C'est un terme que vous avez inventé ?
Non intentionnel. C'est ce que j'entends par parties de votre métabolisme qui ne sont pas encodées dans votre propre génome. Vous y accédez d'une manière ou d'une autre en vous associant à une autre espèce.
Cela englobe certaines formes de symbiose, mais c'est plus que cela. Cela inclut également des choses comme l'acquisition de chloroplastes, les organites eucaryotes pour la photosynthèse, à partir de proies ingérées, et même le transfert horizontal de gènes, où un seul gène ou un ensemble complet de gènes métaboliques est prélevé d'un organisme par un autre.
J'ai une formation d'écologiste communautaire, donc je m'intéresse beaucoup aux rôles que jouent les organismes dans les écosystèmes et à la façon dont ces niches se développent et se contractent au cours de leur vie. L'étude du métabolisme acquis semblait s'intégrer naturellement à cela, car il s'agit en grande partie de la façon dont les organismes peuvent élargir leurs niches.
Ce que les humains ont avec nos bactéries intestinales est-il un métabolisme acquis ?
Je pense que c'est un excellent exemple. Une grande partie de notre capacité à manger diverses sources alimentaires et à les métaboliser se résume à ces bactéries. Certaines des vitamines et des cofacteurs importants dont nous avons besoin, comme la vitamine K, sont fabriqués par des microbes qui vivent à l'intérieur de notre intestin. Nous dépendons beaucoup de ces partenariats.
Qu'est-ce qui vous a amené dans cette voie de recherche ?
Vous savez, les bactéries passent souvent par un processus appelé « tumbling and running ». Ils suivent un signal chimique vers une ressource, mais lorsque le signal s'éteint, ils s'arrêtent, ils tournent et ils partent dans une direction aléatoire. Je pense que c'est aussi vrai pour de nombreux scientifiques, dont moi. Nous suivons souvent notre nez et courons après des choses qui nous passionnent. Et parfois, cela nous mène à des endroits inattendus.
Introduction
J'ai eu de la chance. Mes parents ont tous deux suivi une formation scientifique, et bien qu'aucun d'eux n'ait travaillé ensemble pendant que je grandissais, je savais que la recherche était une option de carrière. J'ai également eu beaucoup de chance dans mes études de premier cycle à l'Université Rutgers, en ce sens que j'ai eu des professeurs qui se sont intéressés et m'ont mis en contact avec un membre du corps professoral faisant de la recherche sur les microbes marins. Le scientifique avec qui j'ai d'abord travaillé, Paul Falkowski, a des intérêts éclectiques. Mais l'une des choses qu'il étudiait à l'époque était la façon dont les chloroplastes se propageaient autour de l'arbre de vie.
C'est là que mon intérêt pour le métabolisme acquis a commencé. J'ai trouvé cela totalement fascinant, cette idée que quelque chose que j'ai appris dans les manuels en tant que caractéristique des plantes était en fait quelque chose qu'ils ont obtenu il y a quelques milliards d'années en ingérant une bactérie. Et que cela s'est produit plusieurs fois. J'ai commencé à travailler avec Paul et Matt Johnson, qui était son postdoc à l'époque, sur les organismes qui volent les chloroplastes aujourd'hui et ce qu'ils pourraient nous dire sur ce processus évolutif.
J'aime l'idée qu'un organisme puisse commencer sa vie sans chloroplaste, puis en prendre un.
Droit? Imaginez si nous avions une salade pour le déjeuner, et puis tout à coup nos bras devenaient verts ! Je vis dans le sud de la Californie en ce moment - je pourrais me promener entre les cours et obtenir toute l'énergie dont j'avais besoin. Bien que j'aime déjeuner, je ne suis pas sûr que j'apprécierais vraiment cela.
Dans de nombreux cas, ces organismes qui obtiennent des chloroplastes deviennent tout à fait liés à la photosynthèse. Certaines des espèces sur lesquelles nous travaillons mourraient si elles ne pouvaient pas photosynthétiser, elles ne peuvent donc pas survivre si elles ne trouvent pas de proies à qui voler des chloroplastes. C'est une curiosité évolutive pour moi qu'ils se soient reculés dans ce coin.
Ces espèces doivent-elles continuer à voler des chloroplastes parce qu'elles finissent par se décomposer ?
