Hun sporer DNA'et fra undvigende arter, der gemmer sig på barske steder

Tracie Seimon opdagede tidligt sin passion for den naturlige verden. Som barn, der voksede op i Colorado, nød hun at "høste insekter" fra sin families baghave og holde en hobbymyrefarm. Når hun så træer blive fældet i fjernsynet, blev hun fortvivlet. Hun og hendes far plejede at studere nattehimlen gennem et teleskop, indtil hendes nysgerrighed fik hende til at skille teleskopet ad for at finde ud af, hvordan det fungerede. Hun kunne aldrig få det sammen igen. Da hendes forældre senere gav hende et mikroskop i gave, blev hun bedt om at lade det være intakt.

"Jeg kiggede på alt under det," sagde hun.

I 2007, da Seimon var juniorfakultet ved Columbia University og valgte en karrierevej, følte hun sig trukket i to modsatrettede retninger. Hun kunne have accepteret et tilbud om en fastansættelse som fakultet for at fortsætte sin medicinske forskning i hjerte-kar-sygdomme. Men i stedet tog hun et deltidsjob for at hjælpe med at udvikle et molekylært laboratorium for Wildlife Conservation Society (WCS). Det blev til sidst omdannet til et unikt tilbud om at hjælpe med at lancere et nyt laboratorium i Bronx Zoo som en fælles forsker for WCS og Columbia Universitys Center for Infektion og Immunitet. "Jeg trænede i at opdage patogener", mens jeg også "langsomt prøvede at opbygge" det nye laboratorium, sagde hun.

Dag, Seimon er direktør for WCS's Molecular Diagnostics Laboratory med base i Bronx Zoo. Hun har været banebrydende i brugen af ​​DNA-baserede teknologier til at detektere og overvåge arter i naturen, især i udfordrende miljøer. Hendes biodiversitetsforskning har ført hende til Peru, Myanmar, Vietnam, Cambodja, Rusland, Uganda og Rwanda.

Seimon er endda steget op på Mount Everest og ledet holdet, der lavede det første omfattende miljø-DNA (eDNA) biodiversitetsundersøgelse der. Denne undersøgelse var en del af 2019 national geografi og Rolex Perpetual Planet Everest Ekspedition, den mest omfattende videnskabelige ekspedition, der nogensinde er gennemført på det bjerg.

Før Seimons feltarbejde tog hende til Mount Everest, rejste hun mange gange til de peruvianske Andesbjerge. Hendes fokus er Sibinacocha vandskel i Cordillera Vilcanota gletsjerbjergkæden. I næsten 20 år har hun ledet et initiativ, der undersøger virkningerne af klimaændringer og chytridsvampen (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) på de padder, der lever i det habitat.

Quanta talte med Seimon over videokonference om hendes globale forskningsvandringer. Interviewet er blevet komprimeret og redigeret for klarhedens skyld.

Fortæl mig om dit laboratorium i Bronx Zoo.

Vores laboratorium er lille. Det meste af den daglige diagnostik, vi kører, er tests for patogener på dyrene i vores samling i WCS' fire zoologiske haver og New York Aquarium. Vi har også forskningsprojekter, hvor vi hjælper med at udvikle molekylære værktøjer til konservering, den type værktøjer til at studere DNA, som man bogstaveligt talt kan smide i en rygsæk og tage med ud i marken. For eksempel har vi udviklet bærbar hundesygevirustest og eDNA-test for truede arter. Og vi uddanner feltforskere i mange af de lande, hvor vi arbejder på, hvordan man laver denne bærbare DNA-test.

Hvordan blev du involveret i eDNA-forskning?

Tilbage i 2015 spurgte vores kolleger, om vi kunne anvende teknologien til at teste for en sjælden, truet art: Yangtze kæmpe softshell skildpadden (Rafetus swinhoei). Vi brugte meget tid på at gå til vores Bronx Zoo-damme, samle vand, teste for at se, hvilke arter der var derinde, og se om vi overhovedet kunne lave eDNA-test.

Da jeg først startede, virkede det næsten som science fiction. "Virkelig? Vi kan opdage så mange arter bare fra vand?"

Hvordan blev du involveret i at studere eDNA på Mount Everest til Perpetual Planet-ekspeditionen?

Paul Mayewski, en højt anset klimaforsker og glaciolog ved University of Maine, var i gang med at sammensætte en videnskabsekspedition til Mount Everest, og han inviterede mig. Han spurgte mig: "Hvorfor sammensætter du ikke nogle ideer til, hvad du gerne vil lave der?" Min tanke var: "Hvis vi vil finde ud af, hvad livet i den højeste højde er, kan vi så bruge eDNA til at vurdere biodiversiteten på Mount Everest?"

