介绍
大自然，牙齿和爪子都是红色的，到处都是通过吃邻居来取得成功的生物。 但是在理论生态学家研究的系统中 冬青穆勒作为加州大学圣巴巴拉分校生态学、进化和海洋生物学助理教授，消费者以令人惊讶的方式成为消费者的一部分。
Moeller 主要研究原生生物，这是一种广泛的单细胞微生物类别，如变形虫和草履虫，它们不属于我们熟悉的动物、植物和真菌的宏观类别。 最让她着迷的是一些原生生物能够吸收它们所捕食的部分细胞。 有了这些仍在运作的猎物，原生生物可以扩展到新的栖息地，并在以前无法生存的地方生存。
观察它们让莫勒对当今生态系统的基本结构以及形成它们的进化力量有了独特的看法。 原生生物窃取细胞器可能看起来很奇怪，但我们自己细胞中的线粒体将我们标记为我们远古祖先代谢获得的相关类型的产物。
“从最广泛的意义上讲，这些问题是关于生物何时以及如何专业化，以及它们如何通过获得新事物来打破这种专业化，”她说。 “对我来说，这项工作解决了以下问题：生物体如何扩大其生态位，这些收购如何能够永久存在，以及新陈代谢如何跨越生命之树的树枝尖端意味着什么。”
广达 通过电话与 Moeller 谈到了她的职业生涯、她对获得性新陈代谢和理论生态学的研究。 为清楚起见，对访谈进行了压缩和编辑。
您因在“后天新陈代谢”方面的工作而在生态学和进化界广为人知。 这个词是你想出来的吗？
不是故意的。 这就是我所说的未在您自己的基因组中编码的新陈代谢部分的意思。 您可以通过与另一个物种联系以某种方式访问它们。
这包括某些形式的共生关系，但不仅如此。 它还包括从摄入的猎物中获取叶绿体、用于光合作用的真核细胞器，甚至水平基因转移，其中单个基因或一整套代谢基因从一个生物体中被另一个生物体提取。
我受过社区生态学家的培训，所以我对生物体在生态系统中扮演的角色以及这些生态位在其生命周期中如何扩展和收缩非常感兴趣。 对获得性新陈代谢的研究感觉很自然，因为它非常关注生物体如何扩大它们的生态位。
人类与我们的肠道细菌有什么后天新陈代谢？
我认为这是一个很好的例子。 我们吃不同食物来源和代谢它们的能力很大程度上归结于这些细菌。 我们所需的一些重要维生素和辅助因子，如维生素 K，是由生活在我们肠道内的微生物制造的。 我们非常依赖这些伙伴关系。
是什么促使您进入这一研究领域？
你知道，细菌经常通过一个叫做“翻滚和奔跑”的过程移动。 它们遵循某种化学线索走向资源，但当信号逐渐消失时，它们就会停下来，旋转并朝随机方向离开。 我认为这对包括我在内的许多科学家也是如此。 我们经常跟着鼻子走，追逐让我们兴奋的事情。 有时它会将我们带到意想不到的地方。
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我很幸运。 我的父母都是受过科学家训练的，虽然在我成长的过程中他们都没有作为科学家工作过，但我知道研究是一种职业选择。 我在罗格斯大学 (Rutgers University) 的本科教育中也很幸运，因为我的教授对我很感兴趣，并将我与一位从事海洋微生物研究的教员联系起来。 我第一次合作的科学家， 保罗·法考斯基, 有不拘一格的兴趣。 但他当时正在研究的其中一件事是叶绿体是如何在生命之树周围扩散的。
这就是我对后天新陈代谢的兴趣开始的地方。 我发现它非常迷人，我在教科书中学到的作为植物特征的东西实际上是它们在 XNUMX 亿年前通过摄入细菌而获得的东西。 而且这已经发生了多次。 我开始和保罗一起工作 马特·约翰逊，他当时是他的博士后，研究今天窃取叶绿体的生物体，以及它们可能告诉我们关于这个进化过程的什么。
我喜欢这样的想法，即有机体可以在没有叶绿体的情况下开始生命，然后只选择一个。
正确的？ 想象一下，如果我们午餐吃了一份沙拉，然后我们的手臂突然变绿了！ 我现在住在南加州——我可以在课间散步，获得我需要的所有能量。 虽然我喜欢吃午餐，但我不确定我是否真的喜欢吃午餐。
在许多情况下，这些获得叶绿体的生物变得非常依赖于进行光合作用。 我们研究的一些物种如果不能进行光合作用就会死亡，所以如果它们找不到猎物来窃取叶绿体就无法生存。 他们把自己逼到这个角落对我来说是一种进化的好奇心。
这些物种是否必须不断窃取叶绿体，因为它们最终会分解？