Généralement, oui. Cependant, ces lignées voleuses de chloroplastes varient dans leur capacité à maintenir le chloroplaste. Dans ce groupe de ciliés marins sur lesquels nous travaillons appelés Mésodinium, certaines lignées ne volent pas du tout de chloroplastes. Certains les volent et les jettent dans le sol très rapidement. Et d'autres les volent mais volent aussi des noyaux fonctionnels à leur proie, ce qui signifie qu'ils peuvent fabriquer plus de chloroplastes.
La métaphore que j'aime, c'est que ceux qui ne volent pas de chloroplastes sont comme l'enfant sage qui n'a jamais volé de voiture. D'autres volent la voiture pour une balade, la percutent contre un arbre et l'abandonnent. Mais il y en a qui volent la voiture mais aussi le manuel du propriétaire, et ils construisent un atelier de mécanique pour bien s'occuper des biens volés.
Il y a tout ce spectre, et parce qu'ils sont étroitement liés, on peut se demander : quelles sont les différences évolutives entre ces organismes qui ont facilité les transitions ?
Héritent-ils parfois des chloroplastes de leurs cellules mères ? Si les cellules se divisent pour se reproduire, les chloroplastes ne sont-ils pas également transmis ?
Certains d'entre eux le font. Dans certaines lignées, lorsque les cellules se divisent, elles se répartissent l'attribution de chloroplastes entre elles. Pour rafraîchir et reconstituer leurs chloroplastes, ils doivent les voler en mangeant.
Mais les cellules qui gardent le noyau volé - le manuel d'instructions volé - peuvent faire diviser les chloroplastes avec le reste de la cellule. Les noyaux semblent être ce pour quoi ils ont encore besoin de manger. Quand ils attrapent une cellule proie, ils s'accrochent à ses chloroplastes, car pourquoi pas ? Mais il semble que ce qui est vraiment essentiel, c'est qu'ils captent de nouveaux noyaux.
Introduction
Comment est-il possible pour les ciliés d'obtenir de l'énergie de la machinerie cellulaire de quelqu'un d'autre ?
C'est une question très intéressante. Lorsque certains des Mésodinium les ciliés mangent, ils enlèvent la majeure partie de la cellule de proie. La microscopie électronique a montré que les chloroplastes sont assez intacts, mais ils sont également toujours à l'intérieur de la membrane cellulaire relique de la proie. Et puis le cilié a sa propre membrane autour de tout ça, parce que le cilié a coincé la cellule proie dans une vacuole [vésicule membranaire] quand il l'a ingérée.
Nous ne savons vraiment pas comment les molécules se déplacent à travers ce système multimembranaire. C'est quelque chose que nous essayons de creuser maintenant en suivant où vont les protéines.
À quelle question évolutive ce travail vous aide-t-il à répondre ?
Lorsque nous enseignons la photosynthèse à l'école, nous nous concentrons principalement sur les plantes terrestres, dont les ancêtres ont ramassé des chloroplastes il y a 2 milliards d'années, lorsqu'ils ont domestiqué des cyanobactéries libres comme endosymbiontes.
Mais lorsque nous examinons le phytoplancton dans les systèmes océaniques et d'eau douce, le tableau est beaucoup plus compliqué. Nous examinons souvent des organismes qui ont ce qu'on appelle un chloroplaste secondaire, ce qui signifie qu'à un moment donné de leur histoire évolutive, ils ont obtenu un chloroplaste à partir d'autre chose. Parfois, vous voyez même des preuves de chloroplastes tertiaires, où les organismes obtiennent des chloroplastes qui ont été prélevés sur une troisième cellule. Ces événements d'endosymbiose secondaire et tertiaire se sont produits, pensons-nous, au moins une demi-douzaine de fois. Et cela a donné lieu à la grande diversité du phytoplancton eucaryote.
À quoi cela ressemble-t-il de passer de quelque chose d'hétérotrophe à quelque chose de hautement photosynthétique ? Quels changements devez-vous apporter à votre physiologie ? Où pouvez-vous survivre? Quels gradients de sélection naturelle doivent être mis en place ? L'Etude de Mésodinium nous donne un aperçu de ce à quoi ressemblait cette transition.
Le métabolisme acquis aide-t-il les organismes à aller de l'avant ?
Dans l'article que nous avons publié plus tôt cette année, nous avons examiné un organisme qui devient photosynthétique en hébergeant des algues endosymbiotiques. C'est à la fois un métabolisme acquis et une symbiose. Vous pouvez ouvrir ces ciliés d'eau douce appelés Bourse paramécie et isoler les algues, et les algues vivraient et se développeraient heureusement par elles-mêmes.
