Introductie
De natuur, rood van tand en klauw, zit vol met organismen die hun buren opeten om vooruit te komen. Maar in de systemen bestudeerd door de theoretische ecoloog Hulst Moeller, een assistent-professor ecologie, evolutie en mariene biologie aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, worden de geconsumeerde op verrassende manieren onderdeel van de consument.
Moeller bestudeert voornamelijk protisten, een brede categorie van eencellige micro-organismen zoals amoeben en paramecia die niet passen binnen de bekende macroscopische categorieën van dieren, planten en schimmels. Wat haar het meest fascineert, is het vermogen van sommige protisten om delen van de cellen waarop ze jagen te coöpteren. Gewapend met deze nog steeds functionerende stukken van hun prooi, kunnen de protisten uitbreiden naar nieuwe habitats en overleven waar ze voorheen niet konden.
Door ze te bekijken, krijgt Moeller een onderscheidend beeld van de onderliggende structuur van ecosystemen van vandaag en de evolutionaire krachten die ze hebben gemaakt. Het stelen van organellen door de protisten lijkt misschien bizar, maar de mitochondria in onze eigen cellen markeren ons als producten van een verwant soort metabolische verwerving door onze oude voorouders.
"In de breedste zin zijn dit vragen over wanneer en hoe organismen zich specialiseren, en hoe ze die specialisatie kunnen doorbreken door toegang te krijgen tot iets nieuws", zei ze. "Voor mij behandelt dit werk vragen over hoe organismen hun ecologische niche uitbreiden, hoe die aanwinsten permanent kunnen zijn, en wat dat betekent over hoe het metabolisme over de toppen van de takken van de levensbomen springt."
Quanta sprak telefonisch met Moeller over haar carrière, haar onderzoek naar verworven metabolisme en theoretische ecologie. Het interview is voor de duidelijkheid ingekort en bewerkt.
U bent bekend geworden in ecologie- en evolutiekringen vanwege uw werk over 'verworven stofwisseling'. Is dat een term die je hebt bedacht?
Niet opzettelijk. Het is wat ik bedoel met delen van je metabolisme die niet in je eigen genoom zijn gecodeerd. Je krijgt er op de een of andere manier toegang toe door je te associëren met een andere soort.
Dat omvat enkele vormen van symbiose, maar het is meer dan dat. Het omvat ook zaken als de verwerving van chloroplasten, de eukaryotische organellen voor fotosynthese, van ingeslikte prooien, en zelfs horizontale genoverdracht, waarbij een enkel gen of een heel pakket metabole genen uit het ene organisme door het andere wordt geplukt.
Ik ben opgeleid als gemeenschapsecoloog, dus ik ben erg geïnteresseerd in de rol die organismen spelen in ecosystemen en hoe die niches tijdens hun leven uitzetten en samentrekken. De studie van het verworven metabolisme voelde als een natuurlijke match daarbij, omdat het heel erg gaat over hoe organismen hun niches kunnen uitbreiden.
Is wat mensen hebben met onze darmbacteriën een verworven metabolisme?
Ik vind dat een geweldig voorbeeld. Zoveel van ons vermogen om verschillende voedselbronnen te eten en te metaboliseren, komt neer op die bacteriën. Sommige van de belangrijke vitamines en cofactoren die we nodig hebben, zoals vitamine K, worden geproduceerd door microben die in onze darmen leven. We zijn erg afhankelijk van deze partnerschappen.
Wat bracht je naar deze onderzoekslijn?
Weet je, bacteriën doorlopen vaak een proces dat 'tuimelen en rennen' wordt genoemd. Ze volgen een chemische aanwijzing in de richting van een hulpbron, maar wanneer het signaal wegvalt, stoppen ze, draaien ze rond en gaan ze in een willekeurige richting weg. Ik denk dat dit ook voor veel wetenschappers geldt, ook voor mij. We volgen vaak onze neus en jagen dingen na waar we enthousiast van worden. En soms leidt het ons naar onverwachte plaatsen.
