Predstavitev
Narava, rdeča v zobeh in krempljih, je polna organizmov, ki jedo svoje sosede, da bi napredovali. Toda v sistemih, ki jih proučuje teoretični ekolog Holly Moeller, docent za ekologijo, evolucijo in morsko biologijo na kalifornijski univerzi v Santa Barbari, zaužiti postanejo del potrošnika na presenetljive načine.
Moeller preučuje predvsem protiste, široko kategorijo enoceličnih mikroorganizmov, kot so amebe in paramecije, ki ne sodijo v znane makroskopske kategorije živali, rastlin in gliv. Kar jo najbolj fascinira, je sposobnost nekaterih protistov, da kooptirajo dele celic, ki jih plenijo. Oboroženi s temi še delujočimi deli svojega plena se lahko protisti razširijo v nove habitate in preživijo tam, kjer prej niso mogli.
Njihovo opazovanje daje Moellerju poseben pogled na temeljno strukturo današnjih ekosistemov in evolucijske sile, ki so jih ustvarile. Krajanje organelov protistov se morda zdi nenavadno, toda mitohondriji v naših lastnih celicah nas označujejo kot produkte sorodne presnovne pridobitve naših davnih prednikov.
"V najširšem smislu so to vprašanja o tem, kdaj in kako se organizmi specializirajo in kako lahko prekinejo to specializacijo z dostopom do nečesa novega," je dejala. "Zame to delo obravnava vprašanja o tem, kako organizmi širijo svojo ekološko nišo, kako so lahko te pridobitve trajne in kaj to pomeni o tem, kako presnova skače čez konice vej dreves življenja."
Quanta z Moellerjevo po telefonu govorila o njeni karieri, raziskavah pridobljenega metabolizma in teoretični ekologiji. Intervju je bil zgoščen in urejen zaradi jasnosti.
V krogih ekologije in evolucije ste postali dobro znani po svojem delu o »pridobljenem metabolizmu«. Je to izraz, ki ste ga izmislili?
Ne namerno. To je tisto, kar mislim z deli vašega metabolizma, ki niso kodirani v vašem lastnem genomu. Dostop do njih na nek način pridobite tako, da se povežete z drugo vrsto.
To vključuje nekatere oblike simbioze, vendar je več kot to. Vključuje tudi stvari, kot je pridobivanje kloroplastov, evkariontskih organelov za fotosintezo, iz zaužitega plena in celo horizontalni prenos genov, kjer en sam gen ali celoten paket presnovnih genov iztrga iz enega organizma drugemu.
Po izobrazbi sem skupnostni ekolog, zato me zelo zanimajo vloge, ki jih imajo organizmi v ekosistemih, in kako se te niše širijo in krčijo v času njihovega življenja. Preučevanje pridobljenega metabolizma se je zdelo kot naravno ujemanje s tem, ker gre v veliki meri za to, kako lahko organizmi razširijo svoje niše.
Je to, kar imajo ljudje z našimi črevesnimi bakterijami, pridobljen metabolizem?
Mislim, da je to odličen primer. Toliko naše sposobnosti, da uživamo različne vire hrane in jih presnavljamo, je odvisno od teh bakterij. Nekatere pomembne vitamine in kofaktorje, ki jih potrebujemo, kot je vitamin K, proizvajajo mikrobi, ki živijo v našem črevesju. Zelo smo odvisni od teh partnerstev.
Kaj vas je vodilo v to smer raziskovanja?
Veste, bakterije se pogosto gibljejo skozi proces, ki se imenuje "prevrni in teče". Sledijo nekemu kemičnemu znaku proti viru, a ko signal izzveni, se ustavijo, zavrtijo in gredo v naključno smer. Mislim, da to velja tudi za mnoge znanstvenike, vključno z mano. Pogosto sledimo svojemu nosu in se preganjamo za stvarmi, nad katerimi smo navdušeni. In včasih nas pripelje na nepričakovana mesta.