一般来说，是的。 然而，这些窃取叶绿体的谱系在维持叶绿体方面的表现各不相同。 在我们研究的这组海洋纤毛虫中， 中钠草，一些谱系根本不窃取叶绿体。 有些人偷了它们，然后很快就把它们扔进了地下。 其他人偷走了它们，但也从猎物身上偷走了功能细胞核，这意味着它们可以制造更多的叶绿体。
我喜欢的比喻是，那些不偷叶绿体的人就像一个从不偷车的乖孩子。 其他人为了兜风而偷车，撞到树上然后弃之不用。 但也有一些人偷了车还偷了车主手册，他们建了一个机修店来妥善保管被盗的财物。
有整个范围，因为它们密切相关，我们可以问：这些促进转变的生物体之间的进化差异是什么？
它们是否从它们的亲代细胞中继承了叶绿体？ 如果细胞分裂繁殖，难道叶绿体也不会遗传吗？
他们中的一些人这样做。 在某些谱系中，当细胞分裂时，它们会分裂它们之间的叶绿体分配。 为了刷新和补充它们的叶绿体，它们需要通过进食来窃取它们。
但是保留被盗细胞核的细胞——被盗的使用说明书——可以使叶绿体与细胞的其余部分一起分裂。 细胞核似乎是他们仍然需要进食的东西。 当它们捕获猎物细胞时，它们会紧紧抓住它的叶绿体，为什么不呢？ 但似乎真正关键的是它们获得了新的原子核。
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纤毛虫怎么可能从别人的细胞机器中获取能量呢？
这是一个非常有趣的问题。 当一些 中钠草 纤毛虫进食后，会剥去大部分猎物细胞。 电子显微镜显示叶绿体完好无损，但它们仍在猎物的遗留细胞膜内。 然后纤毛虫在所有这些周围都有一层自己的膜，因为纤毛虫在摄取猎物细胞时会将其粘在液泡 [膜囊泡] 中。
我们真的不知道分子是如何穿过这个多膜系统的。 这是我们现在正试图通过跟踪蛋白质的去向来深入研究的东西。
这项工作正在帮助您回答什么进化问题？
当我们在学校教授光合作用时，我们主要关注陆地植物，它们的祖先在 2 亿年前获得了叶绿体，当时它们将自由生活的蓝藻驯化为内共生体。
但是当我们观察海洋和淡水系统中的浮游植物时，情况要复杂得多。 我们经常观察具有所谓次级叶绿体的生物，这意味着在它们进化史上的某个时候，它们从其他东西中获得了叶绿体。 有时你甚至可以看到三级叶绿体的证据，其中生物体正在获得从某些第三细胞中提取的叶绿体。 我们认为，这些二级和三级内共生事件至少发生了六次。 这导致了真核浮游植物的巨大多样性。
从异养生物转变为高度光合作用的生物是什么样子的？ 您必须在生理上做出哪些改变？ 你在哪里可以生存？ 必须具备哪些自然选择梯度？ 的研究 中钠草 让我们深入了解这种转变是什么样的。
获得性新陈代谢是否有助于生物体取得进步？
在我们今年早些时候发表的论文中，我们研究了一种通过寄生内共生藻类而变得能够进行光合作用的生物体。 它既是后天新陈代谢又是共生关系。 你可以打开这些淡水纤毛虫 草履虫 并隔离藻类，藻类就会快乐地自己生活和生长。
这些草履虫就像在培养皿中旋转的绿色毛茸茸的小斑点。 我们开始研究这些生物体的竞争能力如何取决于光的可用性。 如果它们从阳光中获取能量，那么阳光越多，它们生长所需的能量就越多。 我们认为这将扩展到它们与其他物种竞争的能力。
我有一个非常有才华的本科生， 维罗妮卡·许, 谁测试了这个想法。 我们有这个培养箱，里面有一排排灯和在不同光照水平下生长的培养物的小烧瓶。 每两天，维罗妮卡都会采集培养物样本，并将它们的小液滴放入培养皿中。 然后她计算了每个液滴中不同类型纤毛虫的数量。
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但即使不进行精确计数，您也可以在短短几周内看到所有白色半透明非光合作用纤毛虫都在消失，而所有亮绿色草履虫都在增加。 你可以看到比赛在你眼前进行。
维罗妮卡表明，随着光照的增加，通过寄居藻类获得光合作用的生物体的竞争能力也随之增强。 然后对细胞进行计数使我们能够掌握这种现象背后的数据。
那么获取这些细胞计数并建立正在发生的事情的数学模型是其中的重要部分吗？
是的，当我们进行这些实验时，有很多计数。 我的同事 卡罗琳·塔克 我们一起读研究生时说，“你知道，生态学只是一门计算科学。” 当时，我有点反感她的说法，但她并没有错。
