Znajduje klucze do ekologii w komórkach, które okradają innych

Przyroda, której zęby i pazury są czerwone, roi się od organizmów, które zjadają swoich sąsiadów, aby zyskać przewagę. Ale w systemach badanych przez ekologa-teoretyka Holly Moeller, adiunkt ekologii, ewolucji i biologii morskiej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, konsumenci w zaskakujący sposób stają się częścią konsumenta.

Moeller bada przede wszystkim protisty, szeroką kategorię mikroorganizmów jednokomórkowych, takich jak ameby i pantofelki, które nie mieszczą się w znanych makroskopowych kategoriach zwierząt, roślin i grzybów. Najbardziej fascynuje ją zdolność niektórych protistów do przejmowania części komórek, na których polują. Uzbrojone w te wciąż funkcjonujące fragmenty ofiary protisty mogą rozszerzyć się na nowe siedliska i przetrwać tam, gdzie wcześniej nie mogły.

Oglądanie ich daje Moellerowi charakterystyczny wgląd w podstawową strukturę dzisiejszych ekosystemów i siły ewolucyjne, które je stworzyły. Kradzież organelli przez protistów może wydawać się dziwaczna, ale mitochondria w naszych własnych komórkach naznaczają nas jako produkty pokrewnego rodzaju nabywania metabolicznego przez naszych starożytnych przodków.

„W najszerszym znaczeniu są to pytania o to, kiedy i jak organizmy się specjalizują oraz jak mogą przełamać tę specjalizację, uzyskując dostęp do czegoś nowego” – powiedziała. „Dla mnie ta praca dotyczy pytań o to, w jaki sposób organizmy poszerzają swoją niszę ekologiczną, w jaki sposób te nabytki mogą być trwałe i co to oznacza dla tego, jak metabolizm przeskakuje przez wierzchołki gałęzi drzew życia”.

Quanta rozmawiała telefonicznie z Moeller o jej karierze, badaniach nad metabolizmem nabytym i ekologii teoretycznej. Wywiad został skrócony i zredagowany dla przejrzystości.

Stałeś się dobrze znany w kręgach ekologów i ewolucjonistów dzięki swojej pracy nad „nabytym metabolizmem”. Czy to określenie, które wymyśliłeś?

Nieumyślnie. To właśnie rozumiem przez części twojego metabolizmu, które nie są zakodowane w twoim własnym genomie. Uzyskujesz do nich dostęp w jakiś sposób, obcując z innym gatunkiem.

Obejmuje to pewne formy symbiozy, ale to coś więcej. Obejmuje to również nabywanie chloroplastów, organelli eukariotycznych do fotosyntezy, z połkniętej ofiary, a nawet poziomy transfer genów, w którym pojedynczy gen lub cały pakiet genów metabolicznych jest wyrywany z jednego organizmu przez drugi.

Z wykształcenia jestem ekologiem społecznym, więc bardzo interesują mnie role, jakie organizmy odgrywają w ekosystemach oraz to, jak te nisze rozszerzają się i kurczą w ciągu ich życia. Badanie nabytego metabolizmu wydawało się do tego pasować, ponieważ w dużej mierze dotyczy tego, w jaki sposób organizmy mogą poszerzać swoje nisze.

Czy to, co ludzie mają z naszymi bakteriami jelitowymi, to nabyty metabolizm?

Myślę, że to świetny przykład. Tak wiele z naszej zdolności do spożywania różnych źródeł żywności i ich metabolizowania sprowadza się do tych bakterii. Niektóre ważne witaminy i kofaktory, których potrzebujemy, takie jak witamina K, są wytwarzane przez drobnoustroje żyjące w naszych jelitach. Jesteśmy bardzo uzależnieni od tych partnerstw.

Co skłoniło Cię do tego kierunku badań?

Wiesz, bakterie często przechodzą przez proces zwany „przewracaniem się i bieganiem”. Podążają za jakąś chemiczną wskazówką w kierunku zasobu, ale kiedy sygnał słabnie, zatrzymują się, obracają i odlatują w przypadkowym kierunku. Myślę, że dotyczy to również wielu naukowców, w tym mnie. Często podążamy za własnym nosem i gonimy za rzeczami, które nas ekscytują. A czasami prowadzi nas w nieoczekiwane miejsca.

