היא מוצאת מפתחות לאקולוגיה בתאים שגונבים מאחרים

הטבע, אדום בשיניים ובציפורניים, שופע אורגניזמים שאוכלים את שכניהם כדי להתקדם. אבל במערכות שנלמדו על ידי האקולוג התיאורטי הולי מולר, עוזר פרופסור לאקולוגיה, אבולוציה וביולוגיה ימית באוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, הנצרך הופך לחלק מהצרכן בדרכים מפתיעות.

מולר חוקר בעיקר פרוטיסטים, קטגוריה רחבה של מיקרואורגניזמים חד-תאיים כמו אמבות ופראמציה שאינם מתאימים לקטגוריות המקרוסקופיות המוכרות של בעלי חיים, צמחים ופטריות. מה שהכי מרתק אותה הוא היכולת של כמה פרוטיסטים לאסוף חלקים מהתאים שהם טורפים. חמושים עם חלקי הטרף שעדיין מתפקדים אלה, הפרוטיסטים יכולים להתרחב לבתי גידול חדשים ולשרוד היכן שלא יכלו קודם לכן.

הצפייה בהם מעניקה למולר מבט ייחודי על המבנה הבסיסי של מערכות אקולוגיות כיום ועל הכוחות האבולוציוניים שיצרו אותן. גניבת האברונים של הפרוטיסטים אולי נראית מוזרה, אבל המיטוכונדריה בתאים שלנו מסמנים אותנו כתוצרים של סוג קשור של רכישה מטבולית על ידי אבותינו הקדמונים.

"במובן הרחב, אלו שאלות לגבי מתי ואיך אורגניזמים מתמחים, וכיצד הם יכולים לשבור את ההתמחות הזו על ידי קבלת גישה למשהו חדש", אמרה. "בעיניי, העבודה הזו עוסקת בשאלות לגבי האופן שבו אורגניזמים מרחיבים את הנישה האקולוגית שלהם, כיצד רכישות אלו יכולות להיות קבועות, ומה זה אומר לגבי האופן שבו חילוף החומרים קופץ על קצות הענפים של עצי החיים."

Quanta שוחחה עם מולר בטלפון על הקריירה שלה, המחקר שלה על חילוף חומרים נרכש ואקולוגיה תיאורטית. הראיון תמצה ונערך למען הבהירות.

הפכת ידוע בחוגי האקולוגיה והאבולוציה בזכות עבודתך בנושא "חילוף חומרים נרכש". זה מונח שהמצאת?

לא בכוונה. לזה אני מתכוון בחלקים מחילוף החומרים שלך שאינם מקודדים בגנום שלך. אתה מקבל גישה אליהם בדרך כלשהי על ידי חיבור למין אחר.

זה כולל כמה צורות של סימביוזה, אבל זה יותר מזה. זה כולל גם דברים כמו רכישת כלורופלסטים, האברונים האוקריוטיים לפוטוסינתזה, מטרף שנבלע, ואפילו העברת גנים אופקית, שבה גן בודד או חבילה שלמה של גנים מטבוליים נלקח מאורגניזם אחד על ידי אחר.

הוכשרתי כאקולוג קהילתי, אז אני מאוד מתעניין בתפקידים שאורגניזמים ממלאים במערכות אקולוגיות וכיצד הנישות הללו מתרחבות ומתכווצות במהלך חייהם. המחקר של חילוף חומרים נרכש הרגיש כמו התאמה טבעית לזה, כי זה מאוד קשור לאופן שבו אורגניזמים יכולים להרחיב את הנישות שלהם.

האם מה שיש לבני אדם עם חיידקי המעיים שלנו חילוף חומרים נרכש?

אני חושב שזו דוגמה מצוינת. כל כך הרבה מהיכולת שלנו לאכול מקורות מזון מגוונים ולבצע את חילוף החומרים שלהם מסתכמת בחיידקים האלה. חלק מהוויטמינים והקו-פקטורים החשובים שאנו זקוקים להם, כמו ויטמין K, מיוצרים על ידי חיידקים שחיים בתוך המעיים שלנו. אנחנו מאוד סומכים על שותפויות אלה.

מה הוביל אותך לתחום המחקר הזה?

אתה יודע, חיידקים עוברים לעתים קרובות תהליך שנקרא "נפילה וריצה". הם עוקבים אחר רמז כימי כלשהו לעבר משאב, אבל כשהאות דולק, הם עוצרים, הם מסתובבים והם יוצאים לכיוון אקראי. אני חושב שזה נכון גם עבור מדענים רבים, כולל אותי. לעתים קרובות אנחנו עוקבים אחרי האף שלנו ורודף אחרי דברים שאנחנו מתלהבים מהם. ולפעמים זה מוביל אותנו למקומות לא צפויים.

