Başkalarından Çalan Hücrelerde Ekolojinin Anahtarlarını Buluyor

Dişleri ve pençeleri kırmızı olan doğa, ilerlemek için komşularını yiyen organizmalarla dolu. Ancak teorik ekolojist tarafından incelenen sistemlerde Holly MoellerSanta Barbara'daki California Üniversitesi'nde ekoloji, evrim ve deniz biyolojisi alanında yardımcı doçent olan , tüketilen, şaşırtıcı şekillerde tüketicinin bir parçası haline geliyor.

Moeller öncelikle, bilinen makroskopik hayvan, bitki ve mantar kategorilerine uymayan amipler ve paramecia gibi geniş bir tek hücreli mikroorganizma kategorisi olan protistleri inceler. Onu en çok büyüleyen şey, bazı protistlerin, avladıkları hücrelerin parçalarını birlikte seçebilme yetenekleridir. Avlarının hala işlev gören bu parçalarıyla donanmış olan protistler, yeni habitatlara genişleyebilir ve daha önce yapamadıkları yerlerde hayatta kalabilirler.

Onları izlemek, Moeller'a günümüz ekosistemlerinin temel yapısına ve onları oluşturan evrimsel güçlere dair farklı bir bakış açısı sağlıyor. Protistlerin organel çalması tuhaf görünebilir, ancak kendi hücrelerimizdeki mitokondriler, bizi eski atalarımız tarafından benzer bir tür metabolik kazanımın ürünleri olarak işaretler.

"En geniş anlamda bunlar, organizmaların ne zaman ve nasıl uzmanlaştığı ve yeni bir şeye erişim sağlayarak bu uzmanlığı nasıl kırabilecekleri ile ilgili sorular" dedi. "Bana göre bu çalışma, organizmaların ekolojik nişlerini nasıl genişlettikleri, bu kazanımların nasıl kalıcı olabileceği ve bunun metabolizmanın hayat ağaçlarının dallarının uçlarından nasıl atladığıyla ilgili soruları ele alıyor."

Kuantum Moeller ile telefonda kariyeri, kazanılmış metabolizma ve teorik ekoloji araştırmaları hakkında konuştu. Röportaj netlik için kısaltılmış ve düzenlenmiştir.

Ekoloji ve evrim çevrelerinde "edinilmiş metabolizma" konusundaki çalışmalarınızla tanındınız. Bu senin bulduğun bir terim mi?

İstemeyerek. Metabolizmanızın kendi genomunuzda kodlanmayan kısımları derken bunu kastediyorum. Başka bir türle ilişki kurarak bir şekilde onlara erişim elde edersiniz.

Bu, bazı simbiyoz biçimlerini kapsar, ancak bundan daha fazlasıdır. Aynı zamanda, kloroplastların, fotosentez için ökaryotik organellerin, sindirilmiş avdan edinimi ve hatta tek bir genin veya bütün bir metabolik gen paketinin bir organizma tarafından bir başka organizmadan koparıldığı yatay gen aktarımı gibi şeyleri de içerir.

Topluluk ekolojisti olarak eğitim aldım, bu yüzden organizmaların ekosistemlerde oynadığı roller ve bu nişlerin yaşamları boyunca nasıl genişleyip daraldığı ile çok ilgileniyorum. Edinilmiş metabolizma çalışması buna doğal bir uyum gibi geldi, çünkü bu daha çok organizmaların nişlerini nasıl genişletebilecekleri ile ilgili.

İnsanların bağırsak bakterilerimizle sahip oldukları metabolizmayı mı kazandı?

Bence bu harika bir örnek. Çeşitli gıda kaynaklarını yeme ve onları metabolize etme yeteneğimizin çoğu, bu bakterilere bağlıdır. K vitamini gibi ihtiyaç duyduğumuz bazı önemli vitaminler ve kofaktörler, bağırsaklarımızın içinde yaşayan mikroplar tarafından üretilir. Bu ortaklıklara çok güveniyoruz.

Sizi bu araştırma hattına yönelten ne oldu?

Biliyorsunuz, bakteriler genellikle "yuvarlanma ve koşma" adı verilen bir süreçten geçerler. Bir kaynağa doğru bazı kimyasal ipuçlarını takip ederler, ancak sinyal azaldığında dururlar, dönerler ve rastgele bir yönde hareket ederler. Sanırım bu ben dahil birçok bilim insanı için de geçerli. Sık sık burnumuzu takip ediyoruz ve heyecanlandığımız şeylerin peşinden koşuyoruz. Ve bazen bizi beklenmedik yerlere götürür.

