إنها تتعقب الحمض النووي للأنواع المراوغة التي تختبئ في الأماكن القاسية

اكتشفت تريسي سيمون شغفها بالعالم الطبيعي في وقت مبكر. عندما نشأت في كولورادو ، كانت تستمتع "بحصاد الحشرات" من الفناء الخلفي لعائلتها وتربية مزرعة هواية للنمل. عندما رأت الأشجار يتم قطعها على شاشة التلفزيون ، أصابها الذهول. اعتادت هي ووالدها دراسة السماء ليلا من خلال التلسكوب حتى دفعها فضولها لتفكيك التلسكوب لمعرفة كيفية عمله. لم تستطع استعادتها معًا. عندما أعطاها والداها فيما بعد هدية المجهر ، طُلب منها تركه على حاله.

قالت: "نظرت إلى كل شيء تحتها".

في عام 2007 ، عندما كانت سيمون عضوة تدريس مبتدئًا في جامعة كولومبيا واختارت مسارًا وظيفيًا ، شعرت بأنها منجذبة في اتجاهين متعارضين. كان من الممكن أن تقبل عرضًا لشغل منصب عضو هيئة تدريس لمتابعة أبحاثها الطبية حول أمراض القلب والأوعية الدموية. لكنها بدلاً من ذلك عملت بدوام جزئي للمساعدة في تطوير مختبر جزيئي لجمعية الحفاظ على الحياة البرية (WCS). تحول ذلك في النهاية إلى عرض فريد للمساعدة في إطلاق مختبر جديد في حديقة حيوان برونكس كزميل أبحاث مشترك لـ WCS ومركز العدوى والمناعة بجامعة كولومبيا. قالت "كنت أتدرب على اكتشاف العوامل الممرضة" بينما "أحاول ببطء" بناء المختبر الجديد.

اليوم، سيمون هو مدير مختبر التشخيص الجزيئي التابع لـ WCS ومقره حديقة حيوان برونكس. كانت رائدة في استخدام التقنيات القائمة على الحمض النووي للكشف عن الأنواع في البرية ومراقبتها ، لا سيما في البيئات الصعبة. أخذها بحثها في التنوع البيولوجي إلى بيرو وميانمار وفيتنام وكمبوديا وروسيا وأوغندا ورواندا.

حتى أن سايمون صعد إلى جبل إيفرست ، حيث قاد الفريق الذي قام بأول حمض نووي بيئي شامل (eDNA) مسح التنوع البيولوجي هناك. كان هذا البحث جزءًا من 2019 ناشيونال جيوغرافيك وروليكس بعثة كوكب الأبدية إيفرست، أشمل بعثة علمية أجريت على هذا الجبل على الإطلاق.

قبل أن يأخذها العمل الميداني لسيمون إلى جبل إيفرست ، سافرت عدة مرات إلى جبال الأنديز في بيرو. ينصب تركيزها على مستجمعات المياه Sibinacocha في سلسلة جبال كورديليرا فيلكانوتا الجليدية. منذ ما يقرب من 20 عامًا ، قادت مبادرة للتحقيق في آثار تغير المناخ وفطر chytrid (باتراخوتشيتريوم dendrobatidis or Bd) على البرمائيات التي تعيش في هذا الموطن.

كوانتا تحدثت مع سيمون عبر مؤتمر بالفيديو حول رحلاتها البحثية العالمية. تم اختصار المقابلة وتحريرها من أجل الوضوح.

أخبرني عن مختبرك في حديقة حيوان برونكس.

