概要
歯と爪が赤い自然には、前進するために隣人を食べる生物がたくさんいます。 しかし、理論生態学者によって研究されたシステムでは ホリー・モーラーカリフォルニア大学サンタバーバラ校で生態学、進化論、海洋生物学の助教授を務める彼は、消費者が驚くべき方法で消費者の一部になることを発見しました。
Moeller は主に原生生物を研究しています。原生生物は、アメーバやゾウリムシのような単細胞微生物の広いカテゴリーであり、動物、植物、菌類というよく知られている巨視的なカテゴリーには当てはまりません。 彼女を最も魅了するのは、一部の原生生物が捕食する細胞の一部を取り込む能力です。 これらのまだ機能している獲物の断片で武装することで、原生生物は新しい生息地に拡大し、以前はできなかった場所で生き残ることができます.
それらを観察することで、Moeller は今日の生態系の根底にある構造と、それらを作った進化の力について独特の見解を得ることができます。 原生生物によるオルガネラの盗みは奇妙に思えるかもしれませんが、私たち自身の細胞内のミトコンドリアは、古代の祖先による関連する種類の代謝獲得の産物であることを私たちに示しています.
「最も広い意味で、これらは生物がいつ、どのように専門化するか、そして何か新しいものにアクセスすることでその専門化をどのように打破できるかについての問題です」と彼女は言いました. 「私にとって、この研究は、生物が生態学的ニッチをどのように拡大するか、それらの獲得がどのように永続的になり得るか、そして新陳代謝が生命の木の枝の先端を飛び越える方法について何を意味するかについての質問に取り組んでいます。」
クアンタ 彼女のキャリア、後天性代謝および理論的生態学に関する彼女の研究について、Moeller と電話で話しました。 インタビューは、明確にするために要約および編集されています。
あなたは「獲得代謝」に関する研究で、生態学と進化の分野でよく知られるようになりました。 それはあなたが思いついた用語ですか？
意図的ではありません。 それは、自分自身のゲノムにコード化されていない代謝の部分のことです。 別の種と交際することで、何らかの方法でそれらにアクセスできます。
これにはいくつかの形態の共生が含まれますが、それだけではありません。 また、摂取された獲物からの葉緑体、光合成のための真核生物の細胞小器官の獲得、さらには遺伝子の水平伝達、単一の遺伝子または代謝遺伝子のパッケージ全体がある生物から別の生物から引き抜かれることなども含まれます。
私は地域生態学者としての訓練を受けているので、生物が生態系で果たす役割と、それらのニッチが生涯にわたってどのように拡大および縮小するかに非常に興味があります。 後天性代謝の研究は、生物がそのニッチをどのように拡大できるかについて非常に重要であるため、それに自然に適合するように感じました.
人間が持っているものは、腸内細菌が代謝を獲得したものですか?
いい例だと思います。 多様な食物源を食べ、それらを代謝する私たちの能力の多くは、それらのバクテリアにかかっています. ビタミンKなど、私たちが必要とする重要なビタミンや補因子のいくつかは、腸内に住む微生物によって製造されます. 私たちはこれらのパートナーシップに大きく依存しています。
この一連の研究にあなたを導いたのは何ですか?
ご存知のように、バクテリアはしばしば「タンブリング アンド ランニング」と呼ばれるプロセスを経て移動します。 それらは資源に向かって何らかの化学的手がかりに従いますが、信号が弱まると停止し、スピンしてランダムな方向に進みます. これは、私を含む多くの科学者にも当てはまると思います。 私たちはしばしば自分の鼻をたどり、興奮するものを追いかけています。 そして時には思いがけない場所に連れて行ってくれます。
概要
私は運が良かった。 私の両親はどちらも科学者としての訓練を受けており、私が成長している間はどちらも科学者として働いていませんでしたが、研究がキャリアの選択肢であることは知っていました. また、ラトガース大学での学部教育では非常に幸運でした。興味を持ってくれ、海洋微生物の研究をしている教員と私を結びつけてくれた教授がいました。 私が最初に一緒に働いた科学者は、 ポール・ファルコウスキー、折衷的な興味を持っています。 しかし、彼が当時研究していたことの XNUMX つは、葉緑体が生命の木の周りにどのように広がったかということでした。
これが、後天性代謝に対する私の興味の始まりです。 植物の特徴として教科書で学んだこの考えは、実際には数十億年前にバクテリアを摂取することによって得られたものであるという考えは、非常に興味深いものでした。 そして、これが何度も起こったこと。 私はポールと仕事を始め、 マット·ジョンソン当時彼のポスドクだった彼は、今日葉緑体を盗む生物と、それらがこの進化過程について私たちに何を教えてくれるかについて.
