Pengantar
Alam, gigi dan cakar merah, penuh dengan organisme yang memakan tetangganya untuk maju. Tetapi dalam sistem yang dipelajari oleh ahli ekologi teoretis Holly Moeller, asisten profesor ekologi, evolusi, dan biologi kelautan di University of California, Santa Barbara, yang dikonsumsi menjadi bagian dari konsumen dengan cara yang mengejutkan.
Moeller terutama mempelajari protista, kategori luas mikroorganisme uniseluler seperti amuba dan paramecia yang tidak sesuai dengan kategori makroskopis hewan, tumbuhan, dan jamur yang sudah dikenal. Yang paling membuatnya terpesona adalah kemampuan beberapa protista untuk mengkooptasi bagian sel yang mereka mangsa. Berbekal potongan-potongan mangsa yang masih berfungsi ini, protista dapat berkembang ke habitat baru dan bertahan hidup di tempat yang sebelumnya tidak bisa mereka lakukan.
Mengamati mereka memberi Moeller pandangan yang berbeda tentang struktur yang mendasari ekosistem saat ini dan kekuatan evolusioner yang membuatnya. Pencurian organel oleh protista mungkin tampak aneh, tetapi mitokondria dalam sel kita sendiri menandai kita sebagai produk dari jenis akuisisi metabolik terkait oleh nenek moyang kuno kita.
“Dalam arti luas, ini adalah pertanyaan tentang kapan dan bagaimana organisme berspesialisasi, dan bagaimana mereka dapat mematahkan spesialisasi itu dengan mendapatkan akses ke sesuatu yang baru,” katanya. “Bagi saya, karya ini menjawab pertanyaan tentang bagaimana organisme memperluas ceruk ekologisnya, bagaimana akuisisi itu bisa permanen, dan apa artinya tentang bagaimana metabolisme melompati ujung cabang pohon kehidupan.”
Quanta berbicara dengan Moeller melalui telepon tentang kariernya, penelitiannya tentang metabolisme yang diperoleh, dan ekologi teoretis. Wawancara telah diringkas dan diedit untuk kejelasan.
Anda telah menjadi terkenal di kalangan ekologi dan evolusi untuk pekerjaan Anda pada "metabolisme yang diperoleh." Apakah itu istilah yang Anda buat?
Tidak sengaja. Itu yang saya maksud dengan bagian metabolisme Anda yang tidak dikodekan dalam genom Anda sendiri. Anda mendapatkan akses ke mereka dengan cara bergaul dengan spesies lain.
Itu mencakup beberapa bentuk simbiosis, tapi lebih dari itu. Ini juga mencakup hal-hal seperti perolehan kloroplas, organel eukariotik untuk fotosintesis, dari mangsa yang tertelan, dan bahkan transfer gen horizontal, di mana satu gen atau seluruh paket gen metabolik dipetik dari satu organisme oleh organisme lain.
Saya dilatih sebagai ahli ekologi komunitas, jadi saya sangat tertarik dengan peran yang dimainkan organisme dalam ekosistem dan bagaimana relung itu berkembang dan berkontraksi dalam masa hidup mereka. Studi tentang metabolisme yang didapat terasa cocok secara alami dengan itu, karena ini sangat banyak tentang bagaimana organisme dapat memperluas ceruk mereka.
Apakah yang dimiliki manusia dengan bakteri usus kita memperoleh metabolisme?
Saya pikir itu contoh yang bagus. Begitu banyak kemampuan kita untuk memakan berbagai sumber makanan dan memetabolisme mereka berasal dari bakteri tersebut. Beberapa vitamin dan kofaktor penting yang kita butuhkan, seperti vitamin K, diproduksi oleh mikroba yang hidup di dalam usus kita. Kami sangat bergantung pada kemitraan ini.
Apa yang membawa Anda ke jalur penelitian ini?
Tahukah Anda, bakteri sering kali bergerak melalui proses yang disebut "jatuh dan berlari". Mereka mengikuti beberapa isyarat kimia menuju sumber daya, tetapi ketika sinyal mereda, mereka berhenti, berputar, dan pergi ke arah yang acak. Saya pikir ini juga berlaku untuk banyak ilmuwan, termasuk saya. Kita sering mengikuti hidung kita dan mengejar hal-hal yang membuat kita bersemangat. Dan terkadang itu membawa kita ke tempat-tempat yang tidak terduga.