Şanslıydım. Annemle babam bilim insanı olarak eğitim aldılar ve ben büyürken ikisi de bilim insanı olarak çalışmadıysa da, araştırmanın bir kariyer seçeneği olduğunu biliyordum. Rutgers Üniversitesi'ndeki lisans eğitimimde de çok şanslıydım, çünkü deniz mikropları üzerine araştırma yapan bir öğretim üyesiyle ilgilenen ve beni ilgilendiren profesörlerim vardı. İlk birlikte çalıştığım bilim adamı, Paul Falkowski, eklektik ilgi alanlarına sahiptir. Ancak o sırada üzerinde çalıştığı konulardan biri de kloroplastların hayat ağacının etrafına nasıl yayıldığıydı.

Edinilmiş metabolizmaya olan ilgim burada başladı. Bitkilerin bir özelliği olarak ders kitaplarında öğrendiğim bir şeyin aslında birkaç milyar yıl önce bir bakteriyi yutarak elde ettikleri bir şey olduğu fikrini tamamen büyüleyici buldum. Ve bu birden çok kez oldu. Paul ile çalışmaya başladım ve Matt Johnson, günümüzde kloroplast çalan organizmalar ve bunların bize bu evrimsel süreç hakkında neler anlatabilecekleri üzerine doktorasını o sırada üstlenmişti.

Bir organizmanın hayata kloroplast olmadan başlayabileceği ve sonra bir tane seçebileceği fikrine bayılıyorum.

Doğru? Öğle yemeğinde salata yediğimizi ve sonra aniden kollarımızın yeşile döndüğünü hayal edin! Şu anda Güney Kaliforniya'da yaşıyorum - dersler arasında yürüyüş yapabilir ve ihtiyacım olan tüm enerjiyi alabilirim. Öğle yemeği yemeyi sevmeme rağmen, bundan gerçekten hoşlanacağımdan emin değilim.

Çoğu durumda, kloroplast elde eden bu organizmalar, fotosentez yapmaya oldukça bağlı hale gelirler. Üzerinde çalıştığımız bazı türler fotosentez yapamazlarsa ölürler, dolayısıyla kloroplast çalacak av bulamazlarsa hayatta kalamazlar. Kendilerini bu köşeye sıkıştırmaları benim için evrimsel bir merak.

Bu türler sonunda bozuldukları için kloroplast çalmaya devam etmek zorunda mı?

Genel olarak, evet. Bununla birlikte, bu kloroplast çalan soylar, kloroplastı korumada ne kadar iyi olduklarına göre değişir. Adı verilen üzerinde çalıştığımız bu deniz siliatları grubunda mezodinyum, bazı soylar hiç kloroplast çalmaz. Bazıları onları çalar ve gerçekten hızlı bir şekilde yere fırlatır. Ve diğerleri onları çalar ama aynı zamanda avlarından işlevsel çekirdekler de çalar, bu da daha fazla kloroplast yapabilecekleri anlamına gelir.

Sevdiğim metafor, kloroplast çalmayanların hiç araba çalmamış uslu çocuğa benzemesidir. Diğerleri arabayı gezinti için çalar, bir ağaca çarpar ve terk eder. Ama arabayı ve kullanım kılavuzunu da çalanlar var ve çalınan mala iyi bakmak için bir tamirci dükkanı kuruyorlar.

Bütün bir spektrum var ve yakından ilişkili oldukları için şunu sorabiliriz: Geçişleri kolaylaştıran bu organizmalar arasındaki evrimsel farklılıklar nelerdir?

Kloroplastları ana hücrelerinden miras alıyorlar mı? Hücreler çoğalmak için bölünürse kloroplastlar da geçmiyor mu?

Bazıları öyle. Bazı soylarda, hücreler bölünürken, kloroplast payını aralarında bölüştürürler. Kloroplastlarını yenilemek ve yenilemek için onları yiyerek çalmaları gerekir.