היה לי מזל. שני ההורים שלי הוכשרו כמדענים, ולמרות שאף אחד מהם לא עבד כאחד כשגדלתי, ידעתי שמחקר הוא אופציה לקריירה. התמזל מזלי גם בהשכלתי לתואר ראשון באוניברסיטת רוטגרס, בכך שהיו לי פרופסורים שהתעניינו וחיברו אותי עם חבר סגל שעושה מחקר על חיידקים ימיים. המדען שעבדתי איתו לראשונה, פול פלקובסקי, יש אינטרסים אקלקטיים. אבל אחד הדברים שהוא חקר באותו זמן היה איך כלורופלסטים התפשטו סביב עץ החיים.

כאן התחיל העניין שלי בחילוף חומרים נרכש. מצאתי את זה לגמרי מרתק, הרעיון הזה שמשהו שלמדתי עליו בספרי לימוד כמאפיין של צמחים היה למעשה משהו שהם קיבלו לפני כמה מיליארדי שנים על ידי בליעת חיידק. ושזה קרה מספר פעמים. התחלתי לעבוד עם פול ו מאט ג'ונסון, שהיה הפוסט-דוקטורט שלו באותה תקופה, על אורגניזמים שגונבים כלורופלסטים היום ומה הם עשויים לספר לנו על התהליך האבולוציוני הזה.

אני אוהב את הרעיון שאורגניזם יכול להתחיל את חייו ללא כלורופלסט, ואז פשוט להרים אחד.

ימין? תארו לעצמכם אם היה לנו סלט לארוחת צהריים, ואז פתאום הידיים שלנו הופכות לירוקות! אני גר בדרום קליפורניה כרגע - יכולתי לטייל בין השיעורים ולקבל את כל האנרגיה שאני צריך. למרות שאני אוהב לאכול ארוחת צהריים, אז אני לא בטוח שבאמת אתענג על זה.

במקרים רבים, האורגניזמים האלה שמשיגים כלורופלסטים נהיים די מחויבים לעשות פוטוסינתזה. חלק מהמינים שאנחנו עובדים עליהם ימותו אם הם לא היו יכולים לעשות פוטוסינתזה, אז הם לא יכולים לשרוד אם הם לא מוצאים טרף לגנוב מהם כלורופלסטים. זו סקרנות אבולוציונית בעיני שהם גיבו את עצמם לפינה הזו.

האם המינים האלה חייבים להמשיך לגנוב כלורופלסטים כי הם מתפרקים בסופו של דבר?

באופן כללי, כן. עם זאת, השושלות גונבות הכלורופלסט משתנות במידת יכולתן לשמור על הכלורופלסט. בקבוצה זו של ריצות ימיות שאנו עובדים עליה נקראת מסודיניום, שושלות מסוימות לא גונבות כלורופלסטים בכלל. חלק גונבים אותם ומריצים אותם לאדמה ממש מהר. ואחרים גונבים אותם אבל גם גונבים גרעינים מתפקדים מהטרף שלהם, מה שאומר שהם יכולים ליצור יותר כלורופלסטים.

המטאפורה שאני אוהב היא שאלו שלא גונבים כלורופלסטים הם כמו הילד המתנהג היטב שמעולם לא גנב מכונית. אחרים גונבים את המכונית לטיול, מתנגשים בעץ ונוטשים אותו. אבל יש כאלה שגונבים את המכונית אבל גם את המדריך לבעלים, והם בונים חנות מכונאים כדי לטפל היטב ברכוש הגנוב.

יש את כל הספקטרום הזה, ומכיוון שהם קשורים קשר הדוק, אנחנו יכולים לשאול: מהם ההבדלים האבולוציוניים בין האורגניזמים הללו שהקלו על המעברים?

האם הם יורשים אי פעם כלורופלסטים מתאי האם שלהם? אם התאים מתחלקים כדי להתרבות, האם הכלורופלסטים לא עוברים גם כן?

חלק מהם כן. בשושלות מסוימות, כאשר התאים מתחלקים, הם מחלקים את הקצאת הכלורופלסט ביניהם. כדי לרענן ולחדש את הכלורופלסטים שלהם, הם צריכים לגנוב אותם באכילה.