Pengantar
Saya beruntung. Kedua orang tua saya dilatih sebagai ilmuwan, dan meskipun tidak satu pun dari mereka bekerja sebagai ilmuwan saat saya tumbuh dewasa, saya tahu bahwa penelitian adalah pilihan karier. Saya juga sangat beruntung dalam pendidikan sarjana saya di Universitas Rutgers, karena saya memiliki profesor yang tertarik dan menghubungkan saya dengan seorang anggota fakultas yang melakukan penelitian tentang mikroba laut. Ilmuwan yang pertama kali bekerja dengan saya, Paul Falkowski, memiliki minat eklektik. Tapi salah satu hal yang dia pelajari saat itu adalah bagaimana kloroplas tersebar di sekitar pohon kehidupan.
Di sinilah minat saya pada metabolisme yang didapat dimulai. Saya merasa sangat menarik, gagasan bahwa sesuatu yang saya pelajari di buku teks sebagai fitur tumbuhan sebenarnya adalah sesuatu yang mereka dapatkan beberapa miliar tahun yang lalu dengan menelan bakteri. Dan bahwa ini telah terjadi berkali-kali. Saya mulai bekerja dengan Paul dan Matt Johnson, yang merupakan pascadoktoralnya saat itu, tentang organisme yang mencuri kloroplas hari ini dan apa yang mungkin mereka ceritakan kepada kita tentang proses evolusi ini.
Saya menyukai gagasan bahwa suatu organisme dapat memulai hidup tanpa kloroplas, dan kemudian mengambilnya saja.
Benar? Bayangkan jika kita makan salad untuk makan siang, lalu tiba-tiba lengan kita menjadi hijau! Saya tinggal di California Selatan sekarang - saya bisa berjalan-jalan di antara kelas dan mendapatkan semua energi yang saya butuhkan. Meskipun saya suka makan siang, jadi saya tidak yakin saya akan benar-benar menyukainya.
Dalam banyak kasus, organisme yang memperoleh kloroplas ini menjadi sangat terikat untuk melakukan fotosintesis. Beberapa spesies yang kami kerjakan akan mati jika mereka tidak dapat berfotosintesis, sehingga mereka tidak dapat bertahan hidup jika mereka tidak dapat menemukan mangsa untuk mencuri kloroplasnya. Ini adalah keingintahuan evolusioner bagi saya bahwa mereka mundur ke sudut ini.
Apakah spesies ini harus terus mencuri kloroplas karena akhirnya rusak?
Secara umum, ya. Namun, garis keturunan pencuri kloroplas ini bervariasi dalam seberapa baik mereka mempertahankan kloroplas. Dalam kelompok ciliata laut yang kami kerjakan ini disebut Mesodinium, beberapa garis keturunan sama sekali tidak mencuri kloroplas. Beberapa mencurinya dan menjatuhkannya ke tanah dengan sangat cepat. Dan yang lain mencurinya tetapi juga mencuri inti fungsional dari mangsanya, yang berarti mereka dapat membuat lebih banyak kloroplas.
Metafora yang saya suka adalah orang yang tidak mencuri kloroplas seperti anak berperilaku baik yang tidak pernah mencuri mobil. Yang lain mencuri mobil untuk bersenang-senang, menabrak pohon dan meninggalkannya. Tetapi ada beberapa yang mencuri mobil itu tetapi juga manual pemiliknya, dan mereka membangun bengkel mekanik untuk merawat barang curian itu dengan baik.
Ada seluruh spektrum ini, dan karena mereka terkait erat, kita dapat bertanya: Apa perbedaan evolusi antara organisme yang memfasilitasi transisi ini?
Apakah mereka pernah mewarisi kloroplas dari sel induknya? Jika sel membelah untuk bereproduksi, bukankah kloroplas juga diturunkan?
Beberapa dari mereka melakukannya. Dalam beberapa garis keturunan, ketika sel membelah, mereka membagi jatah kloroplas di antara mereka. Untuk menyegarkan dan mengisi kembali kloroplasnya, mereka perlu mencurinya dengan makan.
