Вступ
Природа, червона в зубах і кігтях, рясніє організмами, які поїдають своїх сусідів, щоб вирватися вперед. Але в системах, які вивчає теоретик-еколог Холлі Мьоллер, доцента кафедри екології, еволюції та морської біології Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, споживачі стають частиною споживача дивовижним чином.
Меллер в основному вивчає протистів, широку категорію одноклітинних мікроорганізмів, таких як амеби та парамеції, які не вписуються в звичні макроскопічні категорії тварин, рослин і грибів. Найбільше її захоплює здатність деяких протистів кооптувати частини клітин, на які вони полюють. Озброєні цими все ще функціонуючими частинами своєї здобичі, протисти можуть розширюватися в нових середовищах існування та виживати там, де вони раніше не могли.
Спостерігаючи за ними, Мьоллер дає чітке уявлення про основну структуру сучасних екосистем і еволюційні сили, які їх створили. Крадіжка протистами органел може здатися дивною, але мітохондрії в наших власних клітинах позначають нас як продукт спорідненого виду метаболічного придбання нашими давніми предками.
«У найширшому сенсі це питання про те, коли і як організми спеціалізуються, і як вони можуть порушити цю спеціалізацію, отримавши доступ до чогось нового», — сказала вона. «Для мене ця робота стосується питань про те, як організми розширюють свою екологічну нішу, як ці придбання можуть бути постійними, і що це означає про те, як метаболізм стрибає через кінчики гілок дерев життя».
Quanta поговорила з Мьоллер по телефону про її кар'єру, дослідження набутого метаболізму та теоретичної екології. Інтерв’ю було скорочено та відредаговано для ясності.
Ви стали добре відомі в колах екологів та еволюціоністів завдяки своїй роботі над «набутим метаболізмом». Це термін, який ви придумали?
Не навмисне. Це те, що я маю на увазі під частинами вашого метаболізму, які не закодовані у вашому власному геномі. Ви отримуєте доступ до них певним чином, асоціюючись з іншим видом.
Це охоплює деякі форми симбіозу, але це більше. Це також включає в себе такі речі, як придбання хлоропластів, еукаріотичних органел для фотосинтезу, з проковтнутої здобичі, і навіть горизонтальний перенос генів, коли один ген або цілий пакет метаболічних генів витягується з одного організму іншим.
Я отримав освіту громадського еколога, тому мені дуже цікаво, яку роль відіграють організми в екосистемах і як ці ніші розширюються та звужуються протягом свого життя. Дослідження набутого метаболізму здавалося природним поєднанням з цим, тому що це багато в чому стосується того, як організми можуть розширити свої ніші.
Чи є те, що люди мають з нашими кишковими бактеріями, набутим метаболізмом?
Я думаю, що це чудовий приклад. Велика частина нашої здатності їсти різноманітні джерела їжі та метаболізувати їх зводиться до цих бактерій. Деякі з важливих вітамінів і кофакторів, які нам потрібні, як-от вітамін К, виробляються мікробами, які живуть у нашому кишечнику. Ми дуже покладаємося на ці партнерства.
Що привело вас до цього напрямку дослідження?
Ви знаєте, бактерії часто рухаються за допомогою процесу, який називається «перекидання та біг». Вони слідують певним хімічним сигналам у напрямку до ресурсу, але коли сигнал зникає, вони зупиняються, обертаються та йдуть у випадковому напрямку. Я думаю, що це також стосується багатьох учених, у тому числі й мене. Ми часто слідкуємо за своїм носом і ганяємося за речами, які нас захоплюють. І іноді це приводить нас у несподівані місця.
Вступ
Мені пощастило. Мої батьки обоє були вченими, і хоча жоден із них не працював як один, поки я ріс, я знав, що дослідницька робота є варіантом кар’єри. Мені також дуже пощастило в моїй вищій освіті в Ратгерському університеті, оскільки в мене були професори, які зацікавилися та зв’язали мене з викладачем, який займався дослідженням морських мікробів. Вчений, з яким я вперше працював, Павло Фальковський, має еклектичні інтереси. Але однією з речей, які він вивчав у той час, було те, як хлоропласти поширюються навколо дерева життя.
Саме тут почався мій інтерес до набутого метаболізму. Я вважав це абсолютно захоплюючою ідеєю, що те, про що я дізнався в підручниках як про особливість рослин, насправді було тим, що вони отримали пару мільярдів років тому, поглинувши бактерію. І що це траплялося неодноразово. Я почав працювати з Павлом і Метт Джонсон, який у той час був його постдоктом, про організми, які сьогодні викрадають хлоропласти, і про те, що вони можуть розповісти нам про цей еволюційний процес.
