Введение
Природа, красная клыками и когтями, изобилует организмами, которые поедают своих соседей, чтобы продвинуться вперед. Но в системах, изучаемых экологом-теоретиком Холли Меллер, доцент кафедры экологии, эволюции и морской биологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, потребители удивительным образом становятся частью потребителей.
Меллер в первую очередь изучает протистов, широкую категорию одноклеточных микроорганизмов, таких как амебы и парамеции, которые не вписываются в знакомые макроскопические категории животных, растений и грибов. Больше всего ее восхищает способность некоторых протистов кооптировать части клеток, на которые они охотятся. Вооружившись этими все еще функционирующими частями своей добычи, протисты могут проникнуть в новые места обитания и выжить там, где они не могли раньше.
Наблюдение за ними дает Меллеру отчетливое представление об основной структуре современных экосистем и эволюционных силах, которые их создали. Воровство протистами органелл может показаться странным, но митохондрии в наших собственных клетках указывают на то, что мы являемся продуктами родственного метаболического приобретения нашими древними предками.
«В самом широком смысле это вопросы о том, когда и как организмы специализируются, и как они могут сломать эту специализацию, получив доступ к чему-то новому», — сказала она. «Для меня эта работа затрагивает вопросы о том, как организмы расширяют свою экологическую нишу, как эти приобретения могут быть постоянными и что это означает в отношении того, как метаболизм прыгает по верхушкам ветвей деревьев жизни».
Quanta говорила с Меллер по телефону о своей карьере, исследованиях в области приобретенного метаболизма и теоретической экологии. Интервью было сокращено и отредактировано для ясности.
Вы стали широко известны в экологических и эволюционных кругах благодаря своей работе над «приобретенным метаболизмом». Это вы термин придумали?
Не умышленно. Это то, что я имею в виду под частями вашего метаболизма, которые не закодированы в вашем собственном геноме. Вы каким-то образом получаете к ним доступ, связываясь с другим видом.
Это включает в себя некоторые формы симбиоза, но не только это. Это также включает в себя такие вещи, как приобретение хлоропластов, эукариотических органелл для фотосинтеза, от проглоченной добычи и даже горизонтальный перенос генов, когда один ген или целый пакет метаболических генов вырываются из одного организма другим.
По образованию я общественный эколог, поэтому меня очень интересуют роли, которые организмы играют в экосистемах, и то, как эти ниши расширяются и сужаются в течение их жизни. Изучение приобретенного метаболизма кажется естественным для этого, потому что оно во многом связано с тем, как организмы могут расширять свои ниши.
То, что люди имеют с нашими кишечными бактериями, приобрело метаболизм?
Я думаю, это отличный пример. Большая часть нашей способности есть разнообразные источники пищи и усваивать их сводится к этим бактериям. Некоторые важные витамины и кофакторы, в которых мы нуждаемся, такие как витамин К, вырабатываются микробами, живущими внутри нашего кишечника. Мы очень зависим от этих партнерских отношений.
Что привело вас к этому направлению исследований?
Вы знаете, бактерии часто движутся в процессе, называемом «кувыркаясь и бегая». Они следуют какому-то химическому сигналу к ресурсу, но когда сигнал затухает, они останавливаются, вращаются и уходят в случайном направлении. Я думаю, что это справедливо и для многих ученых, в том числе и для меня. Мы часто следуем своему чутью и гоняемся за вещами, которые нас волнуют. И иногда это приводит нас в неожиданные места.
Введение
Мне повезло. Мои родители оба учились на ученых, и, хотя ни один из них не работал, пока я рос, я знал, что исследования — это вариант карьеры. Мне также очень повезло с учебой в Университете Рутгерса, где у меня были профессора, которые проявили интерес и связали меня с преподавателем, занимающимся исследованием морских микробов. Ученый, с которым я впервые работал, Пол Фальковски, имеет эклектичные интересы. Но одна из вещей, которую он изучал в то время, заключалась в том, как хлоропласты распространялись по древу жизни.
Именно здесь зародился мой интерес к приобретенному метаболизму. Я нашел это совершенно захватывающим, эта идея о том, что то, о чем я узнал из учебников как об особенностях растений, на самом деле было чем-то, что они получили пару миллиардов лет назад, проглотив бактерию. И что это случалось неоднократно. Я начал работать с Полом и Мэтт Джонсон, который в то время был его постдоком, об организмах, которые сегодня воруют хлоропласты, и о том, что они могут рассказать нам об этом эволюционном процессе.