Tetapi sel-sel yang menyimpan nukleus yang dicuri – instruksi manual yang dicuri – dapat membuat kloroplas membelah bersama dengan bagian sel lainnya. Nuklei tampaknya masih perlu mereka makan. Ketika mereka menangkap sel mangsa, mereka bergantung pada kloroplasnya, karena mengapa tidak? Tapi sepertinya yang paling penting adalah mereka mengambil inti baru.
Pengantar
Bagaimana mungkin ciliate mendapatkan energi dari mesin seluler orang lain?
Itu pertanyaan yang sangat menarik. Ketika beberapa dari Mesodinium ciliata makan, mereka melepaskan sebagian besar sel mangsanya. Mikroskop elektron telah menunjukkan bahwa kloroplas cukup utuh, tetapi mereka juga masih berada di dalam membran sel peninggalan mangsanya. Dan kemudian ciliate memiliki membrannya sendiri di sekelilingnya, karena ciliate memasukkan sel mangsanya ke dalam vakuola [vesikel membran] ketika menelannya.
Kami benar-benar tidak tahu bagaimana molekul bergerak melintasi sistem multi-membran ini. Itu adalah sesuatu yang kami coba gali sekarang dengan mengikuti ke mana protein pergi.
Pertanyaan evolusi apa yang dibantu oleh karya ini untuk Anda jawab?
Ketika kita mengajarkan fotosintesis di sekolah, kita sebagian besar fokus pada tumbuhan darat, yang nenek moyangnya mengambil kloroplas 2 miliar tahun yang lalu, ketika mereka memelihara cyanobacteria yang hidup bebas sebagai endosimbion.
Tapi ketika kita melihat fitoplankton di lautan dan sistem air tawar, gambarannya jauh lebih rumit. Kita sering melihat organisme yang memiliki apa yang disebut kloroplas sekunder, yang berarti bahwa kadang-kadang dalam sejarah evolusinya, mereka memperoleh kloroplas dari sesuatu yang lain. Kadang-kadang Anda bahkan melihat bukti kloroplas tersier, di mana organisme mendapatkan kloroplas yang diambil dari sel ketiga. Peristiwa endosimbiosis sekunder dan tersier ini telah terjadi, menurut kami, setidaknya setengah lusin kali. Dan itu memunculkan keanekaragaman fitoplankton eukariotik yang sangat besar.
Seperti apa rasanya berubah dari sesuatu yang heterotrofik menjadi sesuatu yang sangat berfotosintesis? Perubahan apa yang harus Anda lakukan dalam fisiologi Anda? Di mana Anda bisa bertahan? Gradien seleksi alam apa yang harus ada? Studi tentang Mesodinium memberi kita wawasan tentang seperti apa transisi itu.
Apakah metabolisme yang didapat membantu organisme maju?
Dalam makalah yang kami terbitkan awal tahun ini, kami melihat organisme yang menjadi fotosintesis dengan menampung alga endosimbiotik. Ini adalah metabolisme yang didapat dan simbiosis. Anda bisa membuka ciliate air tawar yang disebut ini bursa paramecium dan mengisolasi ganggang, dan ganggang akan dengan senang hati hidup dan tumbuh sendiri.
Paramecia ini seperti gumpalan hijau kabur kecil yang berputar-putar di cawan petri. Kami mulai melihat bagaimana kemampuan kompetitif organisme ini bergantung pada ketersediaan cahaya. Jika mereka mendapatkan energi dari sinar matahari, maka semakin banyak sinar matahari, semakin banyak energi yang mereka dapatkan untuk tumbuh. Kami pikir itu akan memperluas kemampuan mereka untuk bersaing dengan spesies lain.
Saya memiliki seorang mahasiswa sarjana yang sangat berbakat, Veronica Hsu, yang menguji gagasan itu. Kami memiliki inkubator ini dengan kumpulan lampu dan labu kecil berisi kultur yang tumbuh pada tingkat cahaya yang berbeda. Setiap dua hari, Veronica mengambil sampel kultur dan memasukkannya ke dalam cawan petri. Kemudian dia menghitung jumlah berbagai jenis ciliate di setiap tetesan.
Pengantar
Tetapi bahkan tanpa melakukan penghitungan yang tepat, Anda dapat melihat hanya dalam beberapa minggu bahwa semua ciliate non-fotosintetik tembus putih menghilang, sementara semua paramecia hijau cerah meningkat. Anda bisa melihat kompetisi bermain di depan mata Anda.