Ancak çalınan çekirdeği tutan hücreler - çalınan talimat kılavuzu - kloroplastların hücrenin geri kalanıyla birlikte bölünmesini sağlayabilir. Çekirdekler hala yemeleri gereken şey gibi görünüyor. Bir av hücresini yakaladıklarında onun kloroplastlarına tutunurlar, çünkü neden olmasın? Ama öyle görünüyor ki gerçekten kritik olan şey yeni çekirdekler almaları.

Siliyerlerin bir başkasının hücresel mekanizmasından enerji alması nasıl mümkün olabilir?

Bu gerçekten ilginç bir soru. bazıları ne zaman mezodinyum siliatlar yer, av hücresinin çoğunu soyarlar. Elektron mikroskobu, kloroplastların oldukça bozulmamış olduğunu, ancak aynı zamanda avın kalıntı hücre zarının içinde olduklarını göstermiştir. Ve sonra siliatın tüm bunların çevresinde kendine ait bir zarı vardır, çünkü siliat av hücresini yuttuğunda onu bir kofula [membran vezikül] sıkıştırır.

Moleküllerin bu çok zarlı sistem boyunca nasıl hareket ettiğini gerçekten bilmiyoruz. Bu, proteinlerin nereye gittiğini takip ederek şimdi araştırmaya çalıştığımız bir şey.

Bu çalışma hangi evrimsel soruyu yanıtlamanıza yardımcı oluyor?

Okulda fotosentezi öğretirken, ataları 2 milyar yıl önce serbest yaşayan siyanobakterileri endosimbiyontlar olarak evcilleştirdiklerinde kloroplastları toplayan kara bitkilerine odaklanırız.

Ancak okyanus ve tatlı su sistemlerindeki fitoplanktonlara baktığımızda tablo çok daha karmaşıktır. Sıklıkla ikincil kloroplast denen şeye sahip olan organizmalara bakıyoruz, bu da onların evrimsel tarihlerinde başka bir şeyden bir kloroplast elde ettikleri anlamına gelir. Bazen, organizmaların üçüncü bir hücreden alınan kloroplastları aldığı üçüncül kloroplastların kanıtlarını bile görürsünüz. Bu ikincil ve üçüncül endosimbiyoz olaylarının en az yarım düzine kez gerçekleştiğini düşünüyoruz. Ve bu, çok çeşitli ökaryotik fitoplanktonların ortaya çıkmasına neden oldu.

Heterotrofik olan bir şeyden oldukça fotosentetik olan bir şeye geçmek nasıl bir şey? Fizyolojinizde ne gibi değişiklikler yapmanız gerekiyor? Nerede hayatta kalabilirsin? Hangi doğal seçilim gradyanları mevcut olmalıdır? Çalışması mezodinyum bize bu geçişin neye benzediğine dair fikir veriyor.

Edinilmiş metabolizma organizmaların ilerlemesine yardımcı olur mu?

Bu yılın başlarında yayınladığımız makalede, endosimbiyotik algleri barındırarak fotosentetik hale gelen bir organizmaya baktık. Hem kazanılmış metabolizma hem de bir simbiyoz. denilen bu tatlı su kirpiklerini açabilirsiniz. paramecium bursiyeri ve algleri izole edin ve algler mutlu bir şekilde kendi başlarına yaşar ve büyürler.

Bu paramecia, petri kabında dönen küçük tüylü yeşil lekeler gibidir. Bu organizmaların rekabet yeteneklerinin ışığın mevcudiyetine nasıl bağlı olduğunu incelemeye başladık. Eğer güneş ışığından enerji alıyorlarsa, o zaman ne kadar fazla güneş ışığı varsa, büyümek için o kadar fazla enerji almaları gerekir. Bunun diğer türlerle rekabet etme yeteneklerini genişleteceğini düşündük.

İnanılmaz derecede yetenekli bir lisans öğrencim vardı, Veronica Hsu, bu fikri test eden. Işık kümeleri ve farklı ışık seviyelerinde büyüyen küçük kültür şişeleri olan bir inkübatörümüz vardı. Veronica iki günde bir kültür örneklerini aldı ve küçük damlacıklarını petri kaplarına koydu. Sonra her bir damlacıktaki farklı siliat türlerinin sayısını saydı.

Ancak kesin bir sayım yapmasanız bile, yalnızca birkaç hafta içinde tüm beyaz yarı saydam fotosentetik olmayan siliatların yok olduğunu ve tüm parlak yeşil paramecia'nın arttığını görebilirsiniz. Rekabetin gözlerinizin önünde gerçekleştiğini görebilirsiniz.