Мне нравится идея, что организм может начать свою жизнь без хлоропласта, а затем просто подобрать его.
Правильно? Представьте, если бы мы съели салат на обед, а потом вдруг руки позеленели! Сейчас я живу в Южной Калифорнии — я мог бы прогуляться между уроками и получить всю необходимую мне энергию. Хотя мне нравится обедать, так что я не уверен, что мне это действительно понравится.
Во многих случаях эти организмы, получившие хлоропласты, становятся совершенно связанными с фотосинтезом. Некоторые из видов, над которыми мы работаем, погибли бы, если бы не могли фотосинтезировать, поэтому они не смогут выжить, если не смогут найти добычу, у которой можно украсть хлоропласты. Для меня эволюционное любопытство в том, что они загнали себя в этот угол.
Должны ли эти виды продолжать воровать хлоропласты, потому что они в конце концов разрушаются?
Как правило, да. Однако эти линии, похищающие хлоропласты, различаются по тому, насколько хорошо они поддерживают хлоропласт. В этой группе морских инфузорий, над которыми мы работаем, мезодиний, некоторые линии вообще не крадут хлоропласты. Некоторые крадут их и очень быстро загоняют в землю. А другие крадут их, но также крадут функциональные ядра у своих жертв, что означает, что они могут производить больше хлоропластов.
Метафора, которую я люблю, заключается в том, что те, кто не крадет хлоропласты, подобны благовоспитанному ребенку, который никогда не крадет машину. Другие крадут машину, чтобы покататься, врезаются в дерево и бросают ее. Но есть и те, кто крадет не только машину, но и руководство по эксплуатации, и строят мастерскую, чтобы бережно относиться к украденному имуществу.
Существует весь этот спектр, и поскольку они тесно связаны, мы можем задаться вопросом: каковы эволюционные различия между этими организмами, которые способствовали переходу?
Наследуют ли они когда-либо хлоропласты от своих родительских клеток? Если клетки делятся для размножения, не передаются ли и хлоропласты?
Некоторые из них делают. В некоторых линиях, когда клетки делятся, они делят хлоропласт между собой. Чтобы обновить и пополнить свои хлоропласты, им нужно украсть их, съев.
Но клетки, хранящие украденное ядро — украденное руководство по эксплуатации — могут заставить хлоропласты делиться вместе с остальной частью клетки. Кажется, ядра — это то, ради чего им все еще нужно есть. Когда они ловят клетку-жертву, они цепляются за ее хлоропласты, а почему бы и нет? Но кажется, что действительно важно то, что они подхватывают новые ядра.
Введение
Каким образом инфузории могут получать энергию от чужого клеточного механизма?
Это действительно интересный вопрос. Когда некоторые из мезодиний питаются инфузории, они сдирают большую часть клетки-жертвы. Электронная микроскопия показала, что хлоропласты почти не повреждены, но они все еще находятся внутри реликтовой клеточной мембраны жертвы. Кроме того, у инфузории есть собственная мембрана вокруг всего этого, потому что инфузория втыкает клетку-жертву в вакуоль [мембранный пузырь], когда проглатывает ее.
Мы действительно не знаем, как молекулы движутся по этой мультимембранной системе. Это то, что мы сейчас пытаемся изучить, следя за тем, куда идут белки.
На какой эволюционный вопрос эта работа поможет вам ответить?
Когда мы учим фотосинтез в школе, мы в основном сосредотачиваемся на наземных растениях, предки которых усвоили хлоропласты 2 миллиарда лет назад, когда они одомашнили свободноживущих цианобактерий в качестве эндосимбионтов.
Но когда мы смотрим на фитопланктон в океане и пресноводных системах, картина становится намного сложнее. Мы часто смотрим на организмы, у которых есть так называемый вторичный хлоропласт, что означает, что когда-то в своей эволюционной истории они получили хлоропласт из чего-то другого. Иногда вы даже видите признаки третичных хлоропластов, когда организмы получают хлоропласты, взятые из какой-то третьей клетки. Мы думаем, что эти вторичные и третичные события эндосимбиоза происходили по меньшей мере полдюжины раз. И это привело к огромному разнообразию эукариотического фитопланктона.
