Introduksjon
Naturen, rød i tann og klør, er full av organismer som spiser naboene sine for å komme seg videre. Men i systemene studert av den teoretiske økologen Holly Møller, en assisterende professor i økologi, evolusjon og marinbiologi ved University of California, Santa Barbara, blir de konsumerte en del av forbrukeren på overraskende måter.
Moeller studerer først og fremst protister, en bred kategori av encellede mikroorganismer som amøber og paramecia som ikke passer inn i de velkjente makroskopiske kategoriene dyr, planter og sopp. Det som fascinerer henne mest er evnen til noen protister til å ta opp deler av cellene de forgriper seg på. Bevæpnet med disse fortsatt fungerende delene av byttet deres, kan protistene utvide seg til nye habitater og overleve der de ikke kunne før.
Å se dem gir Moeller et særegent syn på den underliggende strukturen til økosystemene i dag og de evolusjonære kreftene som skapte dem. Protistenes tyveri av organeller kan virke bisarre, men mitokondriene i våre egne celler markerer oss som produkter av en beslektet type metabolsk tilegnelse av våre gamle forfedre.
"I vid forstand er dette spørsmål om når og hvordan organismer spesialiserer seg, og hvordan de kan bryte den spesialiseringen ved å få tilgang til noe nytt," sa hun. "For meg tar dette arbeidet opp spørsmål om hvordan organismer utvider sin økologiske nisje, hvordan disse anskaffelsene kan være permanente, og hva det betyr om hvordan metabolisme hopper over tuppene av grenene til livets trær."
Quanta snakket med Moeller på telefon om hennes karriere, hennes forskning på ervervet metabolisme og teoretisk økologi. Intervjuet er komprimert og redigert for klarhet.
Du har blitt godt kjent i økologi- og evolusjonskretser for arbeidet ditt med "ervervet metabolisme." Er det et begrep du kom på?
Ikke med vilje. Det er det jeg mener med deler av stoffskiftet ditt som ikke er kodet inn i ditt eget genom. Du får tilgang til dem på en eller annen måte ved å omgås en annen art.
Det omfatter noen former for symbiose, men det er mer enn det. Det inkluderer også ting som anskaffelse av kloroplaster, de eukaryote organellene for fotosyntese, fra inntatt byttedyr, og til og med horisontal genoverføring, der et enkelt gen eller en hel pakke med metabolske gener plukkes fra en organisme av en annen.
Jeg er utdannet som samfunnsøkolog, så jeg er veldig interessert i rollene som organismer spiller i økosystemer og hvordan disse nisjene utvides og trekker seg sammen i løpet av deres levetid. Studiet av ervervet metabolisme føltes som en naturlig passform med det, fordi det handler mye om hvordan organismer kan utvide sine nisjer.
Er det som mennesker har med våre tarmbakterier ervervet metabolisme?
Jeg synes det er et flott eksempel. Så mye av vår evne til å spise forskjellige matkilder og metabolisere dem kommer ned til disse bakteriene. Noen av de viktige vitaminene og kofaktorene vi trenger, som vitamin K, er produsert av mikrober som lever inne i tarmen vår. Vi er veldig avhengige av disse partnerskapene.
Hva førte deg til denne forskningslinjen?
Du vet, bakterier beveger seg ofte gjennom en prosess som kalles "tumbling og løping." De følger noen kjemiske signaler mot en ressurs, men når signalet forsvinner, stopper de, de snurrer og de går i en tilfeldig retning. Jeg tror dette er sant for mange forskere også, inkludert meg. Vi følger ofte nesen og jager etter ting vi blir begeistret for. Og noen ganger fører det oss til uventede steder.
Introduksjon
Jeg var heldig. Foreldrene mine utdannet seg begge til vitenskapsmenn, og selv om ingen av dem jobbet sammen mens jeg vokste opp, visste jeg at forskning var et karrierealternativ. Jeg var også veldig heldig i min grunnutdanning ved Rutgers University, ved at jeg hadde professorer som interesserte meg og koblet meg til et fakultetsmedlem som forsket på marine mikrober. Forskeren jeg først jobbet med, Paul Falkowski, har eklektiske interesser. Men en av tingene han studerte på den tiden var hvordan kloroplaster ble spredt rundt livets tre.
Det var her min interesse for ervervet metabolisme startet. Jeg fant det helt fascinerende, denne ideen om at noe jeg lærte om i lærebøker som en egenskap ved planter, faktisk var noe de fikk for et par milliarder år siden ved å innta en bakterie. Og at dette har skjedd flere ganger. Jeg begynte å jobbe med Paul og Matt Johnson, som var hans postdoktor på den tiden, om organismer som stjeler kloroplaster i dag og hva de kan fortelle oss om denne evolusjonsprosessen.
Jeg elsker ideen om at en organisme kan starte i livet uten kloroplast, og så bare plukke opp en.
Ikke sant? Tenk om vi hadde en salat til lunsj, og så plutselig ble armene grønne! Jeg bor i Sør-California akkurat nå - jeg kunne gå en tur mellom timene og få all energien jeg trengte. Selv om jeg liker å spise lunsj, så jeg er ikke sikker på at jeg virkelig ville like det.
I mange tilfeller blir disse organismene som får kloroplaster ganske bundet til å gjøre fotosyntese. Noen av artene vi jobber med ville dø hvis de ikke kunne fotosyntetisere, så de kan ikke overleve hvis de ikke finner byttedyr å stjele kloroplaster fra. Det er en evolusjonær nysgjerrighet for meg at de rygget seg inn i dette hjørnet.
Må disse artene fortsette å stjele kloroplaster fordi de til slutt brytes ned?
Generelt, ja. Imidlertid varierer disse kloroplast-tyvende avstamningene i hvor gode de er til å opprettholde kloroplasten. I denne gruppen av marine ciliater som vi jobber med kalles Mesodinium, noen avstamninger stjeler ikke kloroplaster i det hele tatt. Noen stjeler dem og kjører dem i bakken veldig fort. Og andre stjeler dem, men stjeler også funksjonelle kjerner fra byttet deres, noe som betyr at de kan lage flere kloroplaster.
Metaforen jeg elsker er at de som ikke stjeler kloroplaster er som det veloppdragne barnet som aldri har stjålet en bil. Andre stjeler bilen for en joyrtur, krasjer den inn i et tre og forlater den. Men det er noen som stjeler bilen men også bruksanvisningen, og de bygger et mekanikerverksted for å ta godt vare på det stjålne.
Det er hele dette spekteret, og fordi de er nært beslektet, kan vi spørre: Hva er de evolusjonære forskjellene mellom disse organismene som lettet overgangene?
Arver de noen gang kloroplaster fra foreldrecellene? Hvis cellene deler seg for å formere seg, går ikke kloroplastene videre også?
Noen av dem gjør det. I noen avstamninger, når cellene deler seg, deler de opp kloroplasttildelingen mellom seg. For å friske opp og fylle på kloroplastene deres, må de stjele dem ved å spise.
Men cellene som holder den stjålne kjernen - den stjålne bruksanvisningen - kan få kloroplastene til å dele seg med resten av cellen. Kjernene ser ut til å være det de fortsatt trenger å spise for. Når de fanger en byttecelle, henger de på kloroplastene dens, for hvorfor ikke? Men det ser ut til at det som egentlig er avgjørende er at de tar opp nye kjerner.
Introduksjon
Hvordan er det mulig for ciliatene å få energi fra andres cellulære maskineri?
Det er et veldig interessant spørsmål. Når noen av Mesodinium ciliater spiser, fjerner de det meste av byttecellen. Elektronmikroskopi har vist at kloroplastene er ganske intakte, men de er også fortsatt inne i relikviecellemembranen til byttet. Og så har ciliatet en egen membran rundt alt det, fordi ciliatet satte byttetcellen fast i en vakuole [membranvesikkel] når den inntok den.
Vi vet egentlig ikke hvordan molekyler beveger seg over dette multimembransystemet. Det er noe vi prøver å grave inn i nå ved å følge hvor proteinene går.
Hvilket evolusjonsspørsmål hjelper dette arbeidet deg med å svare på?
Når vi underviser i fotosyntese på skolen, fokuserer vi mest på landplantene, hvis forfedre plukket opp kloroplaster for 2 milliarder år siden, da de domestiserte frittlevende cyanobakterier som endosymbionter.
Men når vi ser på planteplankton i havet og ferskvannssystemene, er bildet mye mer komplisert. Vi ser ofte på organismer som har det som kalles en sekundær kloroplast, noe som betyr at de en gang i evolusjonshistorien fikk en kloroplast fra noe annet. Noen ganger ser du til og med tegn på tertiære kloroplaster, hvor organismer får kloroplaster som ble tatt fra en tredje celle. Disse sekundære og tertiære endosymbiose-hendelsene har funnet sted, tror vi, minst et halvt dusin ganger. Og det har gitt opphav til det enorme mangfoldet av eukaryotisk planteplankton.
Hvordan ser det ut å gå fra å være noe som er heterotrofisk til noe som er svært fotosyntetisk? Hvilke endringer må du gjøre i fysiologien din? Hvor kan du overleve? Hvilke naturlige seleksjonsgradienter må være på plass? Studiet av Mesodinium gir oss innsikt i hvordan den overgangen så ut.
Hjelper ervervet metabolisme organismer med å komme videre?
I papiret som vi publiserte tidligere i år, så vi på en organisme som blir fotosyntetisk ved å være vert for endosymbiotiske alger. Det er både ervervet metabolisme og en symbiose. Du kan åpne disse ferskvannsciliatene som heter Paramecium bursaria og isolere algene, og algene ville gjerne leve og vokse på egen hånd.
Disse paramesiene er som små uklare grønne klatter som virvler rundt i petriskålen. Vi begynte å se på hvordan konkurranseevnen til disse organismene var avhengig av tilgjengeligheten av lys. Hvis de får energi fra sollys, så jo mer sollys det er, jo mer energi bør de få for å vokse. Vi trodde det ville utvide deres evne til å konkurrere med andre arter.
Jeg hadde en utrolig dyktig student, Veronica Hsu, som testet den ideen. Vi hadde denne inkubatoren med lysbanker og små flasker med kulturer som vokste på forskjellige lysnivåer. Annenhver dag tok Veronica prøver av kulturene og puttet små dråper av dem i petriskåler. Deretter telte hun antall forskjellige typer ciliater i hver dråpe.
Introduksjon
Men selv uten å gjøre en nøyaktig telling, kunne du se i løpet av noen få uker at alle de hvite gjennomskinnelige ikke-fotosyntetiske ciliatene forsvant, mens all den knallgrønne paramesien økte. Du kunne se konkurransen spille foran øynene dine.
Veronica viste at etter hvert som lyset økte, økte også konkurranseevnen til organismen som hadde tilegnet seg fotosyntese ved å være vert for algene. Og så telling av cellene tillot oss å forstå dataene bak dette fenomenet.
Så å få disse celletellingene og bygge en matematisk modell av hva som skjedde var en viktig del av dette?
Ja, når vi kjører disse eksperimentene, er det mye telling. Min kollega Caroline Tucker sa da vi gikk på videregående skole sammen, "Du vet, økologi er bare vitenskapen om å telle." På det tidspunktet var jeg litt ergerlig over uttalelsen hennes, men hun tok ikke feil.
Det er en del av meg som alltid vil tro at det ikke er noen erstatning for å sitte med studieorganismen din og bli litt forelsket i den på laboratoriet eller ute i felten. Når du sitter i et mørkt rom og stirrer gjennom et mikroskop, føler du at du kjenner personlighetene til disse forskjellige artene. Noen av disse paramesiene er litt sølvhvite og dråpeformede og veldig gjennomskinnelige fordi de ikke har noen fotosyntetiske alger. Når de er i en splitter ny kolbe med massevis av bakterieressurser, humler de sakte rundt, men etter hvert som eksperimentet fortsetter, er det som om du kan se dem bli sultne foran øynene dine og de begynner å svømme veldig fort. Og du kan gjøre observasjoner som så fører til ytterligere funn.
Å kunne kombinere laboratorieeksperimenter med matematiske modeller tvinger meg til å være veldig ærlig og eksplisitt om hva jeg tror som foregår. Hva mener vi med "oppkjøp" av metabolisme? Hvilke ressurser får cellen ved å være vert for fotosyntese? Hvordan påvirker det konkurranseevnen?
Nå har vi en modell som vi vet beskriver hvordan ervervet metabolisme kan endre konkurranseevnen. Og det har implikasjoner ikke bare for ervervet fotosyntese, men for andre anskaffelser av metabolisme også. De nøyaktige detaljene som vi kobler til modellen kan endres avhengig av systemet. Men vi har et rammeverk å bruke.
Vi snakket om konkurransefortrinn som kan komme fra ervervet metabolisme. Men er det ulemper ved å overta andres stoffskifte?
Helt sikkert. Det er en teori om at mitokondriene våre - en annen metabolsk organell som vi fikk gjennom endosymbiose - er grunnen til at vi eldes.
På grunn av dem er vi engasjert i aerob metabolisme, og bruker oksygen til å brenne karbohydrater og andre molekyler for energi. Men de reaktive midlene som mitokondrier og kloroplaster produserer, kan også oksidere og nedbryte kroppens DNA. Dette er farlige ting å legge ved siden av arvestoffet ditt.
En ting vi noen ganger ser hos disse organismene som stjeler kloroplaster, er at de har mye beskyttende antioksidantmaskineri, som hjelper dem å håndtere å ta på seg en kloroplast. Å ha en kloroplast kan gjøre det svært farlig å være i høye lysforhold. Du kan i utgangspunktet bli solbrent. En kul ting demonstrert av Suzanne Strøm, en forsker i Washington State ved Western Washington University, er at når organismer spiser celler med kloroplaster, har de en tendens til å fordøye dem raskere når det er mer lys tilgjengelig. Det kan være fordi lys hjelper deg med å bryte ned kloroplasten. Men det kan også være at denne organismen tenker: «Jeg leker med ilden her; Jeg må kvitte meg med det."
Introduksjon
Så dette reiser interessante spørsmål om hvilke typer miljøer som disse organismene kan ha levd i da de først begynte å henge på kloroplaster. Jeg mistenker at det sannsynligvis var et miljø med lite lys, fordi hvis fordøyelsen din er avhengig av lys, vil lavere lys redusere det og også redusere skaden som kloroplastene kan gjøre. Du kan klare det litt mer. Og Mesodinium er absolutt en art med lite lys. Men det er veldig anekdotisk. Vi trenger mye mer bevis. Men selvfølgelig er det også ting som beholder kloroplaster som lever i et miljø med mye lys også.
Jeg la merke til på Twitteren din at du driver mye med trerottelling. Hva har det med dette andre arbeidet å gjøre?
En av tingene jeg elsker med å være teoretisk økolog er at jeg kan boltre meg i mange forskjellige systemer.
Det er et annet aspekt ved ervervet metabolisme som vi jobber med. Så vi har snakket om å stjele metabolsk maskineri fra en annen organisme. Men det er også metabolsk gjensidighet - oppkjøpet av metabolisme gjennom dette virkelig intime partnerskapet mellom to organismer. Virksomheten til trær, som vi alle vet, er fotosyntese. Men for å fotosyntetisere trenger trær næringsstoffer og vann fra jorda. Og det viser seg, spesielt i tempererte økosystemer, at de får tilgang til disse ressursene ved å samarbeide med sopp, ectomycorrhizal sopp. Dette er sopp som for det meste lever under bakken, selv om de noen ganger setter opp virkelig deilige sopp, og også noen ganger giftige. Soppene er i samarbeid med trærne. Soppene utmerker seg ved å høste næringsstoffer fra jorda, og trærne gir sukker fra fotosyntesen, slik at de kan støtte hverandre.
Denne metabolske gjensidigheten hjelper trær til å overleve i alle slags forskjellige miljøforhold og utvide sin økologiske nisje. Et tre kan samarbeide med visse sopp som er bra for ett miljø, og med forskjellige sopp i et annet miljø. Vi tror at dette gjør at trær kan leve av et mer mangfoldig sett av miljøforhold enn om de var alene.
Det er så mye snakk om mikrobiomet, men vi glemmer at det må ha vært veldig vanskelig å få alle de relasjonene til mikrober i gang i begynnelsen.
Ja, helt. Ettersom vi får bedre miljødata fra sekvensering, ser vi at stort sett alt har en slags mikrobiom, selv om det lever på utsiden. Hvem kontrollerte hvis utvikling, vet du? Kanskje vi bare måtte forholde oss til det faktum at tarmene våre skulle bli kolonisert av insekter, og vi gjorde det beste ut av det.
Det er derfor jeg synes studiet av ervervet metabolisme er så fascinerende. Du studerer organismer som gjør disse anskaffelsene i dag. Du får litt innsikt i hvordan de håndterte det økologisk tidligere, hva utvalgspresset var og så videre.
Jeg føler at teoretisk økologi eksploderer i det siste.
Jeg tror det er veldig på moten nå.
Jeg tror at en del av den økende interessen for teori kommer fra den overveldende mengden informasjon vi har nå. Når du har hauger og hauger med data, gir du mening ut av det ved å utvikle noen samlende teorier om det. Og matematiske modeller er en måte å nærme seg det problemet på. Jeg tror det er grunnen til at det har vært større interesse blant våre hovedfagsstudenter for disse temaene, eller interesse ved universiteter for å ansette teoretiske økologer. Det koker litt ned til: Vi har massive data. Og vi er klare.