Ces paramécies sont comme de petites taches vertes floues qui tourbillonnent dans la boîte de Pétri. Nous avons commencé à regarder comment les capacités compétitives de ces organismes dépendaient de la disponibilité de la lumière. S'ils obtiennent de l'énergie de la lumière du soleil, plus il y a de lumière solaire, plus ils devraient obtenir d'énergie pour leur croissance. Nous pensions que cela s'étendrait à leur capacité à rivaliser avec d'autres espèces.
J'avais un étudiant de premier cycle incroyablement talentueux, Véronique Hsu, qui a testé cette idée. Nous avions cet incubateur avec des banques de lumières et de petits flacons de cultures poussant à différents niveaux de lumière. Tous les deux jours, Veronica prélevait des échantillons des cultures et en mettait de petites gouttelettes dans des boîtes de Pétri. Ensuite, elle a compté le nombre de différents types de ciliés dans chaque gouttelette.
Introduction
Mais même sans faire un décompte exact, vous avez pu voir en quelques semaines seulement que tous les ciliés blancs translucides non photosynthétiques disparaissaient, tandis que toutes les paramécies vert vif augmentaient. Vous pouviez voir la compétition se dérouler sous vos yeux.
Veronica a montré qu'à mesure que la lumière augmentait, la capacité compétitive de l'organisme qui avait acquis la photosynthèse en hébergeant les algues augmentait également. Et puis compter les cellules nous a permis de saisir les données derrière ce phénomène.
Donc, obtenir ces comptages de cellules et construire un modèle mathématique de ce qui se passait était une partie importante de cela ?
Oui, lorsque nous menons ces expériences, il y a beaucoup de comptages. Mon collègue Caroline Tucker a dit quand nous étions ensemble à l'école doctorale, "Vous savez, l'écologie n'est que la science du comptage." À l'époque, j'étais un peu irrité par sa déclaration, mais elle n'avait pas tort.
Il y a une partie de moi qui pensera toujours qu'il n'y a pas de substitut à s'asseoir avec son organisme d'étude et à en tomber un peu amoureux en laboratoire ou sur le terrain. Assis dans une pièce sombre, regardant à travers un microscope, vous avez l'impression de ressentir les personnalités de ces différentes espèces. Certaines de ces paramécies sont d'un blanc argenté et en forme de larme et très translucides car elles n'ont pas d'algues photosynthétiques. Quand ils sont dans un flacon flambant neuf avec beaucoup de ressources bactériennes, ils gambadent lentement, mais au fur et à mesure que l'expérience se poursuit, c'est comme si vous pouviez les voir avoir faim sous vos yeux et ils commencent à nager très vite. Et vous pouvez faire des observations qui conduisent ensuite à des découvertes supplémentaires.
Être capable de combiner des expériences de laboratoire avec des modèles mathématiques m'oblige à être vraiment honnête et explicite sur ce que je pense qu'il se passe. Qu'entend-on par « acquisition » du métabolisme ? Quelles ressources la cellule obtient-elle en hébergeant la photosynthèse ? Comment cela affecte-t-il exactement ses capacités concurrentielles?
Nous disposons maintenant d'un modèle qui, nous le savons, décrit comment le métabolisme acquis peut modifier la capacité de compétition. Et cela a des implications non seulement pour la photosynthèse acquise, mais aussi pour d'autres acquisitions du métabolisme. Les détails exacts que nous connectons au modèle peuvent changer en fonction du système. Mais nous avons un cadre à utiliser.
Nous avons parlé des avantages concurrentiels qui peuvent provenir du métabolisme acquis. Mais y a-t-il des inconvénients à prendre en charge le métabolisme de quelqu'un d'autre ?
Absolument. Il existe une théorie selon laquelle nos mitochondries - un autre organite métabolique que nous avons acquis par endosymbiose - sont la raison pour laquelle nous vieillissons.
Grâce à eux, nous sommes engagés dans un métabolisme aérobie, utilisant l'oxygène pour brûler des glucides et d'autres molécules pour produire de l'énergie. Mais les agents réactifs produits par les mitochondries et les chloroplastes pourraient également oxyder et dégrader l'ADN de notre corps. Ce sont des choses dangereuses à mettre à côté de votre matériel génétique.
Une chose que nous voyons parfois chez ces organismes qui volent des chloroplastes, c'est qu'ils ont beaucoup de machinerie antioxydante protectrice, ce qui les aide à gérer la prise d'un chloroplaste. Avoir un chloroplaste peut rendre très dangereux le fait d'être dans des environnements très éclairés. Vous pouvez essentiellement attraper un coup de soleil. Une chose cool démontrée par Suzanne Strom, un scientifique de l'État de Washington à la Western Washington University, est que lorsque les organismes mangent des cellules contenant des chloroplastes, ils ont tendance à les digérer plus rapidement lorsqu'il y a plus de lumière disponible. C'est peut-être parce que la lumière vous aide à décomposer le chloroplaste. Mais il se pourrait aussi que cet organisme pense : « Je joue avec le feu ici ; Je dois m'en débarrasser.
Introduction
Cela soulève donc des questions intéressantes sur les types d'environnements dans lesquels ces organismes auraient pu vivre lorsqu'ils ont commencé à s'accrocher aux chloroplastes. Je soupçonne que c'était probablement un environnement à faible luminosité, car si votre digestion dépend de la lumière, une lumière plus faible la ralentira et réduira également les dommages que les chloroplastes pourraient causer. Vous pouvez le gérer un peu plus. Et Mésodinium est certainement une espèce à faible luminosité. Mais c'est très anecdotique. Nous avons besoin de beaucoup plus de preuves. Mais bien sûr, il y a aussi des choses qui retiennent les chloroplastes qui vivent aussi dans un environnement très lumineux.
J'ai remarqué sur votre Twitter que vous faites beaucoup de comptage de racines d'arbres. Qu'est-ce que cela a à voir avec cet autre travail?
L'une des choses que j'aime dans le fait d'être un écologiste théoricien, c'est que je peux toucher à de nombreux systèmes différents.
C'est un autre aspect du métabolisme acquis sur lequel nous travaillons. Nous avons donc parlé de voler la machinerie métabolique d'un autre organisme. Mais il y a aussi le mutualisme métabolique — l'acquisition du métabolisme par ce partenariat très intime entre deux organismes. L'activité des arbres, comme nous le savons tous, est la photosynthèse. Mais pour photosynthétiser, les arbres ont besoin de nutriments et d'eau du sol. Et il s'avère, notamment dans les écosystèmes tempérés, qu'ils accèdent à ces ressources en s'associant à des champignons, des champignons ectomycorhiziens. Ce sont des champignons qui vivent principalement sous terre, même s'ils produisent parfois des champignons vraiment délicieux, et parfois aussi des champignons toxiques. Les champignons sont en partenariat avec les arbres. Les champignons excellent dans la récolte des nutriments du sol et les arbres fournissent du sucre à partir de la photosynthèse, afin qu'ils puissent se soutenir mutuellement.
Ce mutualisme métabolique aide les arbres à survivre dans toutes sortes de conditions environnementales différentes et à élargir leur niche écologique. Un arbre peut s'associer à certains champignons qui sont bons pour un environnement et à différents champignons dans un environnement différent. Nous pensons que cela permet aux arbres de gagner leur vie dans un ensemble de conditions environnementales plus diversifiées que s'ils étaient seuls.
On parle tellement du microbiome, mais on oublie qu'il a dû être très difficile d'établir toutes ces relations avec les microbes au début.
Ouais, totalement. Au fur et à mesure que nous obtenons de meilleures données environnementales grâce au séquençage, nous constatons que presque tout a une sorte de microbiome, même s'il vit à l'extérieur. Qui a contrôlé l'évolution de qui, vous savez ? Peut-être que nous devions simplement faire face au fait que nos tripes allaient être colonisées par des insectes et nous en avons tiré le meilleur parti.
C'est pourquoi je pense que l'étude du métabolisme acquis est si fascinante. Vous étudiez des organismes qui font ces acquisitions aujourd'hui. Vous obtenez un aperçu de la façon dont ils géraient cela écologiquement dans le passé, quelles étaient les pressions de sélection, etc.
J'ai l'impression que l'écologie théorique explose ces derniers temps.
Je pense que c'est très en vogue maintenant.
Je pense qu'une partie de l'intérêt croissant pour la théorie vient de la quantité écrasante d'informations dont nous disposons actuellement. Lorsque vous avez des piles et des piles de données, vous leur donnez un sens en développant des théories unificatrices à leur sujet. Et les modèles mathématiques sont une façon d'aborder ce problème. Je pense que c'est pourquoi il y a eu plus d'intérêt parmi nos étudiants diplômés pour ces sujets, ou l'intérêt des universités pour l'embauche d'écologistes théoriques. Cela se résume en quelque sorte à : nous avons des données massives. Et nous sommes prêts.