На что похоже превращение от гетеротрофного к чему-то высоко фотосинтезирующему? Какие изменения вы должны внести в свою физиологию? Где вы можете выжить? Какие градиенты естественного отбора должны иметь место? Изучение мезодиний дает нам представление о том, как выглядел этот переход.
Помогает ли приобретенный метаболизм организмам продвигаться вперед?
В статье, которую мы опубликовали ранее в этом году, мы рассмотрели организм, который становится фотосинтезирующим за счет эндосимбиотических водорослей. Это и приобретенный метаболизм, и симбиоз. Вы можете открыть этих пресноводных инфузорий, называемых Парамеций бурсария и изолировать водоросли, и водоросли будут счастливо жить и расти сами по себе.
Эти парамеции похожи на маленькие пушистые зеленые капли, которые кружатся в чашке Петри. Мы начали изучать, как конкурентные способности этих организмов зависят от наличия света. Если они получают энергию от солнечного света, то чем больше солнечного света, тем больше энергии они должны получить для роста. Мы думали, что это распространяется на их способность конкурировать с другими видами.
У меня был невероятно талантливый студент, Вероника Хсу, который проверил эту идею. У нас был инкубатор с несколькими лампами и небольшими колбами с культурами, растущими при разных уровнях освещения. Каждые два дня Вероника брала образцы культур и помещала их маленькие капельки в чашки Петри. Затем она подсчитала количество разных видов инфузорий в каждой капле.
Введение
Но даже без точного подсчета уже через несколько недель можно было заметить, что все белые полупрозрачные нефотосинтезирующие инфузории исчезали, а ярко-зеленые парамеции увеличивались. Вы могли видеть, как соревнование разыгрывается на ваших глазах.
Вероника показала, что по мере увеличения освещенности росла и конкурентоспособность организма, который приобрел фотосинтез за счет водорослей. А затем подсчет клеток позволил нам понять данные, лежащие в основе этого явления.
Таким образом, важной частью этого было получение подсчета клеток и построение математической модели происходящего?
Да, когда мы проводим эти эксперименты, приходится много считать. Мой коллега Кэролайн Такер сказал, когда мы вместе учились в аспирантуре: «Знаешь, экология — это просто наука о счете». В то время я был немного возмущен ее заявлением, но она не ошиблась.
Какая-то часть меня всегда будет думать, что ничто не заменит того, чтобы посидеть со своим изучаемым организмом и немного влюбиться в него в лаборатории или в полевых условиях. Сидя в темной комнате, глядя в микроскоп, вы чувствуете, что чувствуете характеры этих разных видов. Некоторые из этих парамеций имеют серебристо-белую каплевидную форму и очень прозрачны, потому что в них нет фотосинтезирующих водорослей. Когда они находятся в совершенно новой колбе с большим количеством бактериальных ресурсов, они как бы медленно передвигаются, но затем, когда эксперимент продолжается, вы можете видеть, как они проголодались на ваших глазах, и они начинают плавать очень быстро. И вы можете сделать наблюдения, которые затем приведут к дополнительным выводам.
Возможность совмещать лабораторные эксперименты с математическими моделями заставляет меня быть по-настоящему честным и откровенным в том, что, по моему мнению, происходит. Что мы подразумеваем под «приобретением» метаболизма? Какие ресурсы получает клетка за счет фотосинтеза? Как именно это влияет на его конкурентоспособность?
Теперь у нас есть известная нам модель, описывающая, как приобретенный метаболизм может изменить конкурентоспособность. И это имеет значение не только для приобретенного фотосинтеза, но и для других приобретений метаболизма. Точные детали, которые мы подключаем к модели, могут меняться в зависимости от системы. Но у нас есть структура для использования.
Мы говорили о конкурентных преимуществах, которые может дать приобретенный метаболизм. Но есть ли недостатки в том, чтобы завладеть чужим метаболизмом?
Определенно. Есть теория, что наши митохондрии — еще одна метаболическая органелла, которую мы приобрели в результате эндосимбиоза, — являются причиной нашего старения.
Из-за них мы участвуем в аэробном метаболизме, используя кислород для сжигания углеводов и других молекул для получения энергии. Но реактивные агенты, которые производят митохондрии и хлоропласты, могут также окислять и разрушать ДНК нашего организма. Такие вещи опасно класть рядом с вашим генетическим материалом.
Одна вещь, которую мы иногда видим в этих организмах, которые крадут хлоропласты, заключается в том, что у них много защитных антиоксидантных механизмов, которые помогают им справляться с захватом хлоропласта. Наличие хлоропластов может сделать очень опасным нахождение в условиях яркого света. В принципе можно обгореть. Одну крутую вещь продемонстрировал Сюзанна Стром, ученый из Университета Западного Вашингтона в штате Вашингтон, заключается в том, что когда организмы поедают клетки с хлоропластами, они, как правило, переваривают их быстрее, когда доступно больше света. Это может быть потому, что свет помогает вам разрушить хлоропласт. Но также может случиться так, что этот организм думает: «Я здесь играю с огнем; Я должен избавиться от него».
Введение
Это поднимает интересные вопросы о типах окружающей среды, в которой могли жить эти организмы, когда они впервые начали цепляться за хлоропласты. Я подозреваю, что это, вероятно, была среда с более низким освещением, потому что, если ваше пищеварение зависит от света, более низкий свет замедлит его, а также уменьшит вред, который могут нанести хлоропласты. Вы можете управлять им немного больше. И мезодиний определенно является видом при слабом освещении. Но это очень анекдотично. Нам нужно гораздо больше доказательств. Но, конечно, есть и такие существа, которые сохраняют хлоропласты и живут в ярко освещенной среде.
Я заметил в твиттере, что вы много считаете корни деревьев. Какое это имеет отношение к этой другой работе?
Что мне нравится в профессии эколога-теоретика, так это то, что я могу экспериментировать со множеством разных систем.
Это еще один аспект приобретенного метаболизма, над которым мы работаем. Итак, мы говорили о краже метаболических механизмов у другого организма. Но есть еще и метаболический мутуализм — приобретение метаболизма благодаря этому действительно тесному партнерству между двумя организмами. Дело деревьев, как мы все знаем, фотосинтез. Но для фотосинтеза деревьям нужны питательные вещества и вода из почвы. И оказывается, особенно в умеренных экосистемах, что они получают доступ к этим ресурсам, сотрудничая с грибами, эктомикоризными грибами. Это грибы, которые живут в основном под землей, хотя иногда они выращивают действительно вкусные грибы, а иногда и ядовитые. Грибы находятся в партнерстве с деревьями. Грибы превосходно собирают питательные вещества из почвы, а деревья производят сахар в результате фотосинтеза, поэтому они могут поддерживать друг друга.
Этот метаболический мутуализм помогает деревьям выживать во всевозможных условиях окружающей среды и расширять свою экологическую нишу. Дерево может сотрудничать с определенными грибами, которые хороши для одной среды, и с разными грибами в другой среде. Мы думаем, что это позволяет деревьям жить в более разнообразных условиях окружающей среды, чем если бы они жили сами по себе.
Так много говорят о микробиоме, но мы забываем, что, должно быть, было очень трудно установить все эти отношения с микробами в начале.
Да, полностью. По мере того, как мы получаем более качественные данные об окружающей среде в результате секвенирования, мы видим, что почти у всех есть какой-то микробиом, даже если он живет снаружи. Кто контролировал чью эволюцию, понимаете? Возможно, нам просто пришлось смириться с тем фактом, что наши кишки будут колонизированы жуками, и мы сделали все возможное.
Вот почему я думаю, что изучение приобретенного метаболизма так увлекательно. Вы изучаете организмы, которые делают эти приобретения сегодня. Вы получаете некоторое представление о том, как они справлялись с этим экологически в прошлом, каково было давление отбора и так далее.
Я чувствую, что теоретическая экология в последнее время взрывается.
Мне кажется, это сейчас очень модно.
Я думаю, что часть растущего интереса к теории происходит из-за огромного количества информации, которой мы располагаем сейчас. Когда у вас есть куча и куча данных, вы можете разобраться в них, разработав несколько объединяющих теорий. И математические модели являются одним из способов решения этой проблемы. Я думаю, именно поэтому среди наших аспирантов наблюдается больший интерес к этим темам, а в университетах интерес к найму экологов-теоретиков. Это как бы сводится к следующему: у нас есть массивные данные. И мы готовы.