Ingen vidste meget om biodiversiteten på det tidspunkt, fordi det er meget svært at arbejde i de høje højder. Luften er tynd. Man bliver meget hurtigt træt. Når storme blæser ind, er du nogle gange nødt til at GPS-en vej tilbage til teltet på grund af de fulde whiteout-forhold.

Jeg var interesseret i at se, om eDNA kunne være en meget nemmere måde. Vi kunne indsamle vandprøver, filtrere dem på stedet, bringe de filtre med det indfangede DNA tilbage til laboratoriet og så bare bruge DNA til at vurdere, hvad der er der.

Så du tog til Everest og samlede prøver på den måde. Hvordan analyserede du de DNA-prøver senere?

Vi nedbrød dataene ved hjælp af to forskellige teknikker, hel-genom haglgeværsekventering og metabarcoding. Derefter brugte vi fire forskellige bioinformatik-pipelines til at analysere dataene og bestemme, hvilke organismer vi havde opdaget.

Nu hvor vi har gjort det på Everest, ville jeg elske at vende tilbage og gøre det i Peru.

Hvad var dine vigtigste takeaways vedrørende det eDNA, du indsamlede på Mount Everest?

Der er en utrolig mængde biodiversitet deroppe. Vi var i stand til at finde 187 taksonomiske ordener fra hele livets træ: vira, bakterier, svampe, planter og dyr. Næsten en sjettedel af alle de kendte taksonomiske ordener kunne findes på dette ene bjerg over 4,500 meter. Terræn i den højde og derover udgør kun 3 % af den globale landmasse.

Forhåbentlig vil vi, efterhånden som flere mennesker indsamler DNA-data, være i stand til at genanalysere sekvenserne og få identifikationerne mere ned til niveauet af slægt og art. Nogle af dataene kunne vi allerede gøre det med, hvilket var fantastisk. For eksempel, fra DNA i prøver af scat, fandt vi det første bevis på, at Pallas' kat (Otocolobus manul), en sjælden art af vilde katte, lever i det østlige Nepal. Det var spændende. Men i øjeblikket er der kun meget få referencesekvenser fra Everest at sammenligne data med, og det er det, du skal bruge for at identificere noget.

Var der andre begrænsninger for undersøgelsen?

Jo da. Vores undersøgelse er blot et øjebliksbillede af mangfoldigheden i flere uger i april og maj 2019. Vi var begrænset til det vindue, fordi ekspeditionen, som vi var en del af, omfattede projekter, der var knyttet til klatresæsonen, og hvornår sherpaerne kunne stille op reb til at få folk sikkert op og tilbage.

Vores prøveudtagning var også begrænset, fordi foråret kom meget sent det år. Fra satellitbilleder i tidligere år forventede vi, at søerne på Mount Everest ville være helt optøet, når vi kom dertil, men flere af dem var stadig frosne. Vi var nødt til at hugge ind i isen for at prøve vandet nedenunder den.

Hvis vi havde flyttet indsamlingen med et par måneder, kunne vi så have indsamlet endnu mere DNA, og ville biodiversiteten være endnu højere? Måske, men vi havde ikke den luksus at vente. Alligevel er mængden af ​​data, vi trak ud derfra i den tid, forbløffende.

Det ville være forbløffende at se på, hvordan miljøet ændrer sig sæsonmæssigt gennem et år, og derefter gå tilbage hvert femte år for at se, hvordan det ændrer sig over tid. Nogle af de organismer, vi identificerede, tjener som indikatorarter for klimaændringer og andre miljøbelastninger.

Hvorfor er det vigtigt at lave bioassays på steder som Himalaya? Disse ekstreme miljøer er en relativt lille del af verden. Hvorfor er det ikke nok bare at indsamle eDNA fra mere tilgængelige steder?

Vi havde to mål i tankerne på vej derop. Først ville vi besvare spørgsmål som: Hvad er livet i den højeste højde? Hvilken art lever deroppe? Hvilke organismer kan tåle det, vi kalder ekstreme miljøer?

Det er vigtigt at vide bare fra et biologisk perspektiv. For eksempel er nogle af de organismer, vi fandt deroppe, tardigrader og hjuldyr. Disse organismer kan leve stort set overalt, inklusive meget barske og ekstreme miljøer. Tardigrades kan endda overleve rummets vakuum.

For det andet er miljøer med høje bjerge steder, hvor du kan se efter ændringer, der sker med meget hurtigere hastigheder, end der sker længere nede. Typisk kan små forstyrrelser i de ekstreme miljøer deroppe fremtvinge store ændringer i de områder eller territorier, som disse organismer kan besætte. Vi ønskede at forstå konsekvenserne af disse ændringer.

Et godt eksempel er, hvad vi har lært i bjergene i Cordillera Vilcanota i det sydlige Peru nær Sibinacocha-søen. Gennem undersøgelser over et par årtier fandt vi ud af, at padder har udvidet deres rækkevidde opad i terræn, der for nylig er blevet afglacieret. Nye damme er dannet bag de vigende gletsjere. Det har åbnet op for nye levesteder, som arten kan migrere opad til og besætte.

Men det er ikke kun padderne. Vi ser også insekter, planter og andre organismer flytte ind i disse damområder. I bjergområder stiger hele biosfæren som reaktion på klimaændringer, som vi har dokumenteret i de peruvianske Andesbjerge.

Spørgsmålet bliver også: Kan vi måle, hvor hurtigt disse rige ændringer sker? Vi opdager, at padder bevæger sig meget rundt baseret på tilgængeligheden af ​​levesteder. Når en dam dannes, vil de flytte ind i den, men til sidst bliver den ikke længere fodret af gletsjeren. Efterhånden som det tørrer op, flytter padderne til den næste dam. Det er et meget dynamisk, hurtigt skiftende miljø.

Everest-undersøgelsen er en fantastisk måde at etablere basisdata til at dokumentere disse ændringer. Fordi arterne deroppe lever i barske miljøer, er de mere tilbøjelige til at ændre deres adfærd.

Er eDNA et lige så nyttigt værktøj i mindre ekstreme miljøer?

Jeg tænker aldrig på eDNA som det primære værktøj. eDNA bør anvendes i kombination med andre måder til biodiversitetsovervågning. Så kan vi se på eDNA-dataene mere holistisk og i sammenhæng.

For eksempel indsamlede jeg scat-prøver, og vi lavede visuelle mødeundersøgelser, mens vi var på Mount Everest. Vi fandt sneleopardspor i nyfalden sne deroppe, men vi fik ikke sneleopard i vores eDNA-prøve. Det var noget, vi savnede.

Sagen med eDNA er, at selvom det kan være utroligt informativt om meget af det, der er i et miljø, kan du ikke udelukke, hvad der ikke er i dine data. Fordi du altid er begrænset af din detektions følsomhed.

Lad os sige, at vi tager 20 vandprøver fra en sø, og kun én prøve er positiv for skildpadden. Hvis vi kun havde taget 10 prøver, ville vi måske have savnet skildpadderne derinde. Så med eDNA skal dine fortolkninger af dataene altid være baseret på prøveudtagningsstrategien. Når du anvender eDNA på noget som biomonitorering for ændringer over tid, er det godt først at kende dit systems økologi og derefter huske på alle forbeholdene.

Hvad er nogle af disse forbehold?

Bare fordi du opdager DNA, betyder det ikke nødvendigvis, at du samler det fra en levende organisme. Det kan være fra en død organisme, der udskiller eDNA. Hvis du rører op i bunden af ​​en vandmasse, rører du måske op for gammelt DNA. Du skal virkelig tænke over de spørgsmål, du vil besvare, og om eDNA vil svare på dem.

Du skal også huske, hvor hurtigt eDNA nedbrydes, afhængigt af temperaturen eller ultraviolette lysforhold. Så mange ting kan reducere halveringstiden for dit eDNA, og du skal overveje dem alle, når du designer en undersøgelse. Det kan være ret kompliceret.

Ud over dine biodiversitetsundersøgelser bruger du også eDNA til at identificere arter i handel med vilde dyr.

Ja. Et af vores projekter var at udvikle en DNA-test, der kunne identificere alle de store kattearter, der handles i den illegale knoglehandel. Alle dele af tigeren bliver brugt i handelen med vilde dyr. Vi ønskede at udvikle en test, der ville give mulighed for bedre forhåndsscreening på steder med konfiskation eller indrejsesteder til lande. Et værktøj, der ville være meget nemt at bruge, så du kunne oprette et bærbart laboratorium og skærme for knogler, der måtte komme ind gennem folks bagage eller pakker. Noget, der hurtigt kunne se, om en prøