Introducere
Natura, roșie în dinți și gheare, este plină de organisme care își mănâncă vecinii pentru a merge înainte. Dar în sistemele studiate de ecologistul teoretic Holly Moeller, profesor asistent de ecologie, evoluție și biologie marine la Universitatea din California, Santa Barbara, consumații devin parte a consumatorului în moduri surprinzătoare.
Moeller studiază în primul rând protiștii, o categorie largă de microorganisme unicelulare, cum ar fi amibe și paramecii, care nu se încadrează în categoriile macroscopice familiare de animale, plante și ciuperci. Ceea ce o fascinează cel mai mult este capacitatea unor protiști de a coopta părți din celulele pe care le pradă. Înarmați cu aceste bucăți încă funcționale din prada lor, protiștii se pot extinde în noi habitate și pot supraviețui acolo unde nu puteau înainte.
Vizionarea acestora îi oferă lui Moeller o viziune distinctă asupra structurii subiacente a ecosistemelor de astăzi și asupra forțelor evolutive care le-au creat. Furtul de organele de către protiști poate părea bizar, dar mitocondriile din propriile noastre celule ne marchează ca produse ale unui tip de achiziție metabolică similară de către strămoșii noștri străvechi.
„În sensul cel mai larg, acestea sunt întrebări despre când și cum se specializează organismele și cum pot sparge această specializare obținând acces la ceva nou”, a spus ea. „Pentru mine, această lucrare abordează întrebări despre modul în care organismele își extind nișa ecologică, cum acele achiziții pot fi permanente și ce înseamnă asta despre modul în care metabolismul sare peste vârfurile ramurilor copacilor vieții.”
Cuante a vorbit cu Moeller prin telefon despre cariera ei, cercetările ei privind metabolismul dobândit și ecologia teoretică. Interviul a fost condensat și editat pentru claritate.
Ai devenit bine cunoscut în cercurile de ecologie și evoluție pentru munca ta despre „metabolismul dobândit”. Este un termen cu care ai venit?
Nu intenționat. Este ceea ce vreau să spun prin părți ale metabolismului tău care nu sunt codificate în propriul tău genom. Ai acces la ele într-un fel prin asocierea cu o altă specie.
Aceasta cuprinde unele forme de simbioză, dar este mai mult decât atât. Include, de asemenea, lucruri precum achiziția de cloroplaste, organele eucariote pentru fotosinteză, din prada ingerată și chiar transferul orizontal de gene, în care o singură genă sau un întreg pachet de gene metabolice este smuls dintr-un organism de către altul.
Sunt instruit ca ecologist comunitar, așa că sunt foarte interesat de rolurile pe care organismele le joacă în ecosisteme și de modul în care acele nișe se extind și se contractă în timpul vieții lor. Studiul metabolismului dobândit s-a simțit ca o potrivire naturală cu asta, deoarece este foarte mult despre modul în care organismele își pot extinde nișele.
Ceea ce au oamenii cu bacteriile noastre intestinale este metabolismul dobândit?
Cred că este un exemplu grozav. O mare parte din capacitatea noastră de a mânca diverse surse de alimente și de a le metaboliza se reduce la acele bacterii. Unele dintre vitaminele și cofactorii importanți de care avem nevoie, cum ar fi vitamina K, sunt fabricați de microbii care trăiesc în interiorul intestinului nostru. Ne bazăm foarte mult pe aceste parteneriate.
Ce te-a condus către această linie de cercetare?
Știi, bacteriile trec adesea printr-un proces numit „turbling and running”. Ei urmează un indiciu chimic către o resursă, dar când semnalul se stinge, se opresc, se învârt și pleacă într-o direcție aleatorie. Cred că acest lucru este valabil și pentru mulți oameni de știință, inclusiv pentru mine. Ne urmăm adesea nasul și urmărim lucruri de care suntem entuziasmați. Și uneori ne duce în locuri neașteptate.
Introducere
Am fost norocos. Părinții mei s-au pregătit ca oameni de știință și, deși niciunul dintre ei nu a lucrat ca unul singur în timp ce eu eram copil, știam că cercetarea este o opțiune de carieră. De asemenea, am avut foarte noroc în studiile mele de licență la Universitatea Rutgers, prin faptul că am avut profesori care s-au interesat și m-au pus în legătură cu un membru al facultății care face cercetări despre microbii marini. Omul de știință cu care am lucrat prima dată, Paul Falkowski, are interese eclectice. Dar unul dintre lucrurile pe care le studia la acea vreme a fost modul în care cloroplastele s-au răspândit în jurul arborelui vieții.
Aici a început interesul meu pentru metabolismul dobândit. Mi s-a părut cu totul fascinant, ideea că ceva despre care am învățat în manuale ca trăsătură a plantelor a fost de fapt ceva pe care l-au obținut acum câteva miliarde de ani prin ingerarea unei bacterii. Și că asta s-a întâmplat de mai multe ori. Am început să lucrez cu Paul și Mat Johnson, care era postdoctoratul său la acea vreme, despre organisme care fură cloroplaste astăzi și despre ce ne-ar putea spune despre acest proces evolutiv.
Îmi place ideea că un organism poate începe în viață fără un cloroplast și apoi să ia unul.
Dreapta? Imaginați-vă dacă am avea o salată la prânz și apoi brusc brațele ni s-au înverzit! Locuiesc în sudul Californiei chiar acum – aș putea să fac o plimbare între cursuri și să obțin toată energia de care aveam nevoie. Deși îmi place să mănânc prânzul, așa că nu sunt sigur că mi-ar plăcea cu adevărat asta.
În multe cazuri, aceste organisme care obțin cloroplaste devin destul de obligate să facă fotosinteză. Unele dintre speciile la care lucrăm ar muri dacă nu ar putea fotosintetiza, așa că nu pot supraviețui dacă nu găsesc pradă din care să fure cloroplastele. Este o curiozitate evolutivă pentru mine că s-au susținut în acest colț.
Aceste specii trebuie să continue să fure cloroplaste pentru că în cele din urmă se descompun?
În general, da. Cu toate acestea, aceste linii de furt de cloroplaste variază în ceea ce privește cât de bune sunt la menținerea cloroplastei. În acest grup de ciliați marini la care lucrăm se numește Mezodiniu, unele filiații nu fură deloc cloroplaste. Unii le fură și le aruncă în pământ foarte repede. Iar alții le fură dar le fură și nuclee funcționale de la pradă, ceea ce înseamnă că pot produce mai multe cloroplaste.
Metafora pe care o iubesc este că cei care nu fură cloroplaste sunt ca copilul bine comportat care nu a furat niciodată o mașină. Alții fură mașina pentru o plimbare, o lovesc într-un copac și o abandonează. Dar sunt unii care fură mașina, dar și manualul de utilizare, și își construiesc un atelier mecanic pentru a avea grijă de bunul furat.
Există tot acest spectru și, pentru că sunt strâns legate, ne putem întreba: Care sunt diferențele evolutive dintre aceste organisme care au facilitat tranzițiile?
Moștenesc ei vreodată cloroplaste din celulele lor părinte? Dacă celulele se divid pentru a se reproduce, nu se transmit și cloroplastele?
Unii dintre ei o fac. În unele linii, atunci când celulele se divid, ele împart alocația de cloroplast între ele. Pentru a-și împrospăta și umple cloroplastele, trebuie să le fure mâncând.
Dar celulele care păstrează nucleul furat - manualul de instrucțiuni furat - pot face ca cloroplastele să se dividă împreună cu restul celulei. Nucleele par să fie ceea ce mai trebuie să mănânce. Când prind o celulă de pradă, se agață de cloroplastele acesteia, pentru că de ce nu? Dar se pare că ceea ce este critic este că ei culeg nuclee noi.
Introducere
Cum este posibil ca ciliatii să obțină energie din mașinile celulare ale altcuiva?
Este o întrebare cu adevărat interesantă. Când unii dintre Mezodiniu ciliatii mananca, ei indeparteaza cea mai mare parte din celula prada. Microscopia electronică a arătat că cloroplastele sunt destul de intacte, dar sunt încă în interiorul membranei celulare relicve a prăzii. Și apoi ciliatul are o membrană proprie în jurul tuturor acestor lucruri, pentru că ciliatul a înfipt celula pradă într-o vacuola [veziculă membranară] când a ingerat-o.
Chiar nu știm cum se mișcă moleculele prin acest sistem multimembranar. Acesta este ceva în care încercăm să analizăm acum, urmărind unde merg proteinele.
La ce întrebare evolutivă vă ajută să răspundeți această lucrare?
Când predăm fotosinteza la școală, ne concentrăm mai ales asupra plantelor terestre, ai căror strămoși au luat cloroplaste acum 2 miliarde de ani, când au domesticit cianobacteriile libere ca endosimbioți.
Dar când ne uităm la fitoplanctonul din ocean și sistemele de apă dulce, imaginea este mult mai complicată. Ne uităm adesea la organisme care au ceea ce se numește un cloroplast secundar, ceea ce înseamnă că, cândva în istoria lor evolutivă, au obținut un cloroplast din altceva. Uneori vezi chiar dovezi de cloroplaste terțiare, unde organismele primesc cloroplaste care au fost luate dintr-o a treia celulă. Aceste evenimente secundare și terțiare de endosimbioză au avut loc, credem noi, de cel puțin o jumătate de duzină de ori. Și asta a dat naștere la marea diversitate a fitoplanctonului eucariot.
Cum arată să treci de la a fi ceva care este heterotrofic la ceva care este foarte fotosintetic? Ce schimbări trebuie să faci în fiziologia ta? Unde poți supraviețui? Ce gradienți de selecție naturală trebuie să existe? Studiul Mezodiniu ne oferă perspective despre cum a arătat această tranziție.
Metabolismul dobândit ajută organismele să avanseze?
În lucrarea pe care am publicat-o la începutul acestui an, ne-am uitat la un organism care devine fotosintetic găzduind alge endosimbiotice. Este atât un metabolism dobândit, cât și o simbioză. Ai putea deschide aceste ciliate de apă dulce numite Paramecium bursaria și izolează algele, iar algele ar trăi fericit și vor crește singure.
Aceste paramecie sunt ca niște mici pete verzi care se învârt în vasul Petri. Am început să ne uităm la modul în care abilitățile competitive ale acestor organisme depind de disponibilitatea luminii. Dacă primesc energie din lumina soarelui, atunci cu cât este mai multă lumină solară, cu atât ar trebui să obțină mai multă energie pentru creștere. Ne-am gândit că s-ar extinde la capacitatea lor de a concura cu alte specii.
Am avut un student incredibil de talentat, Veronica Hsu, care a testat ideea. Aveam acest incubator cu bancuri de lumini și flacoane mici de culturi care cresc la diferite niveluri de lumină. La fiecare două zile, Veronica a luat mostre din culturi și a pus mici picături din ele în vase Petri. Apoi a numărat numărul diferitelor tipuri de ciliați din fiecare picătură.
Introducere
Dar chiar și fără a face o numărare exactă, ai putut vedea în doar câteva săptămâni că toți ciliatii albi, transluci și non-fotosintetici, au dispărut, în timp ce toți paramecii verzi strălucitori creșteau. Puteai vedea cum se desfășoară competiția în fața ochilor tăi.
Veronica a arătat că pe măsură ce lumina creștea, la fel a crescut și capacitatea competitivă a organismului care dobândise fotosinteza găzduind algele. Și apoi numărarea celulelor ne-a permis să înțelegem datele din spatele acestui fenomen.
Deci obținerea acestor numărători de celule și construirea unui model matematic a ceea ce se întâmpla a fost o parte importantă a acestui lucru?
Da, când rulăm aceste experimente, se numără mult. Colegul meu Caroline Tucker a spus când eram la licență împreună: „Știi, ecologia este doar știința numărării”. La acea vreme, eram cam supărat față de afirmația ei, dar nu s-a înșelat.
Există o parte din mine care va crede întotdeauna că nu există un substitut pentru a sta cu organismul tău de studiu și a te îndrăgosti puțin de el în laborator sau pe teren. Stând într-o cameră întunecată, privind printr-un microscop, simți că simți personalitățile acestor specii diferite. Unele dintre aceste paramecii sunt un fel de alb argintiu și în formă de lacrimă și foarte translucide, deoarece nu au alge fotosintetice. Când sunt într-un balon nou-nouț, cu o mulțime de resurse bacteriene, se cam bâjbâie încet, dar apoi, pe măsură ce experimentul continuă, parcă le-ai vedea că le este foame în fața ochilor tăi și încep să înoate foarte repede. Și puteți face observații care duc apoi la constatări suplimentare.
A fi capabil să combin experimentele de laborator cu modele matematice mă obligă să fiu sincer și explicit cu privire la ceea ce cred că se întâmplă. Ce înțelegem prin „achiziție” metabolismului? Ce resurse obține celula găzduind fotosinteza? Cum anume îi afectează asta abilitățile competitive?
Acum avem un model despre care știm că descrie modul în care metabolismul dobândit poate schimba capacitatea competitivă. Și asta are implicații nu doar pentru fotosinteza dobândită, ci și pentru alte achiziții ale metabolismului. Detaliile exacte pe care le conectăm la model se pot schimba în funcție de sistem. Dar avem un cadru de folosit.
Am vorbit despre avantajele competitive care pot proveni din metabolismul dobândit. Dar există dezavantaje în a prelua metabolismul altcuiva?
Categoric. Există o teorie conform căreia mitocondriile noastre - un alt organel metabolic pe care l-am dobândit prin endosimbioză - sunt motivul pentru care îmbătrânim.
Din cauza lor, suntem angajați în metabolismul aerob, folosind oxigen pentru a arde carbohidrații și alte molecule pentru energie. Dar agenții reactivi pe care mitocondriile și cloroplastele îi produc ar putea, de asemenea, să oxideze și să degradeze ADN-ul corpului nostru. Acestea sunt lucruri periculoase de pus lângă materialul tău genetic.
Un lucru pe care îl vedem uneori la aceste organisme care fură cloroplaste este că au o mulțime de mașini antioxidante de protecție, care le ajută să se descurce cu luarea unui cloroplast. A avea un cloroplast poate face foarte periculos să fii în condiții de lumină puternică. Practic, te poți arde de soare. Un lucru cool demonstrat de Suzanne Strom, un om de știință din statul Washington de la Universitatea Western Washington, este că atunci când organismele mănâncă celule cu cloroplaste, au tendința de a le digera mai repede atunci când există mai multă lumină disponibilă. Ar putea fi pentru că lumina vă ajută să descompuneți cloroplastul. Dar s-ar putea și ca acest organism să se gândească: „Ma joc cu focul aici; Trebuie să scap de el.”
Introducere
Deci, acest lucru ridică întrebări interesante despre tipurile de medii în care ar fi putut trăi aceste organisme atunci când au început să se agațe de cloroplaste. Bănuiesc că a fost probabil un mediu cu lumină scăzută, deoarece dacă digestia ta depinde de lumină, lumina mai scăzută o va încetini și, de asemenea, va reduce răul pe care l-ar putea face cloroplastele. Îl poți gestiona puțin mai mult. Și Mezodiniu este cu siguranță o specie cu lumină scăzută. Dar asta e foarte anecdotic. Avem nevoie de mult mai multe dovezi. Dar, desigur, există și lucruri care rețin cloroplastele care trăiesc și într-un mediu cu lumină ridicată.
Am observat pe Twitter că faci o mulțime de numărare a rădăcinilor copacilor. Ce legătură are asta cu această altă lucrare?
Unul dintre lucrurile pe care îmi place să fiu un ecologist teoretic este că mă pot antrena în multe sisteme diferite.
Acesta este un alt aspect al metabolismului dobândit la care lucrăm. Așa că am vorbit despre furtul mașinilor metabolice de la alt organism. Dar există și mutualismul metabolic - dobândirea metabolismului prin acest parteneriat cu adevărat intim între două organisme. Afacerea copacilor, după cum știm cu toții, este fotosinteza. Dar pentru a fotosintetiza, copacii au nevoie de nutrienți și apă din sol. Și se dovedește, mai ales în ecosistemele temperate, că aceștia obțin acces la aceste resurse prin parteneriat cu ciuperci, ciuperci ectomicorizice. Acestea sunt ciuperci care trăiesc mai ales sub pământ, deși uneori pun ciuperci cu adevărat delicioase și uneori toxice. Ciupercile sunt în parteneriat cu copacii. Ciupercile excelează la recoltarea nutrienților din sol, iar copacii furnizează zahăr din fotosinteză, astfel încât să se poată susține reciproc.
Acest mutualism metabolic ajută copacii să supraviețuiască în tot felul de condiții de mediu diferite și să-și extindă nișa ecologică. Un copac se poate asocia cu anumite ciuperci care sunt bune pentru un mediu și cu diferite ciuperci într-un mediu diferit. Credem că acest lucru permite copacilor să își câștige existența într-un set mai divers de condiții de mediu decât dacă ar fi singuri.
Se vorbește atât de mult despre microbiom, dar uităm că trebuie să fi fost cu adevărat dificil să pornești la început toate acele relații cu microbii.
Da, în totalitate. Pe măsură ce obținem date de mediu mai bune din secvențiere, vedem că aproape totul are un fel de microbiom, chiar dacă trăiește în exteriorul lor. Cine controla a cui evoluție, știi? Poate că a trebuit doar să ne confruntăm cu faptul că măruntaiele noastre urmau să fie colonizate de insecte și am făcut tot ce e mai bun.
De aceea cred că studiul metabolismului dobândit este atât de fascinant. Studiați organisme care fac aceste achiziții astăzi. Veți obține o perspectivă asupra modului în care au gestionat acest lucru ecologic în trecut, care au fost presiunile de selecție și așa mai departe.
Simt că ecologia teoretică explodează în ultima vreme.
Cred că este foarte în vogă acum.
Cred că o parte a interesului în creștere pentru teorie provine din cantitatea covârșitoare de informații pe care o avem acum. Când aveți grămezi și grămezi de date, le înțelegeți prin dezvoltarea unor teorii unificatoare despre ele. Și modelele matematice sunt o modalitate de a aborda această problemă. Cred că de aceea a existat mai mult interes în rândul studenților noștri absolvenți pentru aceste subiecte, sau interes la universități pentru angajarea de ecologiști teoreticieni. Se rezumă la: Avem date masive. Și suntem pregătiți.