Veronica menunjukkan bahwa ketika cahaya meningkat, demikian pula kemampuan bersaing dari organisme yang memperoleh fotosintesis dengan menampung ganggang. Dan kemudian menghitung sel memungkinkan kami untuk memahami data di balik fenomena ini.
Jadi mendapatkan jumlah sel ini dan membuat model matematis tentang apa yang terjadi adalah bagian penting dari ini?
Ya, saat kami menjalankan eksperimen ini, ada banyak penghitungan. Kolega saya Caroline Tucker berkata ketika kami sama-sama di sekolah pascasarjana, "Kamu tahu, ekologi hanyalah ilmu berhitung." Pada saat itu, saya agak kesal dengan pernyataannya, tetapi dia tidak salah.
Ada bagian dari diri saya yang akan selalu berpikir tidak ada pengganti untuk duduk dengan organisme belajar Anda dan sedikit jatuh cinta padanya di lab atau di lapangan. Duduk di ruangan gelap, menatap melalui mikroskop, Anda merasa seperti merasakan kepribadian dari spesies yang berbeda ini. Beberapa dari paramecia ini berwarna putih keperakan dan berbentuk tetesan air mata dan sangat tembus pandang karena tidak memiliki alga fotosintesis. Ketika mereka berada di dalam tabung baru dengan banyak sumber bakteri, mereka berjalan lambat, tetapi saat percobaan berlangsung, sepertinya Anda bisa melihat mereka lapar di depan mata Anda dan mereka mulai berenang dengan sangat cepat. Dan Anda dapat melakukan pengamatan yang kemudian mengarah pada temuan tambahan.
Mampu menggabungkan eksperimen laboratorium dengan model matematika memaksa saya untuk benar-benar jujur dan eksplisit tentang apa yang menurut saya sedang terjadi. Apa yang kita maksud dengan "akuisisi" metabolisme? Sumber daya apa yang diperoleh sel dengan menampung fotosintesis? Bagaimana tepatnya hal itu memengaruhi kemampuan kompetitifnya?
Sekarang kami memiliki model yang kami tahu menggambarkan bagaimana metabolisme yang diperoleh dapat mengubah kemampuan bersaing. Dan itu memiliki implikasi tidak hanya untuk fotosintesis yang diperoleh, tetapi juga untuk perolehan metabolisme lainnya. Detail persis yang kami masukkan ke model dapat berubah tergantung pada sistem. Tapi kami memiliki kerangka kerja untuk digunakan.
Kami berbicara tentang keunggulan kompetitif yang dapat berasal dari metabolisme yang didapat. Tetapi apakah ada kerugian untuk mengambil alih metabolisme orang lain?
Tentu saja. Ada teori bahwa mitokondria kita - organel metabolik lain yang kita peroleh melalui endosimbiosis - adalah alasan kita menua.
Karena mereka, kita terlibat dalam metabolisme aerobik, menggunakan oksigen untuk membakar karbohidrat dan molekul lain untuk energi. Tetapi agen reaktif yang dihasilkan mitokondria dan kloroplas mungkin juga mengoksidasi dan menurunkan DNA tubuh kita. Ini adalah hal-hal berbahaya untuk diletakkan di samping materi genetik Anda.
Satu hal yang kadang-kadang kita lihat pada organisme yang mencuri kloroplas ini adalah bahwa mereka memiliki banyak mesin antioksidan pelindung, yang membantu mereka mengatasi pengambilan kloroplas. Memiliki kloroplas dapat membuatnya sangat berbahaya berada di tempat dengan cahaya tinggi. Anda pada dasarnya bisa terbakar sinar matahari. Satu hal keren yang ditunjukkan oleh Suzanne Strom, seorang ilmuwan di Washington State di Western Washington University, adalah bahwa ketika organisme memakan sel dengan kloroplas, mereka cenderung mencernanya lebih cepat ketika ada lebih banyak cahaya yang tersedia. Bisa jadi karena cahaya membantu Anda memecah kloroplas. Tapi bisa juga organisme ini berpikir, “Saya bermain api di sini; Saya harus menyingkirkannya.”
Pengantar
Jadi ini menimbulkan pertanyaan menarik tentang jenis lingkungan yang mungkin ditinggali organisme ini saat pertama kali mulai bergantung pada kloroplas. Saya menduga itu mungkin lingkungan dengan cahaya rendah karena jika pencernaan Anda bergantung pada cahaya, cahaya rendah akan memperlambatnya dan juga mengurangi kerusakan yang mungkin dilakukan kloroplas. Anda dapat mengelolanya sedikit lebih banyak. Dan Mesodinium tentu saja spesies cahaya rendah. Tapi itu sangat anekdot. Kami membutuhkan lebih banyak bukti. Tapi tentu saja ada juga yang mempertahankan kloroplas yang hidup di lingkungan dengan cahaya tinggi juga.
Saya perhatikan di Twitter Anda bahwa Anda melakukan banyak penghitungan akar pohon. Apa hubungannya dengan pekerjaan lain ini?
Salah satu hal yang saya sukai dari menjadi ahli ekologi teoretis adalah saya dapat mencoba-coba banyak sistem yang berbeda.
Itulah aspek lain dari metabolisme yang didapat yang kami kerjakan. Jadi kita telah membicarakan tentang mencuri mesin metabolisme dari organisme lain. Tapi ada juga mutualisme metabolik - perolehan metabolisme melalui kemitraan yang sangat intim antara dua organisme. Bisnis pohon, seperti yang kita semua tahu, adalah fotosintesis. Tetapi untuk berfotosintesis, pohon membutuhkan nutrisi dan air dari tanah. Dan ternyata, terutama di ekosistem beriklim sedang, mereka mendapatkan akses ke sumber daya ini dengan bermitra dengan jamur, jamur ektomikoriza. Ini adalah jamur yang sebagian besar hidup di bawah tanah, meskipun terkadang mereka menghasilkan jamur yang sangat enak, dan terkadang juga jamur beracun. Jamur bermitra dengan pepohonan. Jamur unggul dalam memanen nutrisi dari tanah, dan pohon menyediakan gula dari fotosintesis, sehingga dapat saling mendukung.
Mutualisme metabolik ini membantu pohon untuk bertahan hidup di semua jenis kondisi lingkungan yang berbeda dan memperluas ceruk ekologisnya. Sebuah pohon dapat bermitra dengan jamur tertentu yang baik untuk satu lingkungan, dan dengan jamur yang berbeda di lingkungan yang berbeda. Kami berpikir bahwa hal ini memungkinkan pohon untuk mencari nafkah di berbagai kondisi lingkungan yang lebih beragam daripada jika mereka hidup sendiri.
Ada begitu banyak pembicaraan tentang microbiome, tetapi kita lupa bahwa pasti sangat sulit untuk memulai semua hubungan dengan mikroba itu.
Ya, benar-benar. Saat kami mendapatkan data lingkungan yang lebih baik dari pengurutan, kami melihat bahwa hampir semua hal memiliki semacam mikrobioma, meskipun ia hidup di luarnya. Siapa yang mengendalikan evolusi siapa, Anda tahu? Mungkin kami hanya harus menghadapi kenyataan bahwa nyali kami akan dijajah oleh serangga dan kami memanfaatkannya sebaik mungkin.
Itulah mengapa menurut saya studi tentang metabolisme yang didapat sangat menarik. Anda sedang mempelajari organisme yang melakukan akuisisi ini hari ini. Anda mendapatkan beberapa wawasan tentang bagaimana mereka menanganinya secara ekologis di masa lalu, apa tekanan seleksi dan sebagainya.
Saya merasa ekologi teoretis sedang meledak akhir-akhir ini.
Saya pikir itu sangat populer sekarang.
Saya pikir sebagian dari minat yang meningkat pada teori berasal dari banyaknya informasi yang kita miliki sekarang. Ketika Anda memiliki tumpukan dan tumpukan data, Anda memahaminya dengan mengembangkan beberapa teori pemersatu tentangnya. Dan model matematika adalah salah satu cara untuk mendekati masalah itu. Saya pikir itu sebabnya ada lebih banyak minat di antara mahasiswa pascasarjana kami dalam topik ini, atau minat di universitas dalam mempekerjakan ahli ekologi teoretis. Intinya adalah: Kami memiliki data yang sangat besar. Dan kami siap.