Introductie
Ik had geluk. Mijn ouders zijn allebei opgeleid als wetenschapper, en hoewel ze geen van beiden als wetenschapper werkten toen ik opgroeide, wist ik dat onderzoek een carrièremogelijkheid was. Ik heb ook veel geluk gehad tijdens mijn bacheloropleiding aan de Rutgers University, in die zin dat ik professoren had die geïnteresseerd waren en me in contact brachten met een faculteitslid dat onderzoek deed naar mariene microben. De wetenschapper met wie ik voor het eerst samenwerkte, Paul Falkowski, heeft eclectische interesses. Maar een van de dingen die hij destijds bestudeerde, was hoe chloroplasten zich rond de levensboom verspreidden.
Hier ontstond mijn interesse in het verworven metabolisme. Ik vond het volkomen fascinerend, het idee dat iets waarover ik in schoolboeken heb geleerd als een kenmerk van planten, eigenlijk iets was dat ze een paar miljard jaar geleden kregen door het inslikken van een bacterie. En dat dit meerdere keren is gebeurd. Ik begon te werken met Paul en Matt Johnson, die destijds zijn postdoc was, over organismen die tegenwoordig chloroplasten stelen en wat ze ons zouden kunnen vertellen over dit evolutionaire proces.
Ik hou van het idee dat een organisme in het leven kan beginnen zonder chloroplast en er dan gewoon een oppakt.
Rechts? Stel je voor dat we een salade hadden voor de lunch, en toen werden onze armen plotseling groen! Ik woon nu in Zuid-Californië - ik zou tussen de lessen door een wandeling kunnen maken en alle energie krijgen die ik nodig had. Hoewel ik graag lunch eet, dus ik weet niet zeker of ik dat echt lekker zou vinden.
In veel gevallen raken deze organismen die chloroplasten verkrijgen behoorlijk gebonden aan fotosynthese. Sommige soorten waaraan we werken zouden sterven als ze niet zouden kunnen fotosynthetiseren, dus ze kunnen niet overleven als ze geen prooi kunnen vinden om chloroplasten van te stelen. Het is een evolutionaire nieuwsgierigheid voor mij dat ze zich in deze hoek hebben teruggetrokken.
Moeten deze soorten chloroplasten blijven stelen omdat ze uiteindelijk kapot gaan?
Over het algemeen wel. Deze chloroplast-stelende geslachten variëren echter in hoe goed ze zijn in het onderhouden van de chloroplast. In deze groep mariene ciliaten waar we aan werken, genaamd mesodinium, stelen sommige geslachten helemaal geen chloroplasten. Sommigen stelen ze en laten ze heel snel de grond in rennen. En anderen stelen ze, maar stelen ook functionele kernen van hun prooi, waardoor ze meer chloroplasten kunnen maken.
De metafoor waar ik dol op ben, is dat degenen die geen chloroplasten stelen, zijn als het braaf kind dat nog nooit een auto heeft gestolen. Anderen stelen de auto voor een joyride, botsen ermee tegen een boom en laten hem achter. Maar er zijn er die de auto stelen, maar ook de gebruikershandleiding, en ze bouwen een monteurswerkplaats om goed voor het gestolen goed te zorgen.
Er is dit hele spectrum, en omdat ze nauw verwant zijn, kunnen we ons afvragen: wat zijn de evolutionaire verschillen tussen deze organismen die de overgangen mogelijk maakten?
Erven ze ooit chloroplasten van hun oudercellen? Als de cellen zich delen om zich voort te planten, worden de chloroplasten dan niet ook doorgegeven?
Sommigen van hen doen dat. In sommige geslachten, wanneer de cellen zich delen, splitsen ze de chloroplast-toewijzing tussen hen op. Om hun chloroplasten op te frissen en aan te vullen, moeten ze ze stelen door te eten.
Maar de cellen die de gestolen kern bewaren - de gestolen handleiding - kunnen de chloroplasten samen met de rest van de cel laten delen. De kernen lijken te zijn waarvoor ze nog moeten eten. Als ze een prooicel vangen, klampen ze zich vast aan de bladgroenkorrels, want waarom niet? Maar het lijkt erop dat het echt cruciaal is dat ze nieuwe kernen oppikken.
Introductie
Hoe is het mogelijk dat de ciliaten energie halen uit de cellulaire machinerie van iemand anders?
Dat is een hele interessante vraag. Wanneer sommige van de mesodinium ciliaten eten, strippen ze het grootste deel van de prooicel weg. Elektronenmicroscopie heeft aangetoond dat de chloroplasten vrij intact zijn, maar ze zitten ook nog in het celmembraan van de prooi. En dan heeft de ciliaat daar een eigen membraan omheen, omdat de ciliaat de prooicel in een vacuole [membraanblaasje] stak toen hij die inslikte.
We weten echt niet hoe moleculen door dit multimembraansysteem bewegen. Dat is iets waar we nu in proberen te graven door te volgen waar eiwitten naartoe gaan.
Welke evolutionaire vraag helpt dit werk je te beantwoorden?
Als we fotosynthese op school onderwijzen, richten we ons vooral op de landplanten, waarvan de voorouders 2 miljard jaar geleden chloroplasten oppikten, toen ze vrijlevende cyanobacteriën als endosymbionten temden.
Maar als we kijken naar fytoplankton in de oceaan en zoetwatersystemen, is het plaatje veel gecompliceerder. We kijken vaak naar organismen die een zogenaamde secundaire chloroplast hebben, wat betekent dat ze ergens in hun evolutionaire geschiedenis een chloroplast van iets anders hebben verkregen. Soms zie je zelfs bewijs van tertiaire chloroplasten, waar organismen chloroplasten krijgen die uit een derde cel zijn gehaald. Deze secundaire en tertiaire endosymbiose-gebeurtenissen hebben, denken we, minstens een half dozijn keer plaatsgevonden. En dat heeft geleid tot de enorme diversiteit aan eukaryotisch fytoplankton.
Hoe ziet het eruit om van iets dat heterotroof is naar iets te gaan dat zeer fotosynthetisch is? Welke veranderingen moet u aanbrengen in uw fysiologie? Waar kun je overleven? Welke natuurlijke selectiegradiënten moeten aanwezig zijn? De studie van mesodinium geeft ons inzicht in hoe die overgang eruit zag.
Helpt het verworven metabolisme organismen vooruit?
In het artikel dat we eerder dit jaar publiceerden, keken we naar een organisme dat fotosynthetisch wordt door endosymbiotische algen te huisvesten. Het is zowel een verworven metabolisme als een symbiose. Je zou deze zoetwaterciliaten kunnen openklappen, genaamd Paramecium bursaria en isoleer de algen, en de algen zouden graag zelfstandig leven en groeien.
Deze paramecia zijn als kleine donzige groene klodders die ronddwarrelen in de petrischaal. We begonnen te kijken hoe het competitieve vermogen van deze organismen afhing van de beschikbaarheid van licht. Als ze energie uit zonlicht halen, hoe meer zonlicht er is, hoe meer energie ze zouden moeten krijgen om te groeien. We dachten dat dit zich zou uitstrekken tot hun vermogen om te concurreren met andere soorten.
Ik had een ongelooflijk getalenteerde student, Veronica Hu, die dat idee testte. We hadden deze incubator met lichtbanken en kleine flesjes met culturen die op verschillende lichtniveaus groeiden. Veronica nam om de twee dagen monsters van de culturen en deed er druppeltjes van in petrischaaltjes. Vervolgens telde ze het aantal verschillende soorten ciliaten in elke druppel.
Introductie
Maar zelfs zonder een exacte telling uit te voeren, kon je binnen slechts een paar weken zien dat alle witte, doorschijnende niet-fotosynthetische ciliaten aan het verdwijnen waren, terwijl alle felgroene paramecia toenam. Je kon de concurrentie voor je ogen zien spelen.
Veronica toonde aan dat naarmate het licht toenam, ook het concurrentievermogen van het organisme dat fotosynthese had verkregen door de algen te huisvesten, toenam. En door de cellen te tellen, konden we de gegevens achter dit fenomeen begrijpen.
Dus het verkrijgen van deze celaantallen en het bouwen van een wiskundig model van wat er gebeurde, was hier een belangrijk onderdeel van?
Ja, als we deze experimenten uitvoeren, wordt er veel geteld. Mijn collega Caroline Tukker zei toen we samen op de middelbare school zaten: "Weet je, ecologie is gewoon de wetenschap van tellen." Destijds was ik een beetje verontwaardigd over haar verklaring, maar ze had het niet bij het verkeerde eind.
Er is een deel van mij dat altijd zal denken dat er geen vervanging is voor bij je studie-organisme zitten en er een beetje verliefd op worden in het lab of buiten in het veld. Zittend in een donkere kamer, starend door een microscoop, heb je het gevoel dat je de persoonlijkheden van deze verschillende soorten voelt. Sommige van deze paramecia zijn een beetje zilverwit en druppelvormig en zeer doorschijnend omdat ze geen fotosynthetische algen hebben. Als ze in een spiksplinternieuwe kolf zitten met veel bacteriële hulpbronnen, hobbelen ze langzaam rond, maar naarmate het experiment vordert, is het alsof je ze voor je ogen honger kunt zien krijgen en ze heel snel beginnen te zwemmen. En je kunt observaties doen die vervolgens tot aanvullende bevindingen leiden.
Het combineren van laboratoriumexperimenten met wiskundige modellen dwingt me om heel eerlijk en expliciet te zijn over wat ik denk dat er aan de hand is. Wat bedoelen we met "verwerving" van metabolisme? Welke bronnen krijgt de cel door fotosynthese te hosten? Welke invloed heeft dat precies op zijn concurrentievermogen?
Nu hebben we een model waarvan we weten dat het beschrijft hoe verworven metabolisme het concurrentievermogen kan veranderen. En dat heeft niet alleen implicaties voor verworven fotosynthese, maar ook voor andere verworvenheden van het metabolisme. De exacte details die we in het model stoppen, kunnen afhankelijk van het systeem veranderen. Maar we hebben een kader om te gebruiken.
We hadden het over concurrentievoordelen die kunnen voortvloeien uit een verworven metabolisme. Maar zijn er nadelen aan het overnemen van de stofwisseling van iemand anders?
Definitief. Er is een theorie dat onze mitochondriën - een ander metabolisch organel dat we hebben verkregen door endosymbiose - de reden zijn dat we ouder worden.
Vanwege hen zijn we bezig met aëroob metabolisme, waarbij we zuurstof gebruiken om koolhydraten en andere moleculen voor energie te verbranden. Maar de reactieve stoffen die mitochondriën en chloroplasten produceren, kunnen ook het DNA van ons lichaam oxideren en afbreken. Dit zijn gevaarlijke dingen om naast je genetisch materiaal te leggen.
Een ding dat we soms zien in deze organismen die chloroplasten stelen, is dat ze veel beschermende antioxidantmechanismen hebben, die hen helpen om te gaan met het opnemen van een chloroplast. Het hebben van een chloroplast kan het erg gevaarlijk maken om in een omgeving met veel licht te zijn. Je kunt in principe verbranden door de zon. Een cool ding gedemonstreerd door Suzanne Strom, een wetenschapper in de staat Washington aan de Western Washington University, is dat wanneer organismen cellen met chloroplasten eten, ze de neiging hebben om ze sneller te verteren als er meer licht beschikbaar is. Het kan zijn omdat licht je helpt de chloroplast af te breken. Maar het kan ook zijn dat dit organisme denkt: “Ik speel hier met vuur; Ik moet ervan af."
Introductie
Dit roept dus interessante vragen op over de soorten omgevingen waarin deze organismen mogelijk leefden toen ze zich voor het eerst aan chloroplasten begonnen vast te klampen. Ik vermoed dat het waarschijnlijk een omgeving met weinig licht was, want als je spijsvertering afhankelijk is van licht, zal minder licht het vertragen en ook de schade verminderen die de chloroplasten zouden kunnen aanrichten. Je kunt het een beetje meer regelen. En mesodinium is zeker een low-light soort. Maar dat is erg anekdotisch. We hebben veel meer bewijs nodig. Maar er zijn natuurlijk ook dingen die chloroplasten vasthouden die ook in een omgeving met veel licht leven.
Ik zag op je Twitter dat je veel boomwortels telt. Wat heeft dat met dit andere werk te maken?
Een van de dingen die ik leuk vind aan theoretisch ecoloog zijn, is dat ik met veel verschillende systemen kan werken.
Dat is een ander aspect van het verworven metabolisme waar we aan werken. Dus we hebben het gehad over het stelen van metabolische machines van een ander organisme. Maar er is ook metabolisch mutualisme - de verwerving van metabolisme door deze echt intieme samenwerking tussen twee organismen. De business van bomen, zoals we allemaal weten, is fotosynthese. Maar om te fotosynthetiseren hebben bomen voedingsstoffen en water uit de grond nodig. En het blijkt, vooral in gematigde ecosystemen, dat ze toegang krijgen tot deze bronnen door samen te werken met schimmels, ectomycorrhiza-schimmels. Dit zijn schimmels die grotendeels onder de grond leven, hoewel ze soms echt heerlijke paddenstoelen neerzetten, en soms ook giftige. De schimmels werken samen met de bomen. De schimmels blinken uit in het oogsten van voedingsstoffen uit de grond en de bomen leveren suiker uit fotosynthese, zodat ze elkaar kunnen ondersteunen.
Dit metabolische mutualisme helpt bomen om te overleven in allerlei verschillende omgevingsomstandigheden en hun ecologische niche uit te breiden. Een boom kan samenwerken met bepaalde schimmels die goed zijn voor de ene omgeving, en met verschillende schimmels in een andere omgeving. We denken dat bomen hierdoor in hun levensonderhoud kunnen voorzien in een meer diverse reeks omgevingsomstandigheden dan wanneer ze op zichzelf zouden staan.
Er wordt zoveel gesproken over het microbioom, maar we vergeten dat het in het begin heel moeilijk moet zijn geweest om al die relaties met microben op gang te krijgen.
Ja helemaal. Naarmate we betere omgevingsgegevens krijgen van sequencing, zien we dat vrijwel alles een soort microbioom heeft, zelfs als het aan de buitenkant leeft. Wie controleerde wiens evolutie, weet je? Misschien hadden we gewoon te maken met het feit dat ons lef gekoloniseerd zou worden door insecten en hebben we er het beste van gemaakt.
Daarom vind ik de studie van het verworven metabolisme zo fascinerend. Je bestudeert organismen die deze acquisities vandaag doen. Je krijgt enig inzicht in hoe ze daar in het verleden ecologisch mee omgingen, wat de selectiedruk was enzovoort.
Ik heb het gevoel dat de theoretische ecologie de laatste tijd explodeert.
Ik denk dat het nu erg in de mode is.
Ik denk dat een deel van de toenemende belangstelling voor theorie voortkomt uit de overweldigende hoeveelheid informatie die we nu hebben. Als je stapels en stapels gegevens hebt, begrijp je het door er enkele verenigende theorieën over te ontwikkelen. En wiskundige modellen zijn een manier om dat probleem te benaderen. Ik denk dat er daarom meer belangstelling is onder onze afgestudeerde studenten voor deze onderwerpen, of belangstelling bij universiteiten voor het inhuren van theoretische ecologen. Het komt er ongeveer op neer: we hebben enorme gegevens. En we zijn klaar.