私は、生命体が葉緑体なしで生命を開始し、その後葉緑体を拾うことができるという考えが大好きです.
右？ 昼食にサラダを食べていたら、突然腕が緑に変わったと想像してみてください。 私は現在、南カリフォルニアに住んでいます。授業の合間に散歩をして、必要なエネルギーをすべて得ることができました。 私は昼食を食べるのが好きなので、本当にそれを楽しむかどうかはわかりません.
多くの場合、葉緑体を取得するこれらの生物は、光合成を行うことに完全に拘束されます. 私たちが取り組んでいる種の中には、光合成ができなければ死んでしまうものもあり、葉緑体を盗む獲物を見つけられなければ生き残れません。 彼らがこのコーナーに身を置いたのは、私にとって進化上の好奇心です。
これらの種は最終的に分解するので、葉緑体を盗み続ける必要がありますか?
一般的に、はい。 ただし、これらの葉緑体を盗む系統は、葉緑体を維持する能力が異なります。 私たちが取り組んでいる海洋繊毛虫のこのグループでは、 メソディニウム、葉緑体をまったく盗まない系統もあります。 それらを盗み、非常に速く地面に打ち込む人もいます。 他の人はそれらを盗みますが、獲物から機能的な核も盗みます。つまり、より多くの葉緑体を作ることができます.
私が好きな比喩は、葉緑体を盗まない人は、車を盗んだことのない行儀の良い子供のようなものだというものです. 他の人は、遊びのために車を盗み、木に衝突させて放棄します。 しかし、車だけでなく取扱説明書も盗み、盗まれた財産を大切にするために整備士の店を建てる者もいます。
この全範囲があり、それらは密接に関連しているため、私たちは尋ねることができます:移行を促進したこれらの生物間の進化上の違いは何ですか?
親細胞から葉緑体を受け継ぐことはありますか? 細胞が分裂して再生する場合、葉緑体も受け継がれるのではないですか?
それらのいくつかはそうします。 一部の系統では、細胞が分裂するときに、それらの間の葉緑体の割り当てが分割されます。 葉緑体をリフレッシュして補充するために、彼らは食べることによってそれらを盗む必要があります.
しかし、盗まれた核 (盗まれた取扱説明書) を保持している細胞は、葉緑体を細胞の残りの部分と一緒に分裂させることができます。 核は、彼らがまだ食べる必要があるもののようです. 彼らが獲物の細胞を捕まえると、その葉緑体にしがみつきます。 しかし、本当に重要なことは、彼らが新しい核を拾うということのようです.
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繊毛虫が他人の細胞機構からエネルギーを得ることができるのはどうしてですか?
とても興味深い質問です。 いくつかの メソディニウム 繊毛虫は食べると、獲物の細胞のほとんどを剥ぎ取ります。 電子顕微鏡は、葉緑体がかなり無傷であることを示していますが、それらはまだ獲物の遺物の細胞膜の内側にもあります. そして、繊毛虫はその周りに独自の膜を持っています。これは、繊毛虫が獲物細胞を摂取したときに液胞[膜小胞]に突き刺さるためです.
分子がこの多層膜システムをどのように移動しているかは本当にわかっていません。 それは、タンパク質がどこに向かっているのかをたどることによって、私たちが今掘り下げようとしているものです.
この研究は、あなたが答えるのに役立つ進化上のどのような質問ですか?