معملنا صغير. معظم التشخيصات اليومية التي نجريها هي اختبارات لمسببات الأمراض على الحيوانات في مجموعتنا في حدائق الحيوان الأربعة التابعة لـ WCS وأكواريوم نيويورك. لدينا أيضًا مشاريع بحثية حيث نساعد في تطوير أدوات جزيئية للحفظ ، نوع الأدوات لدراسة الحمض النووي التي يمكنك رميها حرفيًا في حقيبة الظهر وتأخذها إلى الميدان. على سبيل المثال ، قمنا بتطوير اختبار فيروس حمى الكلاب المحمولة واختبار eDNA للأنواع المهددة بالانقراض. ونحن ندرب الباحثين الميدانيين في العديد من البلدان حيث نعمل على كيفية إجراء اختبار الحمض النووي المحمول هذا.

كيف شاركت في أبحاث eDNA؟

بالعودة إلى عام 2015 ، سأل زملاؤنا عما إذا كان بإمكاننا تطبيق هذه التكنولوجيا على اختبار الأنواع النادرة المهددة بالانقراض: سلحفاة اليانغتسي العملاقة الناعمة القشرة (رافتوس سوينهوي). لقد أمضينا الكثير من الوقت في الذهاب إلى برك حديقة الحيوانات في برونكس ، وجمع المياه ، والاختبار لمعرفة الأنواع الموجودة هناك ، ومعرفة ما إذا كان بإمكاننا إجراء اختبار eDNA على الإطلاق.

عندما بدأت لأول مرة ، بدا الأمر كأنه خيال علمي. "حقًا؟ يمكننا الكشف عن هذه الأنواع العديدة من الماء فقط؟ "

كيف انخرطت في دراسة الحمض النووي الريبي eDNA على جبل إيفرست من أجل بعثة Perpetual Planet؟

بول مايوسكيكان باحثًا في مجال المناخ وعالمًا جليديًا مرموقًا في جامعة ماين ، قد قام برحلة استكشافية علمية إلى جبل إيفرست ، ودعاني. سألني ، "لماذا لا تجمع بعض الأفكار حول ما تريد أن تفعله هناك؟" كانت فكرتي ، "إذا أردنا معرفة الحياة على أعلى ارتفاع ، فهل يمكننا استخدام eDNA لتقييم التنوع البيولوجي لجبل إيفرست؟"

لم يعرف أحد الكثير عن التنوع البيولوجي في تلك المرحلة لأنه من الصعب جدًا العمل في تلك المرتفعات العالية. الهواء رقيق. تتعب بسرعة كبيرة. عندما تهب العواصف ، يتعين عليك أحيانًا استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في طريق عودتك إلى الخيمة بسبب ظروف التعتيم الكامل.

كنت مهتمًا بمعرفة ما إذا كان يمكن أن تكون eDNA طريقة أسهل بكثير. يمكننا جمع عينات المياه ، وتصفيتها في الموقع ، وإعادة تلك المرشحات بالحمض النووي الذي تم التقاطه إلى المختبر ، ثم استخدام الحمض النووي لتقييم ما هو موجود.

لذلك ذهبت إلى إيفرست وجمعت العينات بهذه الطريقة. لاحقًا ، كيف قمت بتحليل عينات الحمض النووي تلك؟

قمنا بتقسيم البيانات باستخدام طريقتين مختلفتين ، تسلسل الجينوم الكامل للبندقية وترميز التمثيل الغذائي. ثم استخدمنا أربعة خطوط أنابيب مختلفة للمعلومات الحيوية لتحليل البيانات وتحديد الكائنات الحية التي اكتشفناها.

الآن بعد أن فعلنا ذلك في إيفرست ، أود العودة والقيام بذلك في بيرو.

ما هي نقاطك الرئيسية فيما يتعلق بـ eDNA التي جمعتها على جبل إفرست؟

هناك كمية لا تصدق من التنوع البيولوجي هناك. تمكنا من العثور على 187 أمرًا تصنيفيًا من جميع أنحاء شجرة الحياة: الفيروسات والبكتيريا والفطريات والنباتات والحيوانات. يمكن العثور على ما يقرب من سدس جميع أوامر التصنيف المعروفة على هذا الجبل الذي يزيد ارتفاعه عن 4,500 متر. تشكل التضاريس على هذا الارتفاع وما فوق 3٪ فقط من مساحة اليابسة العالمية.

نأمل ، مع قيام المزيد من الأشخاص بجمع بيانات الحمض النووي ، سنكون قادرين على إعادة تحليل التسلسلات والحصول على التعريفات إلى مستوى الجنس والأنواع. بعض البيانات التي تمكنا من فعل ذلك بها بالفعل ، وهو أمر رائع. على سبيل المثال ، من الحمض النووي في عينات البراز ، وجدنا أول دليل على أن قط بالاس (Otocolobus مانول) ، وهو نوع نادر من القطط البرية ، يعيش في شرق نيبال. كان ذلك مثيرا. لكن حاليًا ، هناك عدد قليل جدًا من التسلسلات المرجعية من Everest لمقارنة البيانات بها ، وهذا ما تحتاجه لتحديد شيء ما.

هل كانت هناك قيود أخرى على الدراسة؟

بالتأكيد. دراستنا هي مجرد لقطة واحدة للتنوع خلال عدة أسابيع في أبريل ومايو 2019. لقد اقتصرنا على تلك النافذة لأن الرحلة الاستكشافية التي كنا جزءًا منها تضمنت مشاريع كانت مرتبطة بموسم التسلق وعندما كان بإمكان شعب الشيربا طرح حبال لتنشيط الناس وإعادتهم بأمان.

كانت عيناتنا محدودة أيضًا لأن ذوبان الجليد في الربيع جاء متأخرًا جدًا في ذلك العام. من صور الأقمار الصناعية في السنوات السابقة ، كنا نتوقع أن البحيرات على جبل إيفرست ستذوب تمامًا عندما وصلنا إلى هناك ، لكن العديد منها كان لا يزال مجمدًا. كان علينا اختراق الجليد لأخذ عينات من الماء من تحته.

إذا قمنا بتغيير المجموعة لمدة شهرين ، فهل كان بإمكاننا جمع المزيد من الحمض النووي ، وهل سيكون التنوع البيولوجي أعلى؟ ربما ، لكن لم يكن لدينا رفاهية الانتظار. ومع ذلك ، فإن كمية البيانات التي سحبناها من هناك في ذلك الوقت مذهلة.

سيكون من المدهش أن ننظر إلى كيفية تغير البيئة بشكل موسمي على مدار العام ، ثم العودة كل خمس سنوات لنرى كيف يتغير ذلك بمرور الوقت. تعمل بعض الكائنات الحية التي حددناها كأنواع مؤشر لتغير المناخ والضغوط البيئية الأخرى.

لماذا من المهم إجراء اختبارات بيولوجية في أماكن مثل جبال الهيمالايا؟ هذه البيئات القاسية هي جزء صغير نسبيًا من العالم. لماذا لا يكفي مجرد جمع eDNA من أماكن يسهل الوصول إليها؟

كان لدينا هدفان في الاعتبار عند الصعود إلى هناك. أولاً ، أردنا الإجابة على أسئلة مثل: ما هي الحياة في أعلى ارتفاع؟ ما هي الأنواع التي تعيش هناك؟ ما هي الكائنات الحية التي يمكن أن تتحمل ما نسميه البيئات القاسية؟

من المهم أن تعرف فقط من منظور بيولوجي. على سبيل المثال ، بعض الكائنات الحية التي وجدناها هناك هي بطيئات المشية والروتيفر. يمكن لهذه الكائنات الحية أن تعيش إلى حد كبير في أي مكان ، بما في ذلك البيئات القاسية للغاية والقاسية. يمكن حتى أن تنجو بطيئات المشية من فراغ الفضاء.

