Bevezetés
A fogak és karmok vöröses természete tele van olyan organizmusokkal, amelyek megeszik szomszédaikat, hogy előrébb jussanak. De az elméleti ökológus által vizsgált rendszerekben Holly Moeller, a Santa Barbarai Kaliforniai Egyetem ökológia, evolúció és tengerbiológia adjunktusa, az elfogyasztott meglepő módon a fogyasztó részévé válik.
Moeller elsősorban a protisták, az egysejtű mikroorganizmusok széles kategóriáját tanulmányozza, mint például az amőbák és a parameciák, amelyek nem illeszkednek az állatok, növények és gombák ismert makroszkopikus kategóriáiba. Ami a legjobban lenyűgözi, az az, hogy egyes protisták képesek az általuk zsákmányolt sejtek egy részét kiválasztani. A protisták zsákmányuk ezekkel a még működő darabjaival felfegyverkezve új élőhelyekre terjeszkedhetnek, és ott maradhatnak életben, ahol korábban nem.
Megtekintésük révén Moeller sajátos képet kaphat a mai ökoszisztémák mögöttes szerkezetéről és az őket létrehozó evolúciós erőkről. Bizarrnak tűnhet, hogy a protisták ellopják az organellumokat, de a saját sejtjeinkben lévő mitokondriumok az ősi őseink hasonló anyagcsere-szerzésének termékeiként jelölnek meg bennünket.
"A legtágabb értelemben ezek a kérdések arra vonatkoznak, hogy az organizmusok mikor és hogyan specializálódnak, és hogyan tudják megtörni ezt a specializációt azáltal, hogy valami újhoz jutnak hozzá" - mondta. „Számomra ez a munka azzal kapcsolatos kérdésekkel foglalkozik, hogy az élőlények hogyan bővítik ki ökológiai résüket, hogyan lehetnek tartósak ezek a szerzemények, és mit jelent ez azzal kapcsolatban, hogy az anyagcsere hogyan ugrik át az életfák ágai között.”
Quanta telefonon beszélt Moellerrel karrierjéről, a szerzett anyagcsere kutatásairól és az elméleti ökológiáról. Az interjút az egyértelműség kedvéért sűrítettük és szerkesztettük.
Az ökológiai és evolúciós körökben jól ismertté váltál a „szerzett anyagcserével” kapcsolatos munkáddal. Ezt a kifejezést találtad ki?
Nem szándékosan. Ezt értem az anyagcseréd azon részein, amelyek nincsenek kódolva a saját genomodban. Valamilyen módon hozzáférhetsz hozzájuk, ha egy másik fajhoz társulsz.
Ez magában foglalja a szimbiózis bizonyos formáit, de ez több annál. Ez magában foglalja az olyan dolgokat is, mint a kloroplasztiszok, a fotoszintézishez szükséges eukarióta organellumok beszerzése a lenyelt zsákmányból, és még a horizontális géntranszfer is, amikor egyetlen gént vagy metabolikus gének egész csomagját egy másik szervezetből kitépi.
Közösségi ökológusnak tanultam, ezért nagyon érdekel az élőlények szerepe az ökoszisztémákban, és az, hogy ezek a rések hogyan tágulnak és zsugorodnak életük során. A megszerzett anyagcsere tanulmányozása természetesnek tűnt ehhez, mert nagyon is arról szól, hogy az élőlények hogyan tudják kiterjeszteni a rést.
Megszerzett anyagcsere az, amit az emberek a bélbaktériumokkal rendelkeznek?
Szerintem ez egy nagyszerű példa. Annyira, hogy képesek vagyunk különféle táplálékforrásokat enni és azokat metabolizálni, ezeknek a baktériumoknak köszönhetjük. Néhány fontos vitamint és kofaktort, amelyekre szükségünk van, mint például a K-vitamin, a bélrendszerünkben élő mikrobák termelik. Nagyon támaszkodunk ezekre a partnerségekre.
Mi vezette Önt ehhez a kutatási irányvonalhoz?
Tudod, a baktériumok gyakran áthaladnak a „zuhanás és futás” folyamaton. Valamilyen kémiai jelzést követnek egy erőforrás felé, de amikor a jel kialszik, megállnak, megpördülnek és véletlenszerű irányba indulnak el. Szerintem ez sok tudósra is igaz, köztük rám is. Gyakran követjük az orrunkat, és olyan dolgok után kergetjük, amelyek miatt izgatottak vagyunk. És néha váratlan helyekre vezet bennünket.
Bevezetés
Szerencsés voltam. A szüleim mindketten tudósnak készültek, és bár egyikük sem dolgozott, amíg én felnőttem, tudtam, hogy a kutatás karrierlehetőség. Nagyon szerencsés voltam a Rutgers Egyetemen végzett egyetemi tanulmányaim során is, mivel professzoraim felkeltették az érdeklődésemet, és összekapcsoltak egy tengeri mikrobákkal foglalkozó oktatómmal. A tudós, akivel először dolgoztam, Paul Falkowski, eklektikus érdeklődési köre van. De az egyik dolog, amit akkoriban tanulmányozott, az volt, hogyan terjedtek el a kloroplasztiszok az élet fája körül.
Itt kezdődött a szerzett anyagcsere iránti érdeklődésem. Teljesen lenyűgözőnek találtam, ez a gondolat, hogy valami, amit a tankönyvekben tanultam, mint a növények jellemzőjét, valójában valami olyasmi volt, amit néhány milliárd évvel ezelőtt kaptak egy baktérium lenyelésével. És hogy ez többször megtörtént. Paullal kezdtem el dolgozni és Matt Johnson, aki akkoriban a posztdoktorija volt, a kloroplasztiszokat ma ellopó organizmusokról, és arról, hogy mit árulhatnak el nekünk erről az evolúciós folyamatról.
Szeretem azt a gondolatot, hogy egy organizmus kloroplasztisz nélkül is elindulhat az életben, aztán egyszerűen felvesz egyet.
Jobb? Képzeld el, ha ebédelnénk egy salátát, és akkor hirtelen kizöldülne a karunk! Jelenleg Dél-Kaliforniában élek – sétálhatok az órák között, és megkaphatom az összes szükséges energiát. Bár szeretek ebédelni, nem vagyok benne biztos, hogy nagyon örülnék neki.
Sok esetben ezek az organizmusok, amelyek kloroplasztiszokat nyernek, teljesen lekötik a fotoszintézist. Egyes fajok, amelyeken dolgozunk, elpusztulnának, ha nem tudnának fotoszintetizálni, így nem tudnak túlélni, ha nem találnak zsákmányt, amelytől kloroplasztiszokat lophatnak. Számomra evolúciós érdekesség, hogy ebbe a sarokba hátráltatták magukat.
Ezeknek a fajoknak továbbra is el kell lopniuk a kloroplasztiszokat, mert végül lebomlanak?
Általában igen. Azonban ezek a kloroplasztiszlopó vonalak eltérőek a kloroplasztisz fenntartásában. A tengeri csillók ebbe a csoportjába, amelyeken dolgozunk, hívják Mesodinium, egyes vonalak egyáltalán nem lopják a kloroplasztiszokat. Vannak, akik ellopják és nagyon gyorsan a földbe sodorják. Mások pedig ellopják őket, de funkcionális sejtmagokat is ellopnak zsákmányuktól, ami azt jelenti, hogy több kloroplasztot tudnak előállítani.
A metafora, amit szeretek, az az, hogy azok, akik nem lopnak kloroplasztot, olyanok, mint a jól nevelt gyerek, aki soha nem lopott autót. Mások ellopják az autót egy tréfás útra, nekiütköznek egy fának, és otthagyják. De vannak, akik ellopják az autót, de a használati útmutatót is, és szerelőműhelyt építenek, hogy gondosan vigyázzanak az ellopott vagyontárgyakra.
Ez az egész spektrum létezik, és mivel szorosan összefüggenek, feltehetjük a kérdést: Mik azok az evolúciós különbségek ezen organizmusok között, amelyek elősegítették az átmeneteket?
Örökölnek valaha kloroplasztot a szülősejtjeiktől? Ha a sejtek osztódnak, hogy szaporodjanak, nem adódnak át a kloroplasztiszok is?
Némelyikük igen. Egyes vonalakban, amikor a sejtek osztódnak, felosztják közöttük a kloroplasztisztot. Ahhoz, hogy felfrissítsék és feltöltsék kloroplasztjaikat, el kell őket lopniuk evéssel.
De az ellopott sejtmagot őrző sejtek – az ellopott használati utasítás – képesek a kloroplasztiszokat a sejt többi részével együtt osztani. Úgy tűnik, hogy a magok az, amiért még enniük kell. Amikor elkapnak egy zsákmánysejtet, rákapaszkodnak a kloroplasztiszokra, mert miért ne? De úgy tűnik, hogy az a kritikus, hogy új magokat vegyenek fel.
Bevezetés
Hogyan lehetséges, hogy a csillósok valaki más sejtrendszeréből nyerjenek energiát?
Ez egy igazán érdekes kérdés. Amikor néhány a Mesodinium a csillósok esznek, a zsákmánysejt nagy részét lehúzzák. Az elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy a kloroplasztiszok meglehetősen sértetlenek, de még mindig a zsákmány relikvia sejtmembránjában vannak. És akkor a csillósnak van egy saját membránja mindezek körül, mert a csillós egy vakuólumba (membránvezikulába) ragasztotta a zsákmánysejtet, amikor lenyelte.
Valójában nem tudjuk, hogyan mozognak a molekulák ezen a többmembrános rendszeren. Ez az a valami, amibe most próbálunk beleásni azáltal, hogy követjük, merre haladnak a fehérjék.
Milyen evolúciós kérdésre ad választ ez a munka?
Amikor az iskolában fotoszintézist tanítunk, leginkább a szárazföldi növényekre koncentrálunk, amelyek ősei 2 milliárd évvel ezelőtt szedték fel a kloroplasztiszokat, amikor a szabadon élő cianobaktériumokat endoszimbiontaként háziasították.
De ha megnézzük a fitoplanktont az óceánban és az édesvízi rendszerekben, a kép sokkal bonyolultabb. Gyakran vizsgáljuk azokat az organizmusokat, amelyek másodlagos kloroplasztiszokkal rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy evolúciós történetük során valamikor valami másból szereztek kloroplasztot. Néha még a harmadlagos kloroplasztiszokra is találsz bizonyítékot, ahol az organizmusok olyan kloroplasztiszokat kapnak, amelyeket valamilyen harmadik sejtből vettek. Ezek a másodlagos és harmadlagos endoszimbiózis események, úgy gondoljuk, legalább féltucatszor megtörténtek. Ez pedig az eukarióta fitoplankton hatalmas sokféleségét eredményezte.
Hogyan néz ki heterotróf valamiből erősen fotoszintetikussá válni? Milyen változtatásokat kell végrehajtania a fiziológiájában? Hol lehet túlélni? Milyen természetes szelekciós gradienseket kell alkalmazni? Tanulmányozása Mesodinium betekintést enged abba, hogyan nézett ki az átmenet.
A megszerzett anyagcsere segíti-e az élőlényeket az előrejutásban?
Az év elején megjelent cikkünkben egy olyan szervezetet vizsgáltunk, amely endoszimbiotikus algák befogadásával fotoszintetikussá válik. Egyszerre szerzett anyagcsere és szimbiózis. Kinyithatnád ezeket az édesvízi csillósokat Paramecium bursaria és izolálják az algákat, és az algák boldogan élnének és növekednének maguktól.
Ezek a parameciák olyanok, mint a kis homályos zöld foltok, amelyek a Petri-csészében forognak. Elkezdtük vizsgálni, hogy ezeknek az élőlényeknek a versenyképessége hogyan függ a fény elérhetőségétől. Ha a napfényből kapnak energiát, akkor minél több napfény van, annál több energiát kell kapniuk a növekedéshez. Úgy gondoltuk, hogy ez kiterjed a más fajokkal való versenyre való képességükre is.
Volt egy hihetetlenül tehetséges egyetemi hallgatóm, Veronica Hsu, aki tesztelte az ötletet. Nekünk volt ez az inkubátorunk lámpákkal és kis kulacsokkal, ahol különböző fényszinteken nőttek a kultúrák. Veronica kétnaponta mintát vett a kultúrákból, és apró cseppeket Petri-csészékbe helyezett belőlük. Aztán minden cseppben megszámolta a különböző típusú csillósállatok számát.