אבל התאים ששומרים על הגרעין הגנוב - מדריך ההוראות הגנוב - יכולים לגרום לכלורופלסטים להתחלק יחד עם שאר התא. נראה שהגרעינים הם מה שהם עדיין צריכים לאכול עבורו. כשהם תופסים תא טרף, הם נתלים על הכלורופלסטים שלו, כי למה לא? אבל נראה שבאמת מה שחשוב הוא שהם קולטים גרעינים חדשים.

איך זה אפשרי עבור הריסיות לקבל אנרגיה מהמכונות הסלולריות של מישהו אחר?

זו שאלה ממש מעניינת. כאשר חלק מה מסודיניום ריסים אוכלים, הם מפשירים את רוב תא הטרף. מיקרוסקופיה אלקטרונית הראתה שהכלורופלסטים די שלמים, אבל הם גם עדיין בתוך קרום תאי השריד של הטרף. ואז לרסיס יש קרום משלו סביב כל זה, כי הריסת הדביקה את תא הטרף לתוך ואקוולה [שלפוחית ​​ממברנה] כשהיא בלעה אותו.

אנחנו באמת לא יודעים איך מולקולות נעות על פני מערכת רב-ממברנות זו. זה משהו שאנחנו מנסים לחפור בו עכשיו על ידי מעקב לאן חלבונים הולכים.

על איזו שאלה אבולוציונית העבודה הזו עוזרת לך לענות?

כאשר אנו מלמדים פוטוסינתזה בבית הספר, אנו מתמקדים בעיקר בצמחי האדמה, שאבותיהם קלטו כלורופלסטים לפני 2 מיליארד שנה, כאשר הם בייתו ציאנובקטריה חיים חופשיים כאנדוסימביונים.

אבל כשאנחנו מסתכלים על פיטופלנקטון באוקיינוס ​​ובמערכות מים מתוקים, התמונה הרבה יותר מסובכת. לעתים קרובות אנו מסתכלים על אורגניזמים שיש להם מה שנקרא כלורופלסט משני, כלומר מתישהו בהיסטוריה האבולוציונית שלהם, הם השיגו כלורופלסט ממשהו אחר. לפעמים אפילו רואים עדויות לכלורופלסטים שלישוניים, שבהם אורגניזמים מקבלים כלורופלסטים שנלקחו מתא שלישי כלשהו. אירועי האנדוזימביוזה המשנית והשלישונית הללו התרחשו, לדעתנו, לפחות חצי תריסר פעמים. וזה הוליד את המגוון העצום של פיטופלנקטון איקריוטי.

איך זה נראה להפוך ממשהו שהוא הטרוטרופי למשהו שהוא מאוד פוטוסינתטי? אילו שינויים אתה צריך לעשות בפיזיולוגיה שלך? איפה אפשר לשרוד? אילו שיפועים של ברירה טבעית צריכים להיות במקום? המחקר של מסודיניום נותן לנו תובנות לגבי איך המעבר הזה נראה.

האם חילוף חומרים נרכש עוזר לאורגניזמים להתקדם?

במאמר שפרסמנו מוקדם יותר השנה, הסתכלנו על אורגניזם שהופך לפוטוסינתטי על ידי אירוח של אצות אנדוסימביוטיות. זה גם חילוף חומרים נרכש וגם סימביוזה. אתה יכול לפתוח את ריסי המים המתוקים האלה שנקראים פרמציום בורסריה ולבודד את האצות, והאצות יחיו ויגדלו בשמחה בעצמן.

הפראמציות האלה הן כמו כתמים ירוקים ומטושטשים שמסתובבים בצלחת הפטרי. התחלנו לבדוק כיצד היכולות התחרותיות של האורגניזמים הללו תלויות בזמינות האור. אם הם מקבלים אנרגיה מאור השמש, אז ככל שיש יותר אור שמש, כך הם צריכים לקבל יותר אנרגיה לגדילה. חשבנו שזה ירחיב את היכולת שלהם להתחרות במינים אחרים.

היה לי סטודנט מוכשר להפליא לתואר ראשון, ורוניקה הסו, שבדק את הרעיון הזה. הייתה לנו חממה זו עם גדות של אורות וצלוחיות קטנות של תרבויות שגדלו ברמות אור שונות. כל יומיים, ורוניקה לקחה דגימות של התרבויות והכניסה טיפות קטנות מהן לצלחות פטרי. אחר כך היא ספרה את המספרים של סוגים שונים של ריצות בכל טיפה.

אבל אפילו בלי לעשות ספירה מדויקת, אתה יכול לראות בתוך מספר שבועות בלבד שכל הריסיות הלבנות השקופות הלא פוטוסינתטיות נעלמו, בעוד כל הפראמציה הירוקה הבהירה גדלה. יכולת לראות את התחרות מתרחשת לנגד עיניך.

ורוניקה הראתה שככל שהאור גדל, כך גדלה גם היכולת התחרותית של האורגניזם שרכש פוטוסינתזה על ידי אירוח האצות. ואז ספירת התאים אפשרה לנו לתפוס את הנתונים מאחורי התופעה הזו.

אז קבלת ספירת התאים הללו ובניית מודל מתמטי של מה שקורה היה חלק חשוב מזה?

כן, כשאנחנו מריצים את הניסויים האלה, יש הרבה ספירה. חברי לעבודה קרוליין טאקר אמר כשהיינו יחד בתיכון, "אתה יודע, אקולוגיה היא רק מדע הספירה." בזמנו, קצת התרעמתי על האמירה שלה, אבל היא לא טעתה.

יש בי חלק שתמיד יחשוב שאין תחליף לשבת עם האורגניזם הלימודי שלך ולהתאהב בו קצת במעבדה או בשטח. כשאתה יושב בחדר חשוך, בוהה דרך מיקרוסקופ, אתה מרגיש שאתה מרגיש את האישיות של המינים השונים האלה. חלק מהפראמציות הללו הן לבנים כסופים בצורת דמעה ושקופות מאוד מכיוון שאין להן אצות פוטוסינתטיות. כשהם בבקבוק חדש לגמרי עם הרבה משאבי חיידקים, הם קצת מתרוצצים לאט, אבל אז ככל שהניסוי נמשך, זה כאילו אתה יכול לראות אותם רעבים מול העיניים שלך והם מתחילים לשחות ממש מהר. ואתה יכול לעשות תצפיות שיובילו לאחר מכן לממצאים נוספים.

היכולת לשלב ניסויי מעבדה עם מודלים מתמטיים מאלצת אותי להיות ממש כנה ומפורשת לגבי מה שאני חושב שקורה. למה אנחנו מתכוונים ב"רכישה" של חילוף חומרים? אילו משאבים מקבל התא על ידי אירוח של פוטוסינתזה? איך בדיוק זה משפיע על היכולות התחרותיות שלו?

כעת יש לנו מודל שאנו מכירים מתאר כיצד חילוף חומרים נרכש יכול לשנות את היכולת התחרותית. ויש לכך השלכות לא רק על פוטוסינתזה נרכשת, אלא גם על רכישות אחרות של חילוף חומרים. הפרטים המדויקים שאנו מחברים לדגם עשויים להשתנות בהתאם למערכת. אבל יש לנו מסגרת להשתמש בה.

דיברנו על יתרונות תחרותיים שיכולים להגיע מחילוף חומרים נרכש. אבל האם יש חסרונות להשתלטות על חילוף החומרים של מישהו אחר?

בהחלט. יש תיאוריה שהמיטוכונדריה שלנו - אברון מטבולי נוסף שרכשנו באמצעות אנדוזימביוזה - הם הסיבה שאנו מזדקנים.

בגללם, אנחנו עוסקים בחילוף חומרים אירובי, משתמשים בחמצן כדי לשרוף פחמימות ומולקולות אחרות לאנרגיה. אבל החומרים התגובתיים שהמיטוכונדריה והכלורופלסטים מייצרים עשויים גם לחמצן ולפגוע ב-DNA של הגוף שלנו. אלה דברים מסוכנים לשים ליד החומר הגנטי שלך.

דבר אחד שאנו רואים לפעמים באורגניזמים האלה שגונבים כלורופלסטים הוא שיש להם הרבה מכונות נוגדי חמצון מגנים, שעוזר להם להתמודד עם נטילת כלורופלסט. שימוש בכלורופלסט יכול להפוך את זה למסוכן מאוד להיות בתאורה גבוהה. אתה יכול בעצם להישרף מהשמש. דבר אחד מגניב שהודגם על ידי סוזן שטרום, מדען במדינת וושינגטון באוניברסיטת וושינגטון המערבית, הוא שכאשר אורגניזמים אוכלים תאים עם כלורופלסטים, הם נוטים לעכל אותם מהר יותר כאשר יש יותר אור זמין. זה יכול להיות בגלל שאור עוזר לך לפרק את הכלורופלסט. אבל יכול להיות גם שהאורגניזם הזה חושב: "אני משחק באש כאן; אני חייב להיפטר מזה."