Veronica, ışık arttıkça, algleri barındırarak fotosentez elde eden organizmanın rekabet yeteneğinin de arttığını gösterdi. Ve sonra hücreleri saymak, bu fenomenin arkasındaki verileri kavramamızı sağladı.

Yani bu hücre sayımlarını almak ve olan bitenin matematiksel bir modelini oluşturmak bunun önemli bir parçası mıydı?

Evet, bu deneyleri yaptığımızda, sayılacak çok şey var. Meslektaşım Caroline Tucker birlikte yüksek lisanstayken, "Ekoloji sadece sayma bilimidir, biliyorsun," dedi. O zamanlar, onun ifadesine biraz içerlemiştim ama o haksız değildi.

Bir yanım her zaman çalışma organizmanızla oturmanın ve laboratuvarda ya da dışarıda ona biraz aşık olmanın yerini hiçbir şeyin tutamayacağını düşünecek. Karanlık bir odada oturup mikroskoptan bakarken, bu farklı türlerin kişiliklerini hissediyormuşsunuz gibi hissedersiniz. Bu paramecialardan bazıları bir tür gümüşi beyazdır ve gözyaşı damlası şeklindedir ve fotosentetik algleri olmadığı için çok yarı saydamdır. Pek çok bakteri kaynağı olan yepyeni bir şişeye girdiklerinde, yavaşça etrafta dolaşıyorlar, ancak deney devam ederken, sanki gözlerinizin önünde acıktıklarını ve çok hızlı yüzmeye başladıklarını görebiliyorsunuz. Ve daha sonra ek bulgulara yol açan gözlemler yapabilirsiniz.

Laboratuvar deneylerini matematiksel modellerle birleştirebilmek, neler olup bittiğini düşündüğüm konusunda beni gerçekten dürüst ve açık olmaya zorluyor. Metabolizmanın "edinilmesi" ile ne demek istiyoruz? Hücre fotosenteze ev sahipliği yaparak hangi kaynakları elde ediyor? Bu, rekabet yeteneklerini tam olarak nasıl etkiler?

Şimdi, edinilmiş metabolizmanın rekabetçi yeteneği nasıl değiştirebileceğini açıklayan bildiğimiz bir modelimiz var. Ve bunun sadece edinilmiş fotosentez için değil, aynı zamanda diğer metabolizma kazanımları için de sonuçları vardır. Modele eklediğimiz kesin ayrıntılar, sisteme bağlı olarak değişebilir. Ama kullanmamız gereken bir çerçevemiz var.

Edinilmiş metabolizmadan gelebilecek rekabet avantajlarından bahsettik. Ama başka birinin metabolizmasını devralmanın dezavantajları var mı?

Kesinlikle. Endosimbiyoz yoluyla edindiğimiz başka bir metabolik organel olan mitokondrimizin yaşlanmamızın nedeni olduğuna dair bir teori var.

Onlar yüzünden, enerji için karbonhidratları ve diğer molekülleri yakmak için oksijen kullanarak aerobik metabolizma yapıyoruz. Ancak mitokondri ve kloroplastların ürettiği reaktif maddeler de vücudumuzun DNA'sını oksitliyor ve bozuyor olabilir. Bunlar, genetik materyalinizin yanına koymak için tehlikeli şeylerdir.

Kloroplast çalan bu organizmalarda bazen gördüğümüz bir şey, kloroplast almanın üstesinden gelmelerine yardımcı olan çok sayıda koruyucu antioksidan mekanizmaya sahip olmalarıdır. Bir kloroplasta sahip olmak, yüksek ışıklı ortamlarda bulunmayı çok tehlikeli hale getirebilir. Temelde güneş yanığı alabilirsiniz. tarafından gösterilen harika bir şey suzanne stromWashington Eyaletinde Western Washington Üniversitesi'nden bir bilim insanı, organizmaların kloroplastlı hücreleri yediklerinde, daha fazla ışık olduğunda onları daha hızlı sindirme eğiliminde olduklarını söylüyor. Bunun nedeni, ışığın kloroplastı parçalamanıza yardımcı olması olabilir. Ama aynı zamanda bu organizma şöyle düşünüyor da olabilir: “Ben burada ateşle oynuyorum; Ondan kurtulmalıyım.”

