Giới thiệu
Thiên nhiên, có răng và móng màu đỏ, đầy rẫy những sinh vật ăn thịt những người hàng xóm của chúng để vượt lên. Nhưng trong các hệ thống được nghiên cứu bởi nhà sinh thái học lý thuyết Holly Moeller, trợ lý giáo sư sinh thái học, tiến hóa và sinh vật biển tại Đại học California, Santa Barbara, người tiêu dùng trở thành một phần của người tiêu dùng theo những cách đáng ngạc nhiên.
Moeller chủ yếu nghiên cứu sinh vật nguyên sinh, một nhóm rộng lớn các vi sinh vật đơn bào như amip và paramecia không nằm trong phạm vi vĩ mô quen thuộc của động vật, thực vật và nấm. Điều khiến cô ấy thích thú nhất là khả năng của một số sinh vật nguyên sinh thu nhận các bộ phận của tế bào mà chúng săn mồi. Được trang bị những mảnh con mồi vẫn còn hoạt động này, những sinh vật nguyên sinh có thể mở rộng sang môi trường sống mới và tồn tại ở những nơi mà trước đây chúng không thể.
Quan sát chúng mang lại cho Moeller một cái nhìn đặc biệt về cấu trúc cơ bản của các hệ sinh thái ngày nay và các lực lượng tiến hóa đã tạo nên chúng. Việc ăn cắp các bào quan của sinh vật nguyên sinh có vẻ kỳ lạ, nhưng ty thể trong các tế bào của chính chúng ta đánh dấu chúng ta là sản phẩm của một loại trao đổi chất có liên quan do tổ tiên xa xưa của chúng ta thu nhận.
“Theo nghĩa rộng nhất, đây là những câu hỏi về thời điểm và cách thức các sinh vật chuyên biệt hóa, cũng như cách chúng có thể phá vỡ sự chuyên môn hóa đó bằng cách tiếp cận một thứ gì đó mới,” cô nói. “Đối với tôi, công việc này giải quyết các câu hỏi về cách các sinh vật mở rộng hốc sinh thái của chúng, cách những hoạt động mua lại đó có thể tồn tại lâu dài và điều đó có nghĩa là gì về cách quá trình trao đổi chất nhảy qua đầu các nhánh của cây sự sống.”
Quanta đã nói chuyện với Moeller qua điện thoại về sự nghiệp của cô ấy, nghiên cứu của cô ấy về quá trình trao đổi chất thu được và hệ sinh thái lý thuyết. Cuộc phỏng vấn đã được cô đọng và chỉnh sửa cho rõ ràng.
Bạn đã trở nên nổi tiếng trong giới sinh thái học và tiến hóa nhờ công trình nghiên cứu về “sự trao đổi chất thu được”. Đó có phải là một thuật ngữ bạn đã đưa ra?
Không cố ý. Đó là những gì tôi muốn nói về các phần của quá trình trao đổi chất không được mã hóa trong bộ gen của chính bạn. Bạn có quyền truy cập vào chúng theo một cách nào đó bằng cách liên kết với các loài khác.
Điều đó bao gồm một số hình thức cộng sinh, nhưng nó còn hơn thế nữa. Nó cũng bao gồm những thứ như thu nhận lục lạp, bào quan của sinh vật nhân chuẩn để quang hợp, từ con mồi đã ăn vào và thậm chí chuyển gen theo chiều ngang, trong đó một gen đơn lẻ hoặc toàn bộ gói gen chuyển hóa được lấy từ sinh vật này bởi sinh vật khác.
Tôi được đào tạo để trở thành một nhà sinh thái học cộng đồng, vì vậy tôi rất quan tâm đến vai trò của các sinh vật trong hệ sinh thái và cách các hốc đó mở rộng và thu hẹp lại trong vòng đời của chúng. Nghiên cứu về quá trình trao đổi chất thu được dường như phù hợp với điều đó một cách tự nhiên, bởi vì nó liên quan rất nhiều đến cách các sinh vật có thể mở rộng các hốc của chúng.
Là những gì con người có với vi khuẩn đường ruột của chúng ta có được sự trao đổi chất?
Tôi nghĩ đó là một ví dụ tuyệt vời. Phần lớn khả năng chúng ta ăn các nguồn thực phẩm đa dạng và chuyển hóa chúng là nhờ những vi khuẩn đó. Một số vitamin và đồng yếu tố quan trọng mà chúng ta cần, như vitamin K, được sản xuất bởi các vi khuẩn sống trong ruột của chúng ta. Chúng tôi rất tin tưởng vào những quan hệ đối tác này.
Điều gì đã dẫn bạn vào dòng nghiên cứu này?
Bạn biết đấy, vi khuẩn thường di chuyển qua một quá trình gọi là “lộn nhào và chạy”. Chúng đi theo một tín hiệu hóa học nào đó để hướng tới một nguồn tài nguyên, nhưng khi tín hiệu nhỏ dần, chúng dừng lại, chúng quay tròn và đi theo một hướng ngẫu nhiên. Tôi nghĩ điều này cũng đúng với nhiều nhà khoa học, trong đó có tôi. Chúng ta thường đi theo cái mũi của mình và theo đuổi những thứ mà chúng ta cảm thấy hứng thú. Và đôi khi nó dẫn chúng ta đến những nơi không ngờ tới.
Giới thiệu
Tôi đã may mắn. Cha mẹ tôi đều được đào tạo để trở thành nhà khoa học, và mặc dù cả hai đều không làm việc như vậy khi tôi lớn lên, nhưng tôi biết rằng nghiên cứu là một lựa chọn nghề nghiệp. Tôi cũng rất may mắn khi học đại học tại Đại học Rutgers, ở chỗ tôi có các giáo sư quan tâm và kết nối tôi với một giảng viên đang nghiên cứu về vi khuẩn biển. Nhà khoa học đầu tiên tôi làm việc cùng, Paul Falkowski, có sở thích chiết trung. Nhưng một trong những điều mà anh ấy đang nghiên cứu vào thời điểm đó là cách lục lạp lan rộng xung quanh cây sự sống.
Đây là nơi tôi bắt đầu quan tâm đến quá trình trao đổi chất thu được. Tôi thấy nó hoàn toàn hấp dẫn, ý tưởng rằng thứ mà tôi đã học được trong sách giáo khoa như một đặc điểm của thực vật thực ra lại là thứ mà chúng có được cách đây vài tỷ năm bằng cách ăn một loại vi khuẩn. Và điều này đã xảy ra nhiều lần. Tôi bắt đầu làm việc với Paul và Matt Johnson, người là postdoc của anh ấy vào thời điểm đó, về các sinh vật ăn cắp lục lạp ngày nay và những gì chúng có thể cho chúng ta biết về quá trình tiến hóa này.
Tôi thích ý tưởng rằng một sinh vật có thể bắt đầu cuộc sống mà không cần lục lạp, và sau đó chỉ cần chọn một lục lạp.
Đúng? Hãy tưởng tượng nếu chúng ta ăn salad cho bữa trưa, rồi đột nhiên cánh tay của chúng ta chuyển sang màu xanh! Tôi hiện đang sống ở Nam California - tôi có thể đi dạo giữa các lớp học và nạp đủ năng lượng cần thiết. Mặc dù tôi thích ăn trưa, nên tôi không chắc mình có thực sự thích món đó không.
Trong nhiều trường hợp, những sinh vật thu được lục lạp này trở nên khá ràng buộc với quá trình quang hợp. Một số loài mà chúng tôi nghiên cứu sẽ chết nếu chúng không thể quang hợp, vì vậy chúng không thể tồn tại nếu không tìm được con mồi để ăn cắp lục lạp. Đối với tôi, đó là một sự tò mò về mặt tiến hóa khi chúng tự lùi vào góc này.
Những loài này có phải tiếp tục ăn cắp lục lạp vì cuối cùng chúng sẽ bị phân hủy không?
Nói chung, có. Tuy nhiên, các dòng ăn cắp lục lạp này khác nhau ở mức độ tốt trong việc duy trì lục lạp. Trong nhóm ớt biển mà chúng tôi nghiên cứu được gọi là Mesodinium, một số dòng hoàn toàn không ăn cắp lục lạp. Một số ăn cắp chúng và chạy chúng xuống đất rất nhanh. Và những người khác ăn cắp chúng nhưng cũng ăn cắp hạt nhân chức năng từ con mồi của họ, điều đó có nghĩa là họ có thể tạo ra nhiều lục lạp hơn.
Phép ẩn dụ mà tôi yêu thích là những sinh vật không ăn cắp lục lạp giống như một đứa trẻ ngoan không bao giờ ăn trộm xe hơi. Những người khác ăn cắp chiếc xe để chơi một trò vui, đâm nó vào một cái cây và bỏ mặc nó. Nhưng có một số kẻ ăn cắp xe mà còn cả sách hướng dẫn sử dụng của chủ sở hữu, và họ xây dựng một xưởng sửa chữa để bảo quản tài sản bị đánh cắp một cách chu đáo.
Có toàn bộ quang phổ này, và bởi vì chúng có quan hệ gần gũi với nhau, chúng ta có thể đặt câu hỏi: Đâu là sự khác biệt về mặt tiến hóa giữa những sinh vật này đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi?
Chúng có bao giờ thừa hưởng lục lạp từ tế bào mẹ của chúng không? Nếu các tế bào phân chia để sinh sản, chẳng phải lục lạp cũng được truyền lại sao?
Một số trong số họ làm. Ở một số dòng, khi các tế bào phân chia, chúng sẽ phân chia lục lạp giữa chúng. Để làm mới và bổ sung lục lạp, chúng cần ăn cắp chúng bằng cách ăn.
Nhưng những tế bào giữ nhân bị đánh cắp—sách hướng dẫn bị đánh cắp—có thể làm cho lục lạp phân chia cùng với phần còn lại của tế bào. Các hạt nhân dường như là những gì họ vẫn cần ăn. Khi chúng bắt được một tế bào con mồi, chúng sẽ bám vào lục lạp của nó, tại sao không? Nhưng có vẻ như điều thực sự quan trọng là chúng thu được những hạt nhân mới.
Giới thiệu
Làm thế nào các ớt có thể lấy năng lượng từ bộ máy tế bào của người khác?
Đó là một câu hỏi thực sự thú vị. Khi một số Mesodinium ớt ăn, chúng lấy đi phần lớn tế bào con mồi. Kính hiển vi điện tử đã chỉ ra rằng lục lạp còn khá nguyên vẹn, nhưng chúng vẫn còn bên trong màng tế bào di tích của con mồi. Và sau đó, lông mao có một lớp màng của riêng nó xung quanh tất cả những thứ đó, bởi vì lông mao đã nhét tế bào con mồi vào một không bào [túi màng] khi nó ăn phải nó.
Chúng tôi thực sự không biết làm thế nào các phân tử di chuyển qua hệ thống nhiều màng này. Đó là điều mà chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu bằng cách theo dõi nơi các protein sẽ đi.
Công việc này giúp bạn trả lời câu hỏi tiến hóa nào?
Khi chúng ta dạy quang hợp ở trường, chúng ta chủ yếu tập trung vào thực vật trên cạn, tổ tiên của chúng đã lấy lục lạp 2 tỷ năm trước, khi chúng thuần hóa vi khuẩn lam sống tự do dưới dạng nội cộng sinh.
Nhưng khi chúng ta xem xét thực vật phù du trong các hệ thống nước ngọt và đại dương, bức tranh phức tạp hơn nhiều. Chúng ta thường quan sát các sinh vật có cái gọi là lục lạp thứ cấp, có nghĩa là vào một thời điểm nào đó trong lịch sử tiến hóa của chúng, chúng đã lấy lục lạp từ một thứ khác. Đôi khi bạn thậm chí còn thấy bằng chứng về lục lạp bậc ba, nơi các sinh vật đang lấy lục lạp được lấy từ một số tế bào thứ ba. Theo chúng tôi, những sự kiện nội cộng sinh cấp hai và cấp ba này đã diễn ra ít nhất nửa tá lần. Và điều đó đã dẫn đến sự đa dạng to lớn của thực vật phù du nhân thực.