Bevezetés
De még pontos számlálás nélkül is néhány héten belül láthatta, hogy az összes fehér, áttetsző, nem fotoszintetikus csilló eltűnik, miközben az összes élénkzöld paramecium nőtt. A szemed előtt láthattad a versenyt.
Veronica kimutatta, hogy a fény növekedésével annak a szervezetnek a versenyképessége is javult, amely az algák befogadásával fotoszintézisre tett szert. Aztán a cellák megszámlálása lehetővé tette számunkra, hogy megértsük a jelenség mögött meghúzódó adatokat.
Tehát ezeknek a sejtszámoknak a megállapítása és a matematikai modell felépítése a történtekről fontos része volt ennek?
Igen, amikor ezeket a kísérleteket futtatjuk, rengeteg a számolás. A kollégám Caroline Tucker azt mondta, amikor együtt jártunk általános iskolába: „Tudod, az ökológia csak a számolás tudománya.” Akkoriban kissé neheztelt a kijelentése, de nem tévedett.
Van egy részem, aki mindig azt fogja gondolni, hogy semmi sem helyettesítheti azt, hogy a vizsgált szervezeteddel ülve egy kicsit beleszeressek a laborban vagy a terepen. Sötét szobában ülve, mikroszkópon keresztül bámulva úgy érzi, mintha megérzi e különböző fajok személyiségét. Néhány ilyen paramecia ezüstfehér és könnycsepp alakú, és nagyon áttetsző, mivel nincs bennük fotoszintetikus alga. Amikor egy vadonatúj lombikban vannak, rengeteg baktériumforrással, lassan téblábolnak, de aztán ahogy a kísérlet folytatódik, olyan, mintha a szemed láttára látnád, hogy megéheznek, és nagyon gyorsan elkezdenek úszni. És olyan megfigyeléseket végezhet, amelyek további megállapításokhoz vezetnek.
Az, hogy a laboratóriumi kísérleteket matematikai modellekkel kombinálhatom, arra késztet, hogy igazán őszinte legyek és egyértelmű legyek azzal kapcsolatban, hogy szerintem mi történik. Mit értünk az anyagcsere „elsajátításán”? Milyen erőforrásokhoz jut a sejt a fotoszintézis befogadásával? Pontosan hogyan befolyásolja ez a versenyképességét?
Most van egy modellünk, amely leírja, hogy a megszerzett anyagcsere hogyan változtathatja meg a versenyképességet. És ez nemcsak a megszerzett fotoszintézisre vonatkozik, hanem az anyagcsere egyéb megszerzésére is. A modellbe illesztett pontos részletek a rendszertől függően változhatnak. De van egy keretünk.
Beszéltünk azokról a versenyelőnyökről, amelyek a szerzett anyagcseréből származhatnak. De vannak árnyoldalai annak, ha valaki más anyagcseréjét átveszi?
Egyértelműen. Van egy elmélet, miszerint a mitokondriumunk – egy másik metabolikus organellum, amelyet endoszimbiózissal szereztünk meg – az öregedés oka.
Ezek miatt aerob anyagcserével foglalkozunk, oxigént használva szénhidrátok és más molekulák elégetésére energiaként. De a mitokondriumok és a kloroplasztiszok által termelt reaktív anyagok is oxidálhatják és lebonthatják testünk DNS-ét. Veszélyes dolgok ezek, amelyeket a genetikai anyaga mellé kell tenni.
Az egyik dolog, amit néha látunk ezekben a kloroplasztiszokat lopó organizmusokban, az az, hogy sok védő antioxidáns gépezetük van, ami segít nekik kezelni a kloroplasztiszokat. A kloroplasztisz nagyon veszélyessé teheti a magas fényviszonyok között való tartózkodást. Alapvetően leéghetsz. Egy klassz dolgot mutatott be Suzanne Strom, a Western Washington Egyetem Washington állambeli tudósa szerint amikor az élőlények megeszik a kloroplasztiszokat tartalmazó sejteket, hajlamosak gyorsabban megemészteni azokat, ha több fény áll rendelkezésre. Ez azért lehet, mert a fény segít lebontani a kloroplasztot. De az is lehet, hogy ez az organizmus azt gondolja: „Itt a tűzzel játszom; Meg kell szabadulnom tőle.”