Predstavitev
Imel sem srečo. Moja starša sta bila oba izobražena za znanstvenika, in čeprav nobeden od njiju ni delal kot znanstvenik, ko sem odraščal, sem vedel, da je raziskovanje karierna možnost. Imel sem tudi veliko srečo pri dodiplomskem izobraževanju na Univerzi Rutgers, saj sem imel profesorje, ki so me zanimali in me povezali s članom fakultete, ki je raziskoval morske mikrobe. Znanstvenik, s katerim sem najprej delal, Paul Falkowski, ima eklektične interese. Toda ena od stvari, ki jih je takrat preučeval, je bila, kako so se kloroplasti razširili okoli drevesa življenja.
Tu se je začelo moje zanimanje za pridobljeno presnovo. Zdela se mi je popolnoma fascinantna ta zamisel, da je nekaj, kar sem se naučil v učbenikih kot značilnost rastlin, dejansko nekaj, kar so pridobile pred nekaj milijardami let z zaužitjem bakterije. In da se je to zgodilo večkrat. Začel sem delati s Paulom in Matt Johnson, ki je bil takrat njegov doktorat, o organizmih, ki danes kradejo kloroplaste, in o tem, kaj bi nam lahko povedali o tem evolucijskem procesu.
Všeč mi je zamisel, da lahko organizem začne živeti brez kloroplasta, nato pa ga preprosto izbere.
Prav? Predstavljajte si, da bi za kosilo jedli solato, potem pa bi naše roke nenadoma pozelenele! Trenutno živim v južni Kaliforniji — med predavanji bi se lahko sprehodil in dobil vso energijo, ki jo potrebujem. Čeprav rada jem kosilo, nisem prepričana, da bi mi to res prijalo.
V mnogih primerih ti organizmi, ki pridobijo kloroplaste, postanejo precej vezani na fotosintezo. Nekatere vrste, na katerih delamo, bi umrle, če ne bi mogle fotosintetizirati, zato ne morejo preživeti, če ne najdejo plena, iz katerega bi lahko ukradle kloroplaste. Zame je evolucijska radovednost, da so se zaprli v ta kot.
Ali morajo te vrste kar naprej krasti kloroplaste, ker sčasoma razpadejo?
Na splošno ja. Vendar se te linije, ki kradejo kloroplast, razlikujejo glede na to, kako dobre so pri vzdrževanju kloroplasta. V tej skupini morskih migetalk, ki jih obdelujemo, se imenuje mezodinij, nekatere linije sploh ne ukradejo kloroplastov. Nekateri jih res hitro ukradejo in poženejo v zemljo. In drugi jih ukradejo, pa tudi ukradejo funkcionalna jedra svojemu plenu, kar pomeni, da lahko naredijo več kloroplastov.
Metafora, ki mi je všeč, je, da so tisti, ki ne ukradejo kloroplastov, kot lepo vzgojen otrok, ki še nikoli ni ukradel avta. Drugi ukradejo avto za veselje, se z njim zaletijo v drevo in ga zapustijo. Toda obstajajo nekateri, ki ukradejo avto, pa tudi navodila za uporabo, in zgradijo mehanično delavnico, da dobro skrbijo za ukradeno lastnino.
Obstaja celoten spekter in ker so tesno povezani, se lahko vprašamo: kakšne so evolucijske razlike med temi organizmi, ki so olajšale prehode?
Ali kdaj podedujejo kloroplaste od svojih starševskih celic? Če se celice delijo za razmnoževanje, ali se ne prenesejo tudi kloroplasti?
Nekateri od njih. V nekaterih linijah, ko se celice delijo, razdelijo razdelek kloroplasta med seboj. Da bi osvežili in napolnili svoje kloroplaste, jih morajo ukrasti s hrano.