ثانيًا ، البيئات الجبلية العالية هي الأماكن التي يمكنك فيها البحث عن التغييرات التي تحدث بمعدلات أسرع بكثير مما يحدث في الأسفل. عادة ، يمكن أن تؤدي الاضطرابات الصغيرة في البيئات القاسية هناك إلى تغييرات كبيرة في النطاقات أو المناطق التي يمكن أن تشغلها هذه الكائنات. أردنا أن نفهم عواقب هذه التغييرات.

وخير مثال على ذلك ما تعلمناه في جبال كورديليرا فيلكانوتا في جنوب بيرو بالقرب من بحيرة سيبيناكوتشا. من خلال الدراسات التي أجريت على مدى عقدين من الزمن ، وجدنا أن البرمائيات كانت توسع مداها لأعلى في التضاريس التي تم تحللها مؤخرًا. تشكلت برك جديدة خلف الأنهار الجليدية المتراجعة. لقد فتح هذا موائل جديدة يمكن للأنواع أن تهاجر إليها وتحتلها.

لكنها ليست البرمائيات فقط. نحن نرى حشرات ونباتات وكائنات أخرى تنتقل إلى مناطق البركة هذه أيضًا. في المناطق الجبلية ، يرتفع المحيط الحيوي بأكمله استجابة لتغير المناخ ، كما وثقنا في جبال الأنديز في بيرو.

يصبح السؤال أيضًا: هل يمكننا قياس مدى سرعة حدوث معدلات التغيير الثرية هذه؟ لقد وجدنا أن البرمائيات تتحرك كثيرًا بناءً على توافر الموائل. عندما تتشكل بركة ، سينتقلون إليها ، لكن في النهاية لم يعد يتغذى عليها النهر الجليدي. عندما يجف ، تنتقل البرمائيات إلى البركة التالية. إنها بيئة ديناميكية للغاية وسريعة التغير.

تعد دراسة Everest طريقة رائعة لإنشاء بيانات أساسية لتوثيق هذه التغييرات. لأن الأنواع الموجودة هناك تعيش في بيئات قاسية ، فهي أكثر عرضة لتغيير سلوكها.

هل eDNA كأداة مفيدة في البيئات الأقل قسوة؟

لا أفكر أبدًا في eDNA كأداة أساسية. يجب استخدام eDNA مع طرق أخرى لرصد التنوع البيولوجي. ثم يمكننا أن ننظر إلى بيانات eDNA بشكل أكثر شمولية وفي السياق.

على سبيل المثال ، جمعت عينات براز ، وقمنا باستطلاعات مرئية أثناء وجودنا في جبل إيفرست. وجدنا آثار نمر الثلج في الثلج المتساقط حديثًا هناك ، لكننا لم نحصل على نمر ثلجي في عينة eDNA الخاصة بنا. كان هذا شيئًا فقدناه.

الشيء في eDNA هو أنه على الرغم من أنه يمكن أن يكون مفيدًا بشكل لا يصدق حول الكثير مما هو موجود في البيئة ، لا يمكنك استبعاد ما هو غير موجود في بياناتك. لأنك دائمًا مقيد بحساسية اكتشافك.

لنفترض أننا أخذنا 20 عينة مياه من بحيرة ، وعينة واحدة فقط جاءت إيجابية للسلاحف. إذا أخذنا 10 عينات فقط ، فربما فوتنا السلاحف الموجودة هناك. لذلك مع eDNA ، يجب أن تستند تفسيراتك للبيانات دائمًا إلى استراتيجية أخذ العينات. عندما تقوم بتطبيق eDNA على شيء مثل المراقبة الحيوية للتغييرات بمرور الوقت ، فمن الجيد معرفة بيئة نظامك أولاً ثم وضع جميع المحاذير في الاعتبار.

ما هي بعض تلك المحاذير؟

فقط لأنك اكتشفت الحمض النووي لا يعني بالضرورة أنك تجمعه من كائن حي. يمكن أن يكون من كائن حي ميت يتساقط eDNA. إذا حركت قاع جسم مائي ، فربما تقوم بإثارة الحمض النووي القديم. عليك حقًا التفكير في الأسئلة التي تريد الإجابة عليها وما إذا كانت eDNA ستجيب عليها.