学校で光合成を教えるとき、主に陸上植物に焦点を当てます。その祖先は、2 億年前に自由生活性シアノバクテリアを内部共生生物として栽培化したときに葉緑体を獲得しました。
しかし、海洋や淡水系の植物プランクトンを見ると、状況はさらに複雑になります。 私たちはしばしば、二次葉緑体と呼ばれるものを持つ生物を見てきました。これは、進化の歴史のある時点で、葉緑体を別のものから取得したことを意味します. 時には、生物が何らかの第 XNUMX の細胞から採取された葉緑体を取得している、第 XNUMX 葉緑体の証拠さえ見ることがあります。 これらの二次および三次内部共生イベントは、少なくとも半ダース回発生したと考えられます。 そしてそれが、真核生物の植物プランクトンの巨大な多様性を生み出しました。
従属栄養的なものから高度に光合成的なものへと変化するとは、どのようなものでしょうか? 生理機能にどのような変更を加える必要がありますか? どこで生き残ることができますか？ どのような自然選択勾配が整っていなければなりませんか? の研究 メソディニウム その移行がどのように見えたかについての洞察を私たちに与えてくれます。
後天的代謝は生物が前進するのに役立ちますか?
今年初めに発表した論文では、内部共生藻類をホストすることで光合成を行う生物に注目しました。 それは後天的代謝と共生の両方です。 と呼ばれるこれらの淡水繊毛虫を開くことができます ミドリゾウリムシ 藻類を分離すると、藻類は幸せに生きて、自分で成長します。
これらのゾウリムシは、ペトリ皿の中でぐるぐる回る小さなぼんやりとした緑色の塊のようなものです。 私たちは、これらの生物の競争力が光の利用可能性にどのように依存しているかを調べ始めました。 日光からエネルギーを得ている場合、日光が多ければ多いほど、成長するためにより多くのエネルギーを得る必要があります。 私たちは、それが他の種と競争する能力にまで及ぶと考えました.
私には信じられないほど才能のある学部生がいました。 ベロニカ・スー、そのアイデアをテストしました。 このインキュベーターには、光の列と、さまざまな光レベルで成長する培養物の小さなフラスコがありました。 ベロニカは XNUMX 日ごとに培養液のサンプルを採取し、それらの小さな液滴をペトリ皿に入れました。 次に、彼女は各液滴に含まれるさまざまな種類の繊毛虫の数を数えました。
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しかし、正確な数を数えなくても、わずか数週間で、光合成を行わない白い半透明の繊毛虫がすべて姿を消し、明るい緑色のゾウリムシがすべて増加していることがわかりました。 目の前で競技が繰り広げられるのを見ることができました。
ヴェロニカは、光が増加するにつれて、藻類をホストすることによって光合成を獲得した生物の競争能力も増加することを示しました. そして、細胞を数えることで、この現象の背後にあるデータを把握することができました。
これらの細胞数を取得し、何が起こっているかの数学的モデルを構築することは、これの重要な部分でしたか?
はい、これらの実験を実行すると、多くのカウントが行われます。 私の同僚 キャロライン・タッカー 一緒に大学院に通っていたとき、「生態学は数を数える科学です」と言いました。 当時、私は彼女の発言に憤慨していましたが、彼女は間違っていませんでした.
研究生物と一緒に座って、研究室や野外で少しだけ恋に落ちることに代わるものはないといつも思う私の一部があります. 暗い部屋に座って顕微鏡をのぞき込むと、これらの異なる種の個性を感じているように感じます. これらのゾウリムシの一部は、光合成藻類を持たないため、銀白色で涙滴のような形をしており、非常に半透明です。 バクテリア資源がたくさん入った真新しいフラスコにいると、バクテリアはゆっくりと動き回りますが、実験が進むにつれて、目の前で空腹になり、非常に速く泳ぎ始めるのを見ることができます. そして、追加の調査結果につながる観察を行うことができます。
実験室での実験と数学モデルを組み合わせることができるので、私は何が起こっているのかについて本当に正直で明確にする必要があります. 代謝の「獲得」とは？ 光合成をホストすることによって、細胞はどのようなリソースを取得していますか? それは、その競争力にどの程度正確に影響しますか?
これで、後天的代謝が競争力をどのように変化させるかを説明するモデルが得られました。 そして、これは後天的な光合成だけでなく、他の代謝の獲得にも影響を及ぼします. モデルに組み込む正確な詳細は、システムによって異なる場合があります。 しかし、使用するフレームワークがあります。
後天的代謝から得られる競争上の優位性について話しました。 しかし、他人の代謝を引き継ぐことにマイナス面はありますか?