Toda celice, ki hranijo ukradeno jedro – ukraden priročnik z navodili – lahko povzročijo delitev kloroplastov skupaj s preostankom celice. Zdi se, da morajo jedra še jesti. Ko ujamejo celico plena, se obesijo na njene kloroplaste, zakaj pa ne? Vendar se zdi, da je resnično kritično to, da poberejo nova jedra.
Predstavitev
Kako je mogoče, da ciliati pridobivajo energijo iz celičnega stroja nekoga drugega?
To je res zanimivo vprašanje. Ko nekateri od mezodinij ciliati jedo, odtrgajo večino plenske celice. Elektronska mikroskopija je pokazala, da so kloroplasti precej nedotaknjeni, vendar so tudi še vedno znotraj reliktne celične membrane plena. In potem ima migetalka lastno membrano okoli vsega tega, ker je migetalka plensko celico zataknila v vakuolo [membranski vezikel], ko jo je zaužila.
Resnično ne vemo, kako se molekule premikajo po tem večmembranskem sistemu. To je nekaj, v kar zdaj poskušamo kopati, tako da sledimo, kam gredo beljakovine.
Na katero evolucijsko vprašanje vam pomaga odgovoriti to delo?
Ko se v šoli poučujemo o fotosintezi, se največ osredotočamo na kopenske rastline, katerih predniki so pobrali kloroplaste pred 2 milijardama let, ko so kot endosimbionite udomačili prostoživeče cianobakterije.
Ko pa pogledamo fitoplankton v oceanskih in sladkovodnih sistemih, je slika veliko bolj zapletena. Pogosto gledamo organizme, ki imajo tako imenovani sekundarni kloroplast, kar pomeni, da so nekoč v svoji evolucijski zgodovini pridobili kloroplast iz nečesa drugega. Včasih vidite celo dokaze o terciarnih kloroplastih, kjer organizmi dobivajo kloroplaste, ki so bili vzeti iz neke tretje celice. Ti dogodki sekundarne in terciarne endosimbioze so se po našem mnenju zgodili vsaj pol ducata. In to je povzročilo ogromno raznolikost evkariontskega fitoplanktona.
Kako izgleda preiti iz nečesa, kar je heterotrofno, v nekaj, kar je zelo fotosintetično? Kakšne spremembe morate narediti v svoji fiziologiji? Kje lahko preživiš? Kateri gradienti naravne selekcije morajo biti vzpostavljeni? Študija o mezodinij nam daje vpogled v to, kako je ta prehod izgledal.
Ali pridobljeni metabolizem pomaga organizmom napredovati?
V prispevku, ki smo ga objavili v začetku tega leta, smo si ogledali organizem, ki postaja fotosintetičen z gostovanjem endosimbiotičnih alg. To je tako pridobljen metabolizem kot simbioza. Lahko bi odprli te sladkovodne migetalke, imenovane Paramecium bursaria in izolirali alge, pa bi alge srečno živele in rasle same.
Te paramecije so kot majhne mehke zelene madeže, ki se vrtijo v petrijevki. Začeli smo iskati, kako so tekmovalne sposobnosti teh organizmov odvisne od razpoložljivosti svetlobe. Če dobivajo energijo iz sončne svetlobe, potem več kot je sončne svetlobe, več energije bi morali dobiti za rast. Mislili smo, da se bo to razširilo na njihovo sposobnost tekmovanja z drugimi vrstami.
Imel sem neverjetno nadarjenega dodiplomskega študenta, Veronika Hsu, ki je to idejo preizkusil. Imeli smo ta inkubator z nizi luči in majhnimi bučkami kultur, ki rastejo na različnih ravneh svetlobe. Vsaka dva dni je Veronica vzela vzorce kultur in jih dala majhne kapljice v petrijevke. Nato je preštela število različnih vrst migetalk v vsaki kapljici.
Predstavitev
Toda tudi brez natančnega štetja ste lahko v samo nekaj tednih videli, da vsi beli prosojni nefotosintetični migetalci izginjajo, medtem ko se vse svetlo zelene paramecije povečujejo. Lahko bi videli, kako se konkurenca odvija pred vašimi očmi.
Veronica je pokazala, da se je z večjo svetlobo povečala tudi konkurenčna sposobnost organizma, ki je pridobil fotosintezo z gostovanjem alg. In nato nam je štetje celic omogočilo, da smo razumeli podatke za tem pojavom.
Torej je bilo pridobivanje teh celic in izdelava matematičnega modela dogajanja pomemben del tega?
Da, ko izvajamo te poskuse, je veliko štetja. Moj kolega Caroline Tucker rekel, ko sva bila skupaj v podiplomski šoli: "Veš, ekologija je samo znanost o štetju." Takrat sem bil nekoliko zamerljiv nad njeno izjavo, vendar se ni motila.
Obstaja del mene, ki bo vedno mislil, da ni nadomestila za sedenje s svojim študijskim organizmom in vzljubitev vanj v laboratoriju ali zunaj na terenu. Ko sedite v temni sobi in strmite skozi mikroskop, se vam zdi, da čutite osebnosti teh različnih vrst. Nekateri od teh paramecij so nekako srebrno beli in v obliki solze ter zelo prosojni, ker nimajo nobenih fotosintetskih alg. Ko so v popolnoma novi bučki z veliko bakterijskimi viri, nekako počasi brkljajo naokoli, potem pa, ko se poskus nadaljuje, je, kot da bi jih pred očmi videl, da postanejo lačni in začnejo zelo hitro plavati. In lahko podate opažanja, ki nato vodijo do dodatnih ugotovitev.
Možnost kombiniranja laboratorijskih poskusov z matematičnimi modeli me sili, da sem resnično pošten in ekspliciten glede tega, kar mislim, da se dogaja. Kaj mislimo s "pridobitvijo" metabolizma? Katere vire dobi celica s fotosintezo? Kako točno to vpliva na njegove konkurenčne sposobnosti?
Zdaj imamo model, za katerega vemo, da opisuje, kako lahko pridobljeni metabolizem spremeni konkurenčno sposobnost. In to ne vpliva samo na pridobljeno fotosintezo, ampak tudi na druge pridobitve metabolizma. Točne podrobnosti, ki jih vključimo v model, se lahko razlikujejo glede na sistem. Vendar imamo okvir za uporabo.
Govorili smo o konkurenčnih prednostih, ki lahko izhajajo iz pridobljenega metabolizma. Toda ali obstajajo slabe strani prevzemanja presnove nekoga drugega?
Vsekakor. Obstaja teorija, da so naši mitohondriji – še en presnovni organel, ki smo ga pridobili z endosimbiozo – razlog, da se staramo.
Zaradi njih smo vključeni v aerobni metabolizem, pri čemer uporabljamo kisik za izgorevanje ogljikovih hidratov in drugih molekul za energijo. Toda reaktivni dejavniki, ki jih proizvajajo mitohondriji in kloroplasti, morda tudi oksidirajo in razgrajujejo DNK našega telesa. To so nevarne stvari, ki jih postavite poleg svojega genskega materiala.
Ena stvar, ki jo včasih opazimo pri teh organizmih, ki kradejo kloroplaste, je, da imajo veliko zaščitnih antioksidativnih strojev, ki jim pomagajo pri prevzemanju kloroplasta. Če imate kloroplast, je lahko zelo nevarno biti v prostorih z visoko svetlobo. V bistvu vas lahko opeče sonce. Ena kul stvar, ki jo je pokazal Suzanne Strom, znanstvenik iz zvezne države Washington na Univerzi Western Washington, je, da ko organizmi jedo celice s kloroplasti, jih hitreje prebavijo, ko je na voljo več svetlobe. Morda zato, ker vam svetloba pomaga razgraditi kloroplast. Lahko pa se tudi zgodi, da ta organizem misli: »Tukaj se igram z ognjem; Moram se ga znebiti.”