عليك أيضًا أن تتذكر مدى سرعة تحلل الحمض النووي الريبي ، اعتمادًا على درجة الحرارة أو ظروف الضوء فوق البنفسجي. يمكن للعديد من الأشياء أن تقلل من عمر النصف لـ eDNA الخاص بك ، وعليك أن تأخذها جميعًا في الاعتبار عند تصميم دراسة. يمكن أن يكون معقدًا جدًا.

بالإضافة إلى دراسات التنوع البيولوجي الخاصة بك ، فأنت تستخدم أيضًا eDNA لتحديد الأنواع في تجارة الحياة البرية.

نعم. كان أحد مشاريعنا هو تطوير اختبار الحمض النووي الذي يمكن أن يحدد جميع أنواع القطط الكبيرة التي يتم الاتجار بها في تجارة العظام غير المشروعة. تُستخدم جميع أجزاء النمر في تجارة الحياة البرية. أردنا تطوير اختبار يسمح بفحص مسبق أفضل عند نقاط المصادرة أو نقاط الدخول إلى البلدان. أداة سهلة الاستخدام للغاية ، بحيث يمكنك إعداد معمل محمول وشاشة للعظام التي قد تأتي من خلال أمتعة الأشخاص أو حزمهم. شيء يمكن أن يرى بسرعة ما إذا كانت العينة من نوع قطط كبيرة ، وبالتالي يمكن تنظيمها ، بحيث يمكن إرسالها بعد ذلك لاختبار الطب الشرعي التأكيدي.

يتم تجربة نسخة تجريبية في الصين وهنا في الولايات المتحدة. والفكرة هي استخدامها كأداة فحص يمكن أن تساعد تطبيق القانون في القضاء على التجارة غير المشروعة.

لقد قادت مبادرة مراقبة طويلة الأجل في بيرو تركز على فطر Chytrid البرمائيات ، والذي يُنظر إليه على أنه يدمر العديد من مجموعات البرمائيات في جميع أنحاء العالم. كيف تؤثر تلك الفطريات على البرمائيات؟

يهاجم الفطر جلد الأنواع المعرضة للخطر. ثم يصاب الضفدع المصاب بفرط التقرن ، وهو سماكة طبقة الكيراتين في الجلد التي تمنع امتصاص الماء والأكسجين. لذا فإن إلكتروليتاته تصبح غير متوازنة بشكل خطير وتتسلل من الجلد. تدخل الضفادع في النهاية في سكتة قلبية.

يمكن أن يكون مدمرًا لبعض الأنواع ، لكن يبدو أن البعض الآخر أكثر مرونة تجاهه. هناك الكثير من الأسئلة المعقدة حول إمراضية السلالات الفطرية المختلفة. إنه مجال كبير.

لقد كنا ندرس أي الضفادع تصاب بالفطر chytrid وبعد ذلك ، أثناء تعاملهم معها ، كيف يتكيفون أيضًا مع تأثيرات المناخ الدافئ.

ماذا وجدت؟

لقد تمكنا من إظهار أنه مع تقدم الضفادع لأعلى وتوسيع نطاقها ، فإنها تجلب معها الفطريات. بعض الضفادع التي وجدناها بالقرب من الجزء العلوي من الممر ، على ارتفاع 5,300 متر ، كانت إيجابية chytrid. عندما نذهب نحن الباحثين إلى الميدان ، نتخذ الكثير من الاحتياطات لرش أحذيتنا بالكحول حتى لا ننشر الفطريات حولها.