Nó trông như thế nào khi chuyển từ một thứ dị dưỡng sang một thứ có khả năng quang hợp cao? Những thay đổi nào bạn phải thực hiện trong sinh lý của bạn? Bạn có thể tồn tại ở đâu? Độ dốc chọn lọc tự nhiên nào phải được áp dụng? Việc nghiên cứu Mesodinium cung cấp cho chúng tôi cái nhìn sâu sắc về quá trình chuyển đổi đó trông như thế nào.
Sự trao đổi chất thu được có giúp sinh vật tiến lên không?
Trong bài báo mà chúng tôi đã xuất bản vào đầu năm nay, chúng tôi đã xem xét một sinh vật đang trở nên quang hợp bằng cách chứa tảo nội cộng sinh. Đó là cả sự trao đổi chất có được và sự cộng sinh. Bạn có thể mở những ớt nước ngọt này được gọi là Paramecium bursaria và cô lập tảo, và tảo sẽ vui vẻ sống và tự phát triển.
Những paramecia này giống như những đốm nhỏ màu xanh lá cây mờ xoay tròn trong đĩa petri. Chúng tôi bắt đầu xem xét khả năng cạnh tranh của những sinh vật này phụ thuộc vào sự sẵn có của ánh sáng như thế nào. Nếu chúng lấy năng lượng từ ánh sáng mặt trời, thì càng có nhiều ánh sáng mặt trời, chúng càng có nhiều năng lượng để phát triển. Chúng tôi nghĩ rằng điều đó sẽ mở rộng khả năng của chúng để cạnh tranh với các loài khác.
Tôi có một sinh viên đại học vô cùng tài năng, Từ Hy Viên, người đã thử nghiệm ý tưởng đó. Chúng tôi có cái lồng ấp này với các dãy đèn và các bình nhỏ nuôi cấy ở các mức độ ánh sáng khác nhau. Hai ngày một lần, Veronica lấy mẫu của các mẫu cấy và cho những giọt nhỏ của chúng vào đĩa petri. Sau đó, cô ấy đếm số lượng các loại ớt khác nhau trong mỗi giọt.
Giới thiệu
Nhưng ngay cả khi không đếm chính xác, bạn có thể thấy chỉ trong vài tuần rằng tất cả các loại ớt không quang hợp trong mờ màu trắng đang biến mất, trong khi tất cả các loại paramecia màu xanh lá cây tươi sáng đang tăng lên. Bạn có thể thấy sự cạnh tranh diễn ra trước mắt bạn.
Veronica đã chỉ ra rằng khi ánh sáng tăng lên thì khả năng cạnh tranh của sinh vật đã quang hợp bằng cách chứa tảo cũng tăng theo. Và sau đó đếm các ô cho phép chúng tôi nắm bắt dữ liệu đằng sau hiện tượng này.
Vì vậy, việc đếm số lượng tế bào này và xây dựng một mô hình toán học về những gì đang xảy ra là một phần quan trọng của điều này?
Có, khi chúng tôi chạy các thử nghiệm này, có rất nhiều phép tính. Đồng nghiệp của tôi Caroline Tucker đã nói khi chúng tôi còn học chung trường đại học, "Bạn biết đấy, sinh thái học chỉ là khoa học về đếm." Vào thời điểm đó, tôi hơi bực bội với câu nói của cô ấy, nhưng cô ấy không sai.
Có một phần trong tôi sẽ luôn nghĩ rằng không gì có thể thay thế được việc ngồi nghiên cứu sinh vật của bạn và yêu nó một chút trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài đồng ruộng. Ngồi trong phòng tối, nhìn chằm chằm qua kính hiển vi, bạn có cảm giác như mình cảm nhận được tính cách của những loài khác nhau này. Một số paramecia này có màu trắng bạc, hình giọt nước và rất mờ vì chúng không có bất kỳ loại tảo quang hợp nào. Khi chúng ở trong một chiếc bình mới toanh với nhiều nguồn vi khuẩn, chúng sẽ di chuyển chậm rãi, nhưng sau đó khi thí nghiệm tiếp tục, bạn có thể thấy chúng đói ngay trước mắt và chúng bắt đầu bơi rất nhanh. Và bạn có thể thực hiện các quan sát để sau đó dẫn đến những phát hiện bổ sung.