אז זה מעלה שאלות מעניינות לגבי סוגי הסביבות שהאורגניזמים האלה אולי חיו כשהם התחילו להיתלות בכלורופלסטים. אני חושד שזו הייתה כנראה סביבה עם אור נמוך, כי אם העיכול שלך תלוי באור, אור נמוך יותר יאט אותו וגם יפחית את הנזק שהכלורופלסטים עלולים לעשות. אתה יכול לנהל את זה קצת יותר. ו מסודיניום הוא בהחלט מין בעל תאורה נמוכה. אבל זה מאוד אנקדוטי. אנחנו צריכים עוד הרבה ראיות. אבל כמובן שיש גם דברים ששומרים על כלורופלסטים שחיים גם בסביבה מוארת.

שמתי לב בטוויטר שלך שאתה עושה הרבה ספירת שורשי עצים. מה זה קשור לעבודה האחרת הזו?

אחד הדברים שאני אוהב בלהיות אקולוג תיאורטי הוא שאני יכול להתעסק בהרבה מערכות שונות.

זה עוד היבט של חילוף חומרים נרכש שאנחנו עובדים עליו. אז דיברנו על גניבת מכונות מטבוליות מאורגניזם אחר. אבל יש גם הדדיות מטבולית - רכישת חילוף חומרים באמצעות שותפות אינטימית באמת בין שני אורגניזמים. העסק של עצים, כפי שכולנו יודעים, הוא פוטוסינתזה. אבל כדי לבצע פוטוסינתזה, עצים זקוקים לחומרי הזנה ומים מהאדמה. ומסתבר, במיוחד במערכות אקולוגיות ממוזגות, שהם מקבלים גישה למשאבים הללו על ידי שיתוף פעולה עם פטריות, פטריות אקטומיקוריזליות. אלו פטריות שחיות בעיקר מתחת לאדמה, למרות שלפעמים הן עולות פטריות ממש טעימות, ולפעמים גם רעילות. הפטריות נמצאות בשותפות עם העצים. הפטריות מצטיינות בקצירת חומרי הזנה מהאדמה, והעצים מספקים סוכר מהפוטוסינתזה, כדי שיוכלו לתמוך זה בזה.

הדדיות מטבולית זו עוזרת לעצים לשרוד בכל מיני תנאים סביבתיים שונים ולהרחיב את הנישה האקולוגית שלהם. עץ יכול לשתף פעולה עם פטריות מסוימות שטובות לסביבה אחת, ועם פטריות שונות בסביבה אחרת. אנו חושבים שזה מאפשר לעצים להתפרנס במגוון רחב יותר של תנאים סביבתיים מאשר אילו היו בעצמם.

יש כל כך הרבה דיבורים על המיקרוביום, אבל אנחנו שוכחים שזה בטח היה ממש קשה להפעיל את כל היחסים האלה עם חיידקים בהתחלה.

כן, לגמרי. ככל שאנו משיגים נתונים סביבתיים טובים יותר מרצף, אנו רואים שבעצם לכל דבר יש סוג של מיקרוביום, גם אם הוא חי בחוץ. מי שלט בהתפתחות של מי, אתה יודע? אולי פשוט היינו צריכים להתמודד עם העובדה שהקרביים שלנו הולכים להתיישב על ידי חרקים והפקנו את המיטב.

לכן אני חושב שהמחקר של חילוף חומרים נרכש הוא כל כך מרתק. אתה חוקר אורגניזמים שמבצעים את הרכישות האלה היום. אתה מקבל קצת תובנות לגבי איך הם התמודדו עם זה מבחינה אקולוגית בעבר, מה היו לחצי הבחירה וכן הלאה.

אני מרגיש שהאקולוגיה התיאורטית מתפוצצת לאחרונה.

אני חושב שזה מאוד באופנה עכשיו.

אני חושב שחלק מהעניין הגובר בתיאוריה נובע מכמות המידע העצומה שיש לנו עכשיו. כאשר יש לך ערימות על ערימות של נתונים, אתה מבין את זה על ידי פיתוח כמה תיאוריות מאחדות לגבי זה. ומודלים מתמטיים הם אחת הדרכים לגשת לבעיה הזו. אני חושב שבגלל זה יש יותר עניין בקרב הסטודנטים לתארים מתקדמים שלנו בנושאים אלו, או עניין באוניברסיטאות בגיוס אקולוגים תיאורטיים. זה קצת מסתכם ב: יש לנו נתונים מסיביים. ואנחנו מוכנים.