في جبال الأنديز ، رأينا اختفاء نوع ، ضفدع الماء الرخامي ، تيلماتوبيوس مارموراتوس. بعد عام 2005 ، انهار عدد السكان. لم نتمكن من العثور عليها في أي من المواقع التي أخذنا عينات منها لسنوات. لكن بحلول عام 2013 ، بدا أنهم سيعودون. لقد أصبحوا أكثر مقاومة للفطر. هناك أمل في أنهم سيحققون أداءً جيدًا مع استمرارهم في التكيف مع البيئة المتغيرة بسرعة هناك.

هل لديك مكان مفضل للقيام بالعمل الميداني؟

ستكون البحيرة المفضلة لدي دائمًا هي بحيرة سيبيناكوتشا في بيرو. لديك طيور النحام تحلق فوق الأنهار الجليدية وطيور طنان الأنديز ترفرف من حولك. الضفادع والفيكونيا. إنه جميل بشكل مذهل ، ومتنوع بيولوجيًا بشكل لا يصدق لمثل هذه البيئة الجبلية العالية.

كيف اكتشفت نوعين جديدين من الرتيلاء؟

إنه لأمر مدهش ، أعلم ، لأنني مصاب برهاب العناكب!

بينما كنا نتقلب على الصخور في بيرو بحثًا عن الضفادع ، لاحظت بعضًا ضبابيًا صغيرًا يخرج من حفرة. نظرت إلى برونوين كونيكي، كان طالبًا ومتعاونًا كنت أعمل معه في ذلك الوقت ، وقلت ، "هل يمكنك التقاط ذلك؟" هي فعلت.

لقد التقطنا الكثير من الصور وعرضناها على خبير تصنيف الرتيلاء الذي قال ، "يبدو أنه قد يكون لديك نوع جديد. بأي طريقة يمكنك جمع بعض الذكور والإناث؟ "

ماذا حصل بعد ذلك؟

كان علي العودة. في ذلك الوقت ، كنت فقط مع زوج طويل من الملقط ، يصل إلى الثقوب. كنت أحاول أن أصطاد الرتيلاء بحذر شديد وأن أفقد الوعي تقريبًا من فرط الأدرينالين.

أكبر العينات ، ساعد فريق الخيول لدينا في جمعها. أودعنا العينات الجديدة في ليما وطلبنا إرسالها للتقييم التصنيفي. بعد حوالي 10 سنوات ، تم تحليلها ونشر النتائج. أحيانًا يستغرق الأمر وقتًا طويلاً ، لكن العلم يظهر بالفعل.

أين تأمل إجراء البحث بعد ذلك؟ أي مواقع الحلم؟

أود أن أقوم بمزيد من العمل في جبال الهيمالايا. أنا فقط أحب البيئات الجبلية العالية. ضعني في واحد وأنا سعيد. أحب القفز من صخرة إلى أخرى ، وتقليب الأشياء ، والبحث عن المخلوقات. الشيء المفضل لدي هو قلب الصخور ورؤية ما تحتها.

في أوقات فراغك ، قمت بتصوير ودراسة العواصف الشديدة. أخبرنا عن ذلك.

هذه هوايتي. زوجي، انطون سيمون، هو القائد العلمي لفريق أبحاث تورنادو. لقد شارك في أبحاث الإعصار لمدة ثلاثة عقود ، وكنت أطارد العاصفة معه منذ أن التقينا ، لذلك لمدة 20 عامًا.

في كل عام بين مايو ويونيو ، نحزم شاحنتنا وكلبنا الكلب تشيس ، ونخرج في السهول الكبرى لمتابعة العواصف الشديدة. نحن بشكل عام نستهدف العواصف في المناطق التي من المحتمل أن يكون هناك القليل من الدمار فيها ، حيث يمكننا الحصول على مناظر متواصلة لهذه العواصف. ولكن حتى لو لم نشاهد العواصف ، فأنا سعيد تمامًا بتصوير الحياة البرية والأزهار البرية. إن غمر نفسي في الطبيعة ، كما هو الحال عندما أخرج إلى الميدان ، هو الشيء المفضل لدي.