Khả năng kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với các mô hình toán học buộc tôi phải thực sự trung thực và rõ ràng về những gì tôi nghĩ đang diễn ra. Chúng ta có ý nghĩa gì khi “thu nhận” quá trình trao đổi chất? Những tài nguyên nào tế bào nhận được bằng cách lưu trữ quang hợp? Chính xác thì điều đó ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh của nó như thế nào?
Bây giờ chúng tôi có một mô hình mà chúng tôi biết mô tả cách chuyển hóa thu được có thể thay đổi khả năng cạnh tranh. Và điều đó có ý nghĩa không chỉ đối với quá trình quang hợp thu được mà còn đối với các quá trình trao đổi chất khác. Các chi tiết chính xác mà chúng tôi cắm vào mô hình có thể thay đổi tùy thuộc vào hệ thống. Nhưng chúng tôi có một khuôn khổ để sử dụng.
Chúng tôi đã nói về những lợi thế cạnh tranh có thể đến từ quá trình trao đổi chất có được. Nhưng có những nhược điểm khi tiếp quản quá trình trao đổi chất của người khác không?
Chắc chắn. Có một giả thuyết cho rằng ty thể của chúng ta - một cơ quan trao đổi chất khác mà chúng ta có được thông qua quá trình nội cộng sinh - là lý do khiến chúng ta già đi.
Nhờ chúng, chúng ta tham gia vào quá trình trao đổi chất hiếu khí, sử dụng oxy để đốt cháy carbohydrate và các phân tử khác để tạo năng lượng. Nhưng các tác nhân phản ứng mà ty thể và lục lạp tạo ra cũng có thể làm oxy hóa và phân hủy DNA của cơ thể chúng ta. Đây là những thứ nguy hiểm để đặt bên cạnh vật liệu di truyền của bạn.
Một điều mà đôi khi chúng ta thấy ở những sinh vật ăn cắp lục lạp này là chúng có rất nhiều bộ máy chống oxy hóa bảo vệ, giúp chúng xử lý việc lấy lục lạp. Việc có lục lạp có thể khiến việc ở trong môi trường nhiều ánh sáng trở nên rất nguy hiểm. Về cơ bản bạn có thể bị cháy nắng. Một điều thú vị được chứng minh bằng suzanne strom, một nhà khoa học ở Bang Washington tại Đại học Western Washington, là khi các sinh vật ăn các tế bào có lục lạp, chúng có xu hướng tiêu hóa chúng nhanh hơn khi có nhiều ánh sáng hơn. Có thể là do ánh sáng giúp bạn phá vỡ lục lạp. Nhưng cũng có thể sinh vật này đang nghĩ, “Tôi đang đùa với lửa ở đây; Tôi phải thoát khỏi nó.”
Giới thiệu
Vì vậy, điều này đặt ra những câu hỏi thú vị về các loại môi trường mà những sinh vật này có thể đã sống trong đó khi chúng bắt đầu bám vào lục lạp. Tôi nghi ngờ đó có thể là môi trường có ánh sáng yếu hơn vì nếu quá trình tiêu hóa của bạn phụ thuộc vào ánh sáng, thì ánh sáng yếu hơn sẽ làm quá trình đó chậm lại và cũng làm giảm tác hại mà lục lạp có thể gây ra. Bạn có thể quản lý nó nhiều hơn một chút. Và Mesodinium chắc chắn là một loài ánh sáng yếu. Nhưng đó là rất giai thoại. Chúng ta cần nhiều bằng chứng hơn nữa. Nhưng tất nhiên cũng có những thứ giữ lại lục lạp sống trong môi trường nhiều ánh sáng nữa.