有一部分人总是认为，除了在实验室或野外与你的研究生物坐在一起并爱上它一点点之外，没有什么可以替代的。 坐在黑暗的房间里，通过显微镜凝视，你会觉得你能感受到这些不同物种的个性。 有些草履虫是银白色的，呈泪滴状，非常透明，因为它们没有任何光合藻类。 当它们在一个装有大量细菌资源的全新烧瓶中时，它们会慢慢地游来游去，但随着实验的进行，你会看到它们在你眼前感到饥饿，并且开始游得非常快。 您可以进行观察，然后得出其他发现。
能够将实验室实验与数学模型结合起来迫使我对我的想法非常诚实和明确。 我们所说的“获得”新陈代谢是什么意思？ 细胞通过光合作用获得了哪些资源？ 这究竟如何影响其竞争能力？
现在我们有了一个模型，我们知道它描述了后天新陈代谢如何改变竞争能力。 这不仅对获得性光合作用有影响，而且对其他新陈代谢的获得也有影响。 我们插入模型的确切细节可能会根据系统而改变。 但是我们有一个框架可以使用。
我们谈到了后天新陈代谢带来的竞争优势。 但是接管别人的新陈代谢有缺点吗？
确实。 有一种理论认为，我们的线粒体——我们通过内共生获得的另一种代谢细胞器——是我们衰老的原因。
因为它们，我们进行有氧代谢，利用氧气燃烧碳水化合物和其他分子以获取能量。 但线粒体和叶绿体产生的反应剂也可能氧化和降解我们身体的 DNA。 把这些放在你的遗传物质旁边是很危险的。
我们有时会在这些窃取叶绿体的生物体中看到的一件事是它们有很多保护性抗氧化机制，这有助于它们处理叶绿体。 拥有叶绿体会使处于高光环境中变得非常危险。 你基本上会被晒伤。 一件很酷的事情展示了 苏珊·斯特罗姆华盛顿州西华盛顿大学的一位科学家认为，当生物体吃掉带有叶绿体的细胞时，它们往往会在光线充足时更快地消化这些细胞。 这可能是因为光可以帮助你分解叶绿体。 但也可能是这个有机体在想，“我在这里玩火； 我必须摆脱它。”
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因此，这引发了一些有趣的问题，即这些生物最初开始依附于叶绿体时可能生活在何种环境中。 我怀疑这可能是一个光线较弱的环境，因为如果你的消化依赖于光线，光线较弱会减慢它的速度，同时也会减少叶绿体可能造成的危害。 你可以稍微管理一下。 和 中钠草 肯定是弱光种。 但这是非常轶事。 我们需要更多的证据。 但当然也有一些东西可以保留生活在强光环境中的叶绿体。
我在你的 Twitter 上注意到你正在做大量的树根计数。 这与其他工作有什么关系？
作为一名理论生态学家，我喜欢的一件事是我可以涉足许多不同的系统。
这是我们致力于获得性新陈代谢的另一个方面。 所以我们已经讨论过从另一个生物体中窃取代谢机制。 但也存在代谢共生——通过两种生物之间这种真正亲密的伙伴关系获得新陈代谢。 众所周知，树木的工作是进行光合作用。 但是为了进行光合作用，树木需要土壤中的养分和水分。 事实证明，尤其是在温带生态系统中，它们通过与真菌、外生菌根真菌合作获得这些资源。 这些真菌大多生活在地下，尽管有时它们会长出非常美味的蘑菇，有时也会长出有毒的蘑菇。 真菌与树木合作。 真菌擅长从土壤中获取养分，树木通过光合作用提供糖分，因此它们可以相互支持。
这种代谢共生有助于树木在各种不同的环境条件下生存并扩大其生态位。 一棵树可以与适合一种环境的某些真菌合作，也可以与不同环境中的不同真菌合作。 我们认为，这使树木能够在更多样化的环境条件下谋生，而不是独自生存。
关于微生物组的讨论太多了，但我们忘记了，一开始就很难搞定与微生物的所有关系。
是的，完全。 随着我们从测序中获得更好的环境数据，我们看到几乎所有东西都有某种微生物组，即使它生活在它们的外部。 谁控制了谁的进化，你知道吗？ 也许我们只需要面对这样一个事实，即我们的胆量将被虫子占据，我们充分利用了它。
这就是为什么我认为后天新陈代谢的研究如此迷人。 你正在研究今天进行这些收购的生物体。 你可以深入了解他们过去是如何从生态角度处理这种情况的，选择压力是什么等等。
我觉得最近理论生态正在爆炸式增长。
我认为它现在很流行。
我认为对理论的兴趣上升部分来自我们现在拥有的大量信息。 当你有成堆成堆的数据时，你可以通过发展一些关于它的统一理论来理解它。 数学模型是解决该问题的一种方法。 我认为这就是为什么我们的研究生对这些话题更感兴趣，或者大学对聘请理论生态学家更感兴趣。 可以归结为：我们拥有海量数据。 我们准备好了。