Predstavitev
To torej odpira zanimiva vprašanja o vrstah okolij, v katerih so ti organizmi morda živeli, ko so se začeli oprijemati kloroplastov. Sumim, da je šlo verjetno za okolje s slabšo svetlobo, ker če je vaša prebava odvisna od svetlobe, jo bo slabša svetloba upočasnila in tudi zmanjšala škodo, ki bi jo lahko povzročili kloroplasti. Lahko ga upravljate malo več. in mezodinij je zagotovo vrsta pri šibki svetlobi. Ampak to je zelo anekdotično. Potrebujemo veliko več dokazov. Seveda pa obstajajo tudi stvari, ki zadržijo kloroplaste, ki živijo tudi v okolju z visoko svetlobo.
Na vašem Twitterju sem opazil, da veliko preštevate drevesne korenine. Kaj ima to opraviti s tem drugim delom?
Ena od stvari, ki mi je všeč pri tem, da sem teoretični ekolog, je, da se lahko ukvarjam z veliko različnimi sistemi.
To je še en vidik pridobljenega metabolizma, na katerem delamo. Torej smo govorili o kraji presnovnih strojev iz drugega organizma. Obstaja pa tudi presnovni vzajemni odnos – pridobivanje metabolizma s tem resnično intimnim partnerstvom med dvema organizmoma. Kot vsi vemo, je dejavnost dreves fotosinteza. Toda za fotosintezo drevesa potrebujejo hranila in vodo iz zemlje. In izkazalo se je, zlasti v zmernih ekosistemih, da dobijo dostop do teh virov s partnerstvom z glivami, ektomikoriznimi glivami. To so gobe, ki večinoma živijo pod zemljo, čeprav včasih gorijo res okusne gobe, včasih pa tudi strupene. Glive so v partnerstvu z drevesi. Glive so odlične pri pridobivanju hranil iz zemlje, drevesa pa zagotavljajo sladkor s fotosintezo, tako da se lahko podpirajo.
Ta presnovna vzajemnost pomaga drevesom, da preživijo v vseh vrstah različnih okoljskih razmer in razširijo svojo ekološko nišo. Drevo lahko sodeluje z določenimi glivami, ki so dobre za eno okolje, in z različnimi glivami v drugem okolju. Menimo, da to drevesom omogoča preživetje v bolj raznolikih okoljskih pogojih, kot če bi bila sama.
Toliko se govori o mikrobiomu, vendar pozabljamo, da je bilo na začetku res težko vzpostaviti vse te odnose z mikrobi.
Ja, popolnoma. Ko s sekvenciranjem pridobivamo boljše okoljske podatke, opažamo, da ima tako rekoč vse nekakšen mikrobiom, tudi če živi zunaj. Kdo je nadziral čigav razvoj, veš? Mogoče smo se le morali spoprijeti z dejstvom, da se bodo v naše črevesje naselile žuželke, in smo to izkoristili po najboljših močeh.
Zato mislim, da je preučevanje pridobljenega metabolizma tako fascinantno. Preučujete organizme, ki te pridobivajo danes. Dobiš vpogled v to, kako so ekološko ravnali s tem v preteklosti, kakšni so bili selekcijski pritiski in podobno.
Čutim, da teoretična ekologija v zadnjem času eksplodira.
Mislim, da je zdaj zelo v modi.
Mislim, da del naraščajočega zanimanja za teorijo izhaja iz ogromne količine informacij, ki jih imamo zdaj. Ko imate kupe in kupe podatkov, jih osmislite tako, da o njih razvijete nekaj enotnih teorij. In matematični modeli so eden od načinov za pristop k temu problemu. Mislim, da je zato več zanimanja naših podiplomskih študentov za te teme oziroma zanimanja na univerzah za zaposlovanje teoretičnih ekologov. Nekako se skrči na: Imamo ogromno podatkov. In mi smo pripravljeni.