Tôi nhận thấy trên Twitter của bạn rằng bạn đang đếm rất nhiều gốc cây. Điều đó có liên quan gì đến công việc khác này?
Một trong những điều mà tôi yêu thích khi trở thành một nhà sinh thái học lý thuyết là tôi có thể nghiên cứu rất nhiều hệ thống khác nhau.
Đó là một khía cạnh khác của quá trình trao đổi chất thu được mà chúng tôi đang nghiên cứu. Vì vậy, chúng ta đã nói về việc đánh cắp bộ máy trao đổi chất từ một sinh vật khác. Nhưng cũng có sự tương hỗ trao đổi chất - việc đạt được sự trao đổi chất thông qua mối quan hệ hợp tác thực sự mật thiết này giữa hai sinh vật. Công việc của cây cối, như chúng ta đều biết, là quang hợp. Nhưng để quang hợp, cây cần chất dinh dưỡng và nước từ đất. Và hóa ra, đặc biệt là trong các hệ sinh thái ôn đới, chúng tiếp cận được những nguồn tài nguyên này bằng cách hợp tác với nấm, nấm rễ ngoài da. Đây là những loại nấm sống chủ yếu dưới lòng đất, mặc dù đôi khi chúng tạo ra những loại nấm rất ngon và đôi khi là những loại nấm độc. Các loại nấm hợp tác với cây cối. Nấm vượt trội trong việc thu hoạch chất dinh dưỡng từ đất và cây cung cấp đường từ quá trình quang hợp, vì vậy chúng có thể hỗ trợ lẫn nhau.
Sự tương hỗ trao đổi chất này giúp cây cối tồn tại trong mọi loại điều kiện môi trường khác nhau và mở rộng hốc sinh thái của chúng. Một cái cây có thể hợp tác với một số loại nấm tốt cho một môi trường và với các loại nấm khác nhau trong một môi trường khác. Chúng tôi nghĩ rằng điều này cho phép cây cối kiếm sống trong một tập hợp các điều kiện môi trường đa dạng hơn so với khi chúng tự sinh sống.
Có quá nhiều điều để nói về hệ vi sinh vật, nhưng chúng ta quên rằng rất khó để có được tất cả những mối quan hệ đó với vi khuẩn ngay từ đầu.
Vâng, hoàn toàn. Khi chúng tôi nhận được dữ liệu môi trường tốt hơn từ việc giải trình tự, chúng tôi thấy rằng hầu hết mọi thứ đều có một số loại vi sinh vật, ngay cả khi nó sống ở bên ngoài. Ai kiểm soát sự tiến hóa của ai, bạn biết không? Có lẽ chúng tôi phải đối phó với thực tế là ruột của chúng tôi sẽ bị bọ xâm chiếm và chúng tôi đã cố gắng hết sức.
Đó là lý do tại sao tôi nghĩ nghiên cứu về quá trình trao đổi chất thu được rất hấp dẫn. Bạn đang nghiên cứu những sinh vật đang thực hiện những vụ mua lại này ngày hôm nay. Bạn sẽ hiểu rõ hơn về cách họ xử lý vấn đề đó về mặt sinh thái trong quá khứ, áp lực lựa chọn là gì, v.v.
Tôi cảm thấy như hệ sinh thái lý thuyết đang bùng nổ gần đây.
Tôi nghĩ nó đang rất thịnh hành bây giờ.
Tôi nghĩ rằng một phần của sự quan tâm ngày càng tăng đối với lý thuyết đến từ lượng thông tin khổng lồ mà chúng ta có hiện nay. Khi bạn có hàng đống dữ liệu, bạn hiểu ý nghĩa của nó bằng cách phát triển một số lý thuyết thống nhất về nó. Và các mô hình toán học là một cách để tiếp cận vấn đề đó. Tôi nghĩ đó là lý do tại sao các sinh viên sau đại học của chúng tôi quan tâm nhiều hơn đến các chủ đề này, hoặc các trường đại học quan tâm đến việc thuê các nhà sinh thái học lý thuyết. Tóm lại là: Chúng tôi có dữ liệu khổng lồ. Và chúng tôi đã sẵn sàng.