Bevezetés
Tehát ez érdekes kérdéseket vet fel azzal kapcsolatban, hogy ezek az organizmusok milyen környezetben élhettek, amikor először elkezdtek lógni a kloroplasztiszokon. Gyanítom, hogy valószínűleg gyengébb fényű környezet volt, mert ha az emésztésed a fénytől függ, az alacsonyabb fény lelassítja azt, és csökkenti a kloroplasztiszok által okozott károkat is. Egy kicsit többet kezelhetsz vele. És Mesodinium minden bizonnyal gyenge fényű faj. De ez nagyon anekdotikus. Sokkal több bizonyítékra van szükségünk. De természetesen vannak olyan dolgok is, amelyek megtartják a kloroplasztiszokat, amelyek magas megvilágítású környezetben is élnek.
Észrevettem a Twittereden, hogy sokat számolod a fa gyökereit. Mi köze ennek a másik munkához?
Az egyik dolog, amit szeretek abban, hogy elméleti ökológus vagyok, az az, hogy sok különböző rendszerrel foglalkozhatok.
Ez a megszerzett anyagcsere egy másik aspektusa, amelyen dolgozunk. Tehát arról beszéltünk, hogy ellopjuk az anyagcsere-gépezeteket egy másik szervezettől. De létezik metabolikus kölcsönösség is – az anyagcsere elsajátítása két szervezet közötti igazán bensőséges partnerség révén. A fák tevékenysége, mint mindannyian tudjuk, a fotoszintézis. De a fotoszintetizáláshoz a fáknak tápanyagra és vízre van szükségük a talajból. És kiderül, különösen a mérsékelt égövi ökoszisztémákban, hogy ezekhez az erőforrásokhoz a gombákkal, az ektomikorrhiza gombákkal együttműködve jutnak hozzá. Ezek olyan gombák, amelyek többnyire a föld alatt élnek, bár néha nagyon finom gombákat raknak fel, és néha mérgezőeket is. A gombák együttműködnek a fákkal. A gombák kiválóan gyűjtik be a tápanyagokat a talajból, a fák pedig a fotoszintézisből adják a cukrot, így támogathatják egymást.
Ez a metabolikus kölcsönösség segíti a fákat, hogy túléljenek mindenféle környezeti körülmény között, és bővítsék ökológiai résüket. Egy fa partner lehet bizonyos gombákkal, amelyek jók egy környezetben, és különböző gombákkal egy másik környezetben. Úgy gondoljuk, hogy ez lehetővé teszi a fák számára, hogy változatosabb környezeti feltételek mellett keressenek megélhetést, mint ha egyedül élnének.
Annyi szó esik a mikrobiomról, de elfelejtjük, hogy kezdetben nagyon nehéz lehetett a mikrobákkal való kapcsolat megteremtése.
Igen, teljesen. Ahogy egyre jobb környezeti adatokat kapunk a szekvenálásból, azt látjuk, hogy nagyjából mindennek van valamilyen mikrobiomja, még akkor is, ha az a külsején él. Tudod, ki irányította kinek a fejlődését? Talán csak meg kellett küzdenünk azzal a ténnyel, hogy a beleinket megtelepedik a bogarak, és a legjobbat hoztuk ki belőle.
Ezért gondolom, hogy a szerzett anyagcsere tanulmányozása olyan lenyűgöző. Olyan organizmusokat tanulmányoz, amelyek ma ezeket a szerzeményeket végzik. Bepillantást nyerhet abba, hogyan kezelték ezt ökológiailag a múltban, mi volt a szelekciós nyomás és így tovább.
Úgy érzem, az elméleti ökológia mostanában robbanásszerűen fejlődik.
Szerintem most nagyon divatos.
Úgy gondolom, hogy az elmélet iránti növekvő érdeklődés egy része a rendelkezésünkre álló hatalmas mennyiségű információnak köszönhető. Ha adathalmazok vannak, akkor megértheti azt, ha egyesítő elméleteket dolgoz ki róla. A matematikai modellek pedig a probléma megközelítésének egyik módja. Azt hiszem, ezért van nagyobb érdeklődés a végzős hallgatóink körében ezek iránt a témák iránt, vagy az egyetemeken az elméleti ökológusok felvétele iránt. Valahogy így áll össze: Hatalmas adatokkal rendelkezünk. És készen is vagyunk.