Мені подобається ідея, що організм може почати своє життя без хлоропласта, а потім просто вибрати його.
правильно? Уявіть собі, якби ми обідали салатом, а потім у нас раптом позеленіли руки! Зараз я живу в Південній Каліфорнії — я міг би прогулятися між заняттями й отримати всю необхідну енергію. Хоча я люблю обідати, тож не впевнений, що мені це справді сподобається.
У багатьох випадках ці організми, які отримують хлоропласти, стають цілком прив’язаними до фотосинтезу. Деякі з видів, над якими ми працюємо, загинуть, якщо не зможуть фотосинтезувати, тому вони не зможуть вижити, якщо не зможуть знайти здобич, у якої можна вкрасти хлоропласти. Для мене це еволюційна цікавість, що вони зайшли в цей куток.
Чи повинні ці види продовжувати красти хлоропласти, тому що вони з часом руйнуються?
Загалом, так. Однак ці родоводи, які викрадають хлоропласти, різняться залежно від того, наскільки добре вони вміють підтримувати хлоропласт. У цій групі морських інфузорій, над якими ми працюємо, називаються Мезодіній, деякі лінії взагалі не крадуть хлоропласти. Деякі крадуть їх і дуже швидко збивають під землю. А інші крадуть їх, але також викрадають функціональні ядра зі своєї здобичі, що означає, що вони можуть утворювати більше хлоропластів.
Метафора, яка мені подобається, полягає в тому, що ті, хто не крадуть хлоропласти, схожі на виховану дитину, яка ніколи не крала машину. Інші викрадають машину, щоб покататися, врізаються в дерево і кидають. Але є люди, які викрадають автомобіль, а також інструкцію з експлуатації, і вони будують механічну майстерню, щоб добре піклуватися про викрадене майно.
Існує цілий спектр, і оскільки вони тісно пов’язані, ми можемо запитати: які еволюційні відмінності між цими організмами сприяли переходам?
Чи успадковують вони хлоропласти від своїх батьківських клітин? Якщо клітини діляться для розмноження, чи не передаються хлоропласти також?
Деякі з них так і роблять. У деяких лініях, коли клітини діляться, вони розщеплюють хлоропласти між собою. Щоб оновити та поповнити свої хлоропласти, їм потрібно вкрасти їх, поївши.
Але клітини, які зберігають викрадене ядро — викрадену інструкцію — можуть змусити хлоропласти ділитися разом з рештою клітини. Ядра, здається, те, що їм ще потрібно їсти. Коли вони ловлять клітину-жертву, вони чіпляються за її хлоропласти, бо чому б і ні? Але здається, що дійсно критично те, що вони збирають нові ядра.
Вступ
Яким чином інфузорії можуть отримувати енергію з чужого клітинного механізму?
Це справді цікаве запитання. Коли деякі з Мезодіній інфузорії їдять, вони здирають більшу частину здобич клітини. Електронна мікроскопія показала, що хлоропласти майже не пошкоджені, але вони все ще знаходяться всередині реліктової клітинної мембрани жертви. І тоді інфузорія має власну мембрану навколо всього цього, тому що інфузорія застрягла клітину-жертву у вакуоль [мембранну везикулу], коли проковтнула її.
Ми дійсно не знаємо, як молекули рухаються цією багатомембранною системою. Це те, що ми зараз намагаємося дослідити, стежачи за тим, куди йдуть білки.
На яке еволюційне питання вам допомагає відповісти ця робота?
Коли ми навчаємо фотосинтезу в школі, ми здебільшого зосереджуємося на наземних рослинах, предки яких підібрали хлоропласти 2 мільярди років тому, коли вони приручили вільноживучі ціанобактерії як ендосимбіонти.
Але коли ми дивимося на фітопланктон в океані та прісноводних системах, картина стає набагато складнішою. Ми часто розглядаємо організми, які мають так званий вторинний хлоропласт, що означає, що колись у своїй еволюційній історії вони отримали хлоропласт з чогось іншого. Іноді ви навіть бачите докази третинних хлоропластів, коли організми отримують хлоропласти, взяті з якоїсь третьої клітини. Ці випадки вторинного та третинного ендосимбіозу мали місце, як нам здається, щонайменше півдюжини разів. І це стало причиною величезного розмаїття еукаріотичного фітопланктону.