絶対に。 私たちのミトコンドリア (内部共生を通じて獲得したもう XNUMX つの代謝オルガネラ) が老化の原因であるという理論があります。
それらのおかげで、私たちは酸素を使って炭水化物や他の分子をエネルギーとして燃焼させる有酸素代謝に従事しています. しかし、ミトコンドリアと葉緑体が生成する反応物質は、私たちの体の DNA を酸化および分解している可能性もあります。 これらは、遺伝物質の隣に置くのは危険です。
葉緑体を盗むこれらの生物に時々見られることのXNUMXつは、葉緑体の取り込みを処理するのに役立つ多くの保護抗酸化機構を持っていることです. 葉緑体を持っていると、ハイライト環境にいることは非常に危険になります. 基本的に日焼けはできます。 によって実証されたXNUMXつのクールなこと スザンヌ・ストロムワシントン州の西ワシントン大学の科学者は、有機体が葉緑体を含む細胞を食べるとき、より多くの光が利用できると、それらをより速く消化する傾向があるということです. 光が葉緑体を分解するのを助けるからかもしれません. しかし、この生物は次のように考えている可能性もあります。 私はそれを取り除かなければなりません。
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したがって、これらの生物が最初に葉緑体にしがみつき始めたとき、どのような環境に住んでいた可能性があるかについて、興味深い疑問が生じます。 消化が光に依存している場合、光が少ないと消化が遅くなり、葉緑体が与える可能性のある害も軽減されるため、おそらく光の少ない環境だったと思います. もう少し管理できます。 と メソディニウム 確かに低照度種です。 しかし、それは非常に逸話的です。 もっと多くの証拠が必要です。 もちろん、明るい環境でも葉緑体を保持しているものもあります。
私はあなたの Twitter で、あなたがたくさんのツリー ルート カウントを行っていることに気付きました。 それはこの他の作品と何の関係があるのですか？
理論生態学者として私が気に入っていることの XNUMX つは、さまざまなシステムに手を出すことができることです。
これは、私たちが取り組んでいる後天性代謝のもう XNUMX つの側面です。 ですから、別の生物から代謝機構を盗むことについて話しました。 しかし、代謝相利共生主義も存在します。これは、XNUMX つの生物間のこの非常に親密なパートナーシップによる代謝の獲得です。 ご存知のように、木の仕事は光合成です。 しかし、木が光合成を行うためには、土壌からの栄養素と水が必要です。 そして、特に温帯の生態系では、菌類、外生菌根菌と提携することで、これらの資源にアクセスできることが判明しました. これらは主に地下に生息する菌類ですが、時には非常に美味しいキノコや有毒なキノコを産むこともあります。 菌類は木と協力しています。 菌類は土壌から養分を収穫するのに優れており、樹木は光合成から糖分を提供するため、お互いをサポートすることができます.
この代謝相利共生は、樹木があらゆる種類の異なる環境条件で生き残り、生態学的ニッチを拡大するのに役立ちます. 木は、ある環境に適した特定の菌類とパートナーを組むことができ、別の環境では別の菌類とパートナーを組むことができます。 これにより、樹木は単独で存在する場合よりも多様な環境条件で生計を立てることができると考えています。
マイクロバイオームについては非常に多くのことが語られていますが、微生物との関係を最初から理解するのは非常に困難だったに違いないことを私たちは忘れています.
ええ、まったく。 シーケンシングからより良い環境データが得られるにつれて、たとえそれが外側に住んでいたとしても、ほとんどすべてのものにある種のマイクロバイオームがあることがわかります. 誰が誰の進化を制御したのですか？ たぶん、私たちの腸がバグによって植民地化されるという事実に対処しなければならなかっただけで、それを最大限に活用しました.
だからこそ、後天性代謝の研究はとても魅力的だと思います。 あなたは今日、これらの獲得を行っている生物を研究しています。 彼らが過去に生態学的にどのように対処していたか、選択圧力が何であったかなどについての洞察を得ることができます。
最近、理論生態学が炸裂しているように感じます。
今とても流行っていると思います。
理論への関心の高まりの一部は、私たちが現在持っている圧倒的な量の情報から来ていると思います. データが山積みになっている場合、それについていくつかの統一理論を展開することで、その意味を理解します。 そして数学モデルは、その問題にアプローチする XNUMX つの方法です。 大学院生の間でこれらのトピックへの関心が高まったり、大学で理論生態学者の採用に関心が高まったりしたのはそのためだと思います。 要約すると、大量のデータがあります。 そして、準備が整いました。