Miałem szczęście. Moi rodzice oboje kształcili się jako naukowcy i chociaż żadne z nich nie pracowało jako jedno z nich, gdy dorastałem, wiedziałem, że badania są opcją kariery. Miałem też dużo szczęścia na studiach licencjackich na Rutgers University, ponieważ miałem profesorów, którzy się mną interesowali i połączyli mnie z członkiem wydziału prowadzącym badania nad mikrobami morskimi. Naukowiec, z którym pracowałem po raz pierwszy, Paweł Falkowski, ma eklektyczne zainteresowania. Ale jedną z rzeczy, które wtedy badał, było to, jak chloroplasty rozprzestrzeniły się wokół drzewa życia.

Od tego zaczęło się moje zainteresowanie metabolizmem nabytym. Uznałem to za całkowicie fascynujące, pomysł, że coś, o czym dowiedziałem się z podręczników jako cecha roślin, było w rzeczywistości czymś, co nabyli kilka miliardów lat temu, połykając bakterię. I że zdarzyło się to wiele razy. Zacząłem pracować z Pawłem i Matt Johnson, który był wówczas jego doktorem habilitowanym, na temat organizmów, które dziś kradną chloroplasty i co mogą nam powiedzieć o tym procesie ewolucyjnym.

Uwielbiam pomysł, że organizm może rozpocząć życie bez chloroplastu, a potem po prostu go podnieść.

Dobrze? Wyobraź sobie, że jedliśmy sałatkę na lunch, a potem nagle nasze ręce zrobiły się zielone! Mieszkam teraz w Południowej Kalifornii — mogłem spacerować między zajęciami i uzyskać całą energię, której potrzebowałem. Chociaż lubię jeść lunch, więc nie jestem pewien, czy naprawdę by mi to smakowało.

W wielu przypadkach te organizmy, które otrzymują chloroplasty, są całkowicie związane z fotosyntezą. Niektóre gatunki, nad którymi pracujemy, umarłyby, gdyby nie mogły fotosyntezować, więc nie mogą przetrwać, jeśli nie mogą znaleźć zdobyczy, z której mogłyby ukraść chloroplasty. To dla mnie ewolucyjna ciekawostka, że ​​wycofali się w ten kąt.

Czy te gatunki muszą ciągle kraść chloroplasty, ponieważ w końcu się psują?

Generalnie tak. Jednak te linie kradnące chloroplast różnią się pod względem tego, jak dobrze radzą sobie z utrzymaniem chloroplastu. W tej grupie orzęsków morskich nad którymi pracujemy tzw Mezodyna, niektóre linie w ogóle nie kradną chloroplastów. Niektórzy kradną je i bardzo szybko wbijają w ziemię. A inne kradną je, ale także kradną funkcjonalne jądra swojej ofiary, co oznacza, że ​​mogą wytworzyć więcej chloroplastów.

Uwielbiam metaforę, że ci, którzy nie kradną chloroplastów, są jak grzeczne dziecko, które nigdy nie ukradło samochodu. Inni kradną samochód na przejażdżkę, rozbijają go o drzewo i porzucają. Ale są tacy, którzy kradną samochód, ale także instrukcję obsługi i budują warsztat mechaniczny, aby dobrze zająć się skradzionym mieniem.

Istnieje całe spektrum, a ponieważ są one blisko spokrewnione, możemy zapytać: Jakie są różnice ewolucyjne między tymi organizmami, które ułatwiły przejścia?

Czy kiedykolwiek dziedziczą chloroplasty z komórek macierzystych? Jeśli komórki dzielą się, aby się rozmnażać, czy chloroplasty również nie są przekazywane dalej?

Niektóre z nich tak. W niektórych liniach, kiedy komórki się dzielą, dzielą między sobą przydział chloroplastów. Aby odświeżyć i uzupełnić chloroplasty, muszą je ukraść, jedząc.

Ale komórki, które przechowują skradzione jądro – skradzioną instrukcję obsługi – mogą spowodować podział chloroplastów wraz z resztą komórki. Wydaje się, że jądra są tym, za co wciąż muszą jeść. Kiedy złapią komórkę zdobyczy, trzymają się jej chloroplastów, bo dlaczego nie? Ale wydaje się, że tak naprawdę najważniejsze jest to, że wychwytują nowe jądra.

Jak to możliwe, że orzęski czerpią energię z czyjejś maszynerii komórkowej?

To naprawdę interesujące pytanie. Kiedy niektóre Mezodyna orzęski jedzą, pozbawiają większość komórki ofiary. Mikroskopia elektronowa wykazała, że ​​chloroplasty są całkiem nienaruszone, ale wciąż znajdują się wewnątrz reliktowej błony komórkowej ofiary. A potem orzęski mają własną błonę wokół tego wszystkiego, ponieważ orzęski wbiły komórkę zdobyczy w wakuolę [pęcherzyk błonowy], kiedy ją połknął.

Naprawdę nie wiemy, jak molekuły poruszają się w tym wielobłonowym systemie. To jest coś, w co staramy się teraz zagłębić, śledząc, dokąd zmierzają białka.

Na jakie pytanie ewolucyjne pomaga ci odpowiedzieć ta praca?

Kiedy uczymy fotosyntezy w szkole, skupiamy się głównie na roślinach lądowych, których przodkowie zbierali chloroplasty 2 miliardy lat temu, kiedy udomowili wolno żyjące cyjanobakterie jako endosymbionty.

Kiedy jednak przyjrzymy się fitoplanktonowi w systemach oceanicznych i słodkowodnych, obraz jest znacznie bardziej skomplikowany. Często patrzymy na organizmy, które mają tak zwany wtórny chloroplast, co oznacza, że ​​kiedyś w swojej ewolucyjnej historii otrzymały chloroplast z czegoś innego. Czasami można nawet zobaczyć ślady trzeciorzędowych chloroplastów, w których organizmy otrzymują chloroplasty pobrane z jakiejś trzeciej komórki. Uważamy, że te drugorzędne i trzeciorzędne zdarzenia endosymbiozy miały miejsce co najmniej pół tuzina razy. I to jest przyczyną ogromnej różnorodności eukariotycznego fitoplanktonu.

Jak wygląda przejście od bycia czymś, co jest heterotroficzne, do czegoś, co jest wysoce fotosyntetyczne? Jakie zmiany musisz wprowadzić w swojej fizjologii? Gdzie można przeżyć? Jakie muszą być gradienty doboru naturalnego? Nauka o Mezodyna daje nam wgląd w to, jak wyglądało to przejście.

Czy nabyty metabolizm pomaga organizmom iść naprzód?

W artykule, który opublikowaliśmy na początku tego roku, przyjrzeliśmy się organizmowi, który staje się fotosyntetyzujący dzięki endosymbiotycznym algom. To zarówno nabyty metabolizm, jak i symbioza. Możesz otworzyć te słodkowodne orzęski zwane Bursaria z Paramecium i odizolować glony, a glony będą szczęśliwie żyć i rosnąć samodzielnie.

Te pantofelki są jak małe rozmyte zielone plamki, które wirują na szalce Petriego. Zaczęliśmy przyglądać się, w jaki sposób zdolności konkurencyjne tych organizmów zależą od dostępności światła. Jeśli czerpią energię ze światła słonecznego, to im więcej jest światła słonecznego, tym więcej energii powinni otrzymać do wzrostu. Pomyśleliśmy, że rozszerzy się to na ich zdolność do konkurowania z innymi gatunkami.

Miałem niesamowicie utalentowaną studentkę, Weronika Hsu, który przetestował ten pomysł. Mieliśmy ten inkubator z lampkami i małymi butelkami z kulturami rosnącymi przy różnych poziomach oświetlenia. Co dwa dni Veronica pobierała próbki kultur i umieszczała ich małe kropelki na szalkach Petriego. Następnie policzyła liczbę różnych rodzajów orzęsków w każdej kropli.

Ale nawet bez dokładnego liczenia można było zauważyć w ciągu zaledwie kilku tygodni, że wszystkie białe, półprzezroczyste, niefotosyntetyczne orzęski znikały, podczas gdy cała jasnozielona pantofelek rosła. Rywalizacja rozgrywała się na waszych oczach.

Veronica wykazała, że ​​wraz ze wzrostem ilości światła wzrastała także zdolność do współzawodnictwa organizmu, który nabył fotosyntezę, będąc żywicielem glonów. A następnie zliczenie komórek pozwoliło nam uchwycić dane stojące za tym zjawiskiem.

Więc zebranie liczby komórek i zbudowanie modelu matematycznego tego, co się dzieje, było ważną częścią tego?

Tak, kiedy przeprowadzamy te eksperymenty, jest dużo liczenia. Mój kolega Karolina Tucker powiedział, kiedy razem chodziliśmy do szkoły: „Wiesz, ekologia to po prostu nauka liczenia”. W tamtym czasie byłem trochę urażony jej oświadczeniem, ale nie myliła się.

Jest część mnie, która zawsze będzie myśleć, że nic nie zastąpi siedzenia z badanym organizmem i zakochania się w nim trochę w laboratorium lub w terenie. Siedząc w ciemnym pokoju, patrząc przez mikroskop, masz wrażenie, że wyczuwasz osobowości tych różnych gatunków. Niektóre z tych pantofelków są srebrzystobiałe, w kształcie łezki i bardzo przezroczyste, ponieważ nie mają żadnych fotosyntetycznych alg. Kiedy są w zupełnie nowej butelce z dużą ilością zasobów bakteryjnych, poruszają się powoli, ale potem, w miarę trwania eksperymentu, można zobaczyć, jak stają się głodne na twoich oczach i zaczynają pływać naprawdę szybko. Możesz też prowadzić obserwacje, które następnie prowadzą do dodatkowych wniosków.

Możliwość łączenia eksperymentów laboratoryjnych z modelami matematycznymi zmusza mnie do szczerego i jednoznacznego wyrażania tego, co myślę, że się dzieje. Co rozumiemy przez „nabycie” metabolizmu? Jakie zasoby uzyskuje komórka, organizując fotosyntezę? Jak dokładnie wpływa to na jego zdolności konkurencyjne?

Teraz mamy model, który, jak wiemy, opisuje, w jaki sposób nabyty metabolizm może zmienić zdolność do rywalizacji. Ma to wpływ nie tylko na nabytą fotosyntezę, ale także na inne nabytki metabolizmu. Dokładne szczegóły, które podłączamy do modelu, mogą się zmieniać w zależności od systemu. Ale mamy ramy do wykorzystania.

Rozmawialiśmy o przewagach konkurencyjnych, które mogą wynikać z nabytej przemiany materii. Ale czy są jakieś wady przejmowania metabolizmu innej osoby?

Zdecydowanie. Istnieje teoria, że ​​nasze mitochondria — kolejna metaboliczna organella, którą nabyliśmy w wyniku endosymbiozy — są przyczyną starzenia się.

Z ich powodu angażujemy się w metabolizm tlenowy, wykorzystując tlen do spalania węglowodanów i innych cząsteczek w celu uzyskania energii. Ale reaktywne czynniki wytwarzane przez mitochondria i chloroplasty mogą również utleniać i degradować DNA naszego organizmu. Są to niebezpieczne rzeczy, które można umieścić obok materiału genetycznego.

Jedną z rzeczy, które czasami obserwujemy u tych organizmów, które kradną chloroplasty, jest to, że mają one dużo ochronnej maszynerii antyoksydacyjnej, która pomaga im radzić sobie z przyjmowaniem chloroplastów. Posiadanie chloroplastu może sprawić, że przebywanie w miejscach o dużym oświetleniu będzie bardzo niebezpieczne. Generalnie można się poparzyć. Jedna fajna rzecz zademonstrowana przez Zuzanna Strom, naukowiec z Western Washington University w stanie Waszyngton, jest taki, że kiedy organizmy jedzą komórki zawierające chloroplasty, mają tendencję do szybszego ich trawienia, gdy jest więcej dostępnego światła. Może tak być, ponieważ światło pomaga rozkładać chloroplast. Ale może też być tak, że ten organizm myśli: „Igram tutaj z ogniem; Muszę się tego pozbyć”.

Rodzi to interesujące pytania o typy środowisk, w których te organizmy mogły żyć, kiedy po raz pierwszy zaczęły trzymać się chloroplastów. Podejrzewam, że było to prawdopodobnie słabo oświetlone środowisko, ponieważ jeśli twoje trawienie zależy od światła, słabsze światło spowolni je, a także zmniejszy szkody, jakie mogą wyrządzić chloroplasty. Możesz sobie z tym trochę więcej poradzić. I Mezodyna jest z pewnością gatunkiem słabo oświetlonym. Ale to bardzo anegdotyczne. Potrzebujemy dużo więcej dowodów. Ale oczywiście są też rzeczy, które zatrzymują chloroplasty, które również żyją w środowisku o dużym natężeniu światła.

Zauważyłem na twoim Twitterze, że dużo liczysz korzenie drzew. Co to ma wspólnego z tą inną pracą?

Jedną z rzeczy, które uwielbiam w byciu ekologiem teoretycznym, jest to, że mogę parać się wieloma różnymi systemami.

To kolejny aspekt nabytego metabolizmu, nad którym pracujemy. Mówiliśmy więc o kradzieży maszynerii metabolicznej z innego organizmu. Ale jest też metaboliczny mutualizm — nabywanie metabolizmu poprzez to naprawdę intymne partnerstwo między dwoma organizmami. Jak wszyscy wiemy, zadaniem drzew jest fotosynteza. Ale do fotosyntezy drzewa potrzebują składników odżywczych i wody z gleby. I okazuje się, zwłaszcza w ekosystemach umiarkowanych, że dostęp do tych zasobów uzyskują dzięki współpracy z grzybami, grzybami ektomikoryzowymi. Są to grzyby, które żyją głównie pod ziemią, choć czasami wypuszczają naprawdę pyszne grzyby, a czasem toksyczne. Grzyby współpracują z drzewami. Grzyby przodują w zbieraniu składników odżywczych z gleby, a drzewa dostarczają cukru z fotosyntezy, dzięki czemu mogą się wzajemnie wspierać.

Ten metaboliczny mutualizm pomaga drzewom przetrwać we wszelkiego rodzaju różnych warunkach środowiskowych i poszerzać ich niszę ekologiczną. Drzewo może współpracować z pewnymi grzybami, które są dobre dla jednego środowiska, oraz z różnymi grzybami w innym środowisku. Uważamy, że pozwala to drzewom zarabiać na życie w bardziej zróżnicowanym zestawie warunków środowiskowych, niż gdyby były same.

Tyle się mówi o mikrobiomie, ale zapominamy, że na początku musiało być naprawdę trudno nawiązać wszystkie te relacje z mikrobami.

Tak, całkowicie. Kiedy uzyskujemy lepsze dane środowiskowe z sekwencjonowania, widzimy, że prawie wszystko ma jakiś rodzaj mikrobiomu, nawet jeśli żyje na zewnątrz. Kto kontrolował czyją ewolucję, wiesz? Może po prostu musieliśmy sobie poradzić z faktem, że nasze wnętrzności zostaną skolonizowane przez robale i zrobiliśmy z tego wszystko, co w naszej mocy.

Dlatego uważam, że badanie nabytego metabolizmu jest tak fascynujące. Badacie organizmy, które dzisiaj dokonują tych nabytków. Dostajesz pewien wgląd w to, jak radzili sobie z tym ekologicznie w przeszłości, jaka była presja selekcyjna i tak dalej.

Mam wrażenie, że ekologia teoretyczna ostatnio eksploduje.

Myślę, że jest to teraz bardzo modne.

Myślę, że część rosnącego zainteresowania teorią wynika z przytłaczającej ilości informacji, którymi dysponujemy. Kiedy masz stosy danych, nadajesz im sens, opracowując pewne ujednolicające teorie na ich temat. A modele matematyczne są jednym ze sposobów podejścia do tego problemu. Myślę, że dlatego nasi absolwenci są bardziej zainteresowani tymi tematami, a uniwersytety zatrudniają teoretyków ekologów. W pewnym sensie sprowadza się to do: Mamy ogromne dane. I jesteśmy gotowi.