Dolayısıyla bu, bu organizmaların kloroplastlara ilk tutunmaya başladıklarında yaşamış olabilecekleri ortam türleri hakkında ilginç soruları gündeme getiriyor. Muhtemelen daha düşük ışıklı bir ortam olduğundan şüpheleniyorum çünkü sindiriminiz ışığa bağlıysa, daha düşük ışık onu yavaşlatır ve ayrıca kloroplastların verebileceği zararı da azaltır. Biraz daha idare edebilirsin. Ve mezodinyum kesinlikle düşük ışıklı bir türdür. Ama bu çok anekdot. Daha çok kanıta ihtiyacımız var. Ama elbette çok ışıklı ortamlarda yaşayan kloroplastları tutan şeyler de var.

Twitter'ında çok fazla ağaç kökü sayımı yaptığını fark ettim. Bunun diğer işle ne ilgisi var?

Teorik bir ekolojist olmanın sevdiğim yanlarından biri de pek çok farklı sistemle uğraşabilmem.

Bu, üzerinde çalıştığımız kazanılmış metabolizmanın başka bir yönü. Başka bir organizmadan metabolik makine çalmaktan bahsetmiştik. Ancak metabolik karşılıklılık da var - iki organizma arasındaki bu gerçekten yakın ortaklık yoluyla metabolizmanın kazanılması. Hepimizin bildiği gibi ağaçların işi fotosentezdir. Ancak fotosentez yapmak için ağaçların besin maddelerine ve topraktan gelen suya ihtiyacı vardır. Ve özellikle ılıman ekosistemlerde, mantarlar, ektomikorhizal mantarlar ile ortaklık yaparak bu kaynaklara eriştikleri ortaya çıktı. Bunlar çoğunlukla yer altında yaşayan mantarlardır, ancak bazen gerçekten lezzetli mantarlar, bazen de zehirli mantarlar üretirler. Mantarlar ağaçlarla ortaktır. Mantarlar topraktan besin toplamakta çok başarılıdır ve ağaçlar fotosentezden şeker sağlar, böylece birbirlerini destekleyebilirler.

Bu metabolik karşılıklılık, ağaçların her türlü farklı çevre koşulunda hayatta kalmasına ve ekolojik nişlerini genişletmesine yardımcı olur. Bir ağaç, bir ortam için iyi olan belirli mantarlarla ve farklı bir ortamdaki farklı mantarlarla ortak olabilir. Bunun, ağaçların kendi başlarına olduklarından daha çeşitli çevresel koşullarda yaşamalarına izin verdiğini düşünüyoruz.

Mikrobiyom hakkında çok fazla konuşma var, ancak başlangıçta mikroplarla olan tüm bu ilişkileri sürdürmenin gerçekten zor olduğunu unutuyoruz.

Evet tamamen. Dizilemeden daha iyi çevresel veriler elde ettikçe, hemen hemen her şeyin, dışlarında yaşasa bile bir tür mikrobiyoma sahip olduğunu görüyoruz. Kim kimin evrimini kontrol etti, biliyor musun? Belki de bağırsaklarımızın böcekler tarafından kolonize edileceği gerçeğiyle uğraşmak zorunda kaldık ve bundan en iyi şekilde faydalandık.

Bu yüzden edinilmiş metabolizma çalışmasının çok büyüleyici olduğunu düşünüyorum. Bugün bu satın almaları yapan organizmaları inceliyorsunuz. Geçmişte bunu ekolojik olarak nasıl ele aldıkları, seçilim baskılarının neler olduğu vb. hakkında bir fikir edinirsiniz.

Son zamanlarda teorik ekolojinin patladığını hissediyorum.

Sanırım artık çok moda.

Teoriye artan ilginin bir kısmının şu anda sahip olduğumuz çok büyük miktardaki bilgiden kaynaklandığını düşünüyorum. Yığınla veriye sahip olduğunuzda, onunla ilgili bazı birleştirici teoriler geliştirerek anlamlandırırsınız. Ve matematiksel modeller, bu soruna yaklaşmanın bir yoludur. Sanırım bu nedenle, lisansüstü öğrencilerimiz arasında bu konulara daha fazla ilgi var veya üniversitelerde teorik ekolojistleri işe almaya ilgi var. Bir bakıma şu şekilde özetlenebilir: Çok büyük verilerimiz var. Ve biz hazırız.