Як виглядає перехід від гетеротрофного до високофотосинтетичного? Які зміни ви маєте зробити у своїй фізіології? Де можна вижити? Які мають бути градієнти природного відбору? Вивчення Мезодіній дає нам уявлення про те, як виглядав цей перехід.
Чи допомагає набутий метаболізм рухатися вперед організмам?
У статті, яку ми опублікували на початку цього року, ми розглядали організм, який стає фотосинтетичним завдяки розміщенню ендосимбіотичних водоростей. Це і набутий метаболізм, і симбіоз. Ви можете відкрити ці прісноводні інфузорії, які називаються Парамецій бурсарій і ізолювати водорості, і водорості будуть щасливо жити і рости самі по собі.
Ці парамеції схожі на маленькі пухнасті зелені краплі, які обертаються в чашці Петрі. Ми почали досліджувати, як конкурентна здатність цих організмів залежить від наявності світла. Якщо вони отримують енергію від сонячного світла, то чим більше сонячного світла, тим більше енергії вони повинні отримати для росту. Ми думали, що це пошириться на їх здатність конкурувати з іншими видами.
У мене був неймовірно талановитий студент, Вероніка Хсу, який випробував цю ідею. У нас був цей інкубатор з групами світильників і маленькими колбами з культурами, які росли при різних рівнях освітлення. Кожні два дні Вероніка брала зразки культур і поміщала їх маленькі краплі в чашки Петрі. Потім вона підрахувала кількість різних видів інфузорій у кожній краплі.
Вступ
Але навіть без точного підрахунку ви могли побачити протягом лише кількох тижнів, що всі білі напівпрозорі нефотосинтетичні інфузорії зникають, тоді як усі яскраво-зелені парамеції збільшуються. Ви могли бачити змагання, що відбуваються на ваших очах.
Вероніка показала, що зі збільшенням освітленості зростає й конкурентоспроможність організму, який отримав фотосинтез завдяки розміщенню водоростей. А потім підрахунок клітин дозволив нам зрозуміти дані, що стоять за цим явищем.
Отже, підрахунок кількості клітин і створення математичної моделі того, що відбувається, було важливою частиною цього?
Так, коли ми проводимо ці експерименти, є багато підрахунку. Мій колега Керолайн Такер сказав, коли ми разом навчалися в магістратурі: «Знаєте, екологія — це просто наука підрахунку». У той час я був дещо обурений її заявою, але вона не помилялася.
Є частина мене, яка завжди думатиме, що нічим не можна замінити сидіти зі своїм досліджуваним організмом і трохи закохуватися в нього в лабораторії чи в полі. Сидячи в темній кімнаті, дивлячись у мікроскоп, ви відчуваєте, ніби відчуваєте особливості цих різних видів. Деякі з цих парамецій є сріблясто-білими, краплеподібними та дуже напівпрозорими, оскільки в них немає фотосинтезуючих водоростей. Коли вони знаходяться в новенькій колбі з багатьма бактеріальними ресурсами, вони ніби повільно ковтаються, але потім, коли експеримент триває, ви ніби бачите, як вони зголодніли на ваших очах, і вони почали дуже швидко плавати. І ви можете робити спостереження, які потім призведуть до додаткових висновків.
Можливість поєднувати лабораторні експерименти з математичними моделями змушує мене бути справді чесним і відвертим щодо того, що я думаю, що відбувається. Що ми маємо на увазі під «придбанням» метаболізму? Які ресурси отримує клітина, здійснюючи фотосинтез? Як саме це впливає на його конкурентоспроможність?
Тепер у нас є модель, яка, як ми знаємо, описує, як набутий метаболізм може змінити конкурентоспроможність. І це впливає не лише на набутий фотосинтез, але й на інші надбання метаболізму. Точні деталі, які ми підключаємо до моделі, можуть змінюватися залежно від системи. Але ми маємо основу для використання.
Ми говорили про конкурентні переваги, які можуть виникнути завдяки набутому метаболізму. Але чи є недоліки в тому, щоб взяти під контроль чужий метаболізм?
Безумовно. Існує теорія, згідно з якою наші мітохондрії — ще одна метаболічна органела, яку ми отримали через ендосимбіоз — є причиною нашого старіння.
Завдяки їм ми беремо участь в аеробному метаболізмі, використовуючи кисень для спалювання вуглеводів та інших молекул для отримання енергії. Але реактивні речовини, які виробляють мітохондрії та хлоропласти, також можуть окислювати та руйнувати ДНК нашого тіла. Це небезпечні речі, які можна поставити поруч зі своїм генетичним матеріалом.
Одна річ, яку ми іноді бачимо в цих організмах, які викрадають хлоропласти, полягає в тому, що вони мають багато захисних антиоксидантних механізмів, які допомагають їм справлятися з захопленням хлоропластів. Наявність хлоропласта може зробити дуже небезпечним перебування в умовах високого освітлення. В принципі можна отримати сонячні опіки. Одну круту річ продемонстрував Сюзанна Стром, вченого з Університету Західного Вашингтона зі штату Вашингтон, полягає в тому, що коли організми поїдають клітини з хлоропластами, вони, як правило, перетравлюють їх швидше, коли є більше світла. Це може бути тому, що світло допомагає розщепити хлоропласт. Але також може бути так, що цей організм думає: «Я тут граюся з вогнем; Я маю позбутися цього».
Вступ
Таким чином, це викликає цікаві запитання щодо типів середовища, в якому могли жити ці організми, коли вони вперше почали триматися на хлоропластах. Я підозрюю, що це, ймовірно, було погане освітлення, тому що якщо ваше травлення залежить від світла, слабке освітлення сповільнить його, а також зменшить шкоду, яку можуть завдати хлоропласти. Ви можете керувати цим трохи більше. І Мезодіній це, звичайно, вид із слабким освітленням. Але це дуже анекдотично. Нам потрібно ще багато доказів. Але, звичайно, є також речі, які утримують хлоропласти, які також живуть у середовищі з високим освітленням.
Я помітив у вашому Twitter, що ви багато займаєтеся підрахунком коренів дерев. Яке це має відношення до іншої роботи?
Одна з речей, які мені подобаються як теоретик-еколог, це те, що я можу пробувати багато різних систем.
Це ще один аспект набутого метаболізму, над яким ми працюємо. Отже, ми говорили про крадіжку метаболічних механізмів іншого організму. Але існує також метаболічний мутуалізм — набуття метаболізму завдяки справді тісному партнерству між двома організмами. Справа дерев, як ми всі знаємо, це фотосинтез. Але для фотосинтезу деревам потрібні поживні речовини та вода з ґрунту. І виявляється, особливо в екосистемах помірного клімату, що вони отримують доступ до цих ресурсів завдяки партнерству з грибами, ектомікоризними грибами. Це гриби, які живуть переважно під землею, хоча іноді вони вирощують справді смачні гриби, а іноді й отруйні. Гриби знаходяться в партнерстві з деревами. Гриби чудово збирають поживні речовини з ґрунту, а дерева забезпечують цукор завдяки фотосинтезу, тож вони можуть підтримувати одне одного.
Цей метаболічний мутуалізм допомагає деревам виживати в різноманітних умовах навколишнього середовища та розширювати свою екологічну нішу. Дерево може співпрацювати з певними грибами, які підходять для одного середовища, і з різними грибами в іншому середовищі. Ми вважаємо, що це дозволяє деревам заробляти на життя в більш різноманітних умовах середовища, ніж якби вони були самі по собі.
Так багато говорять про мікробіом, але ми забуваємо, що на початку, мабуть, було справді важко налагодити всі ці стосунки з мікробами.
Так, цілком. Оскільки ми отримуємо кращі дані про навколишнє середовище завдяки секвенуванню, ми бачимо, що майже все має певний мікробіом, навіть якщо він живе зовні. Хто контролював чию еволюцію, знаєте? Можливо, нам просто довелося зіткнутися з тим, що наші кишки заселятимуться жуками, і ми зробили все можливе.
Ось чому я вважаю вивчення набутого метаболізму таким захоплюючим. Ви вивчаєте організми, які роблять ці придбання сьогодні. Ви отримуєте деяке уявлення про те, як вони поводилися з цим екологічно в минулому, яким був тиск відбору тощо.
Я відчуваю, що останнім часом теоретична екологія вибухає.
Я думаю, що це зараз дуже модно.
Я думаю, що зростаючий інтерес до теорії частково походить від надзвичайної кількості інформації, яку ми маємо зараз. Коли у вас є купи даних, ви надаєте їм сенс, розробляючи деякі об’єднуючі теорії про це. І математичні моделі є одним із способів підійти до цієї проблеми. Я думаю, що саме тому серед наших аспірантів спостерігається більший інтерес до цих тем, або інтерес в університетах до найму екологів-теоретиків. Це зводиться до наступного: у нас є величезна кількість даних. І ми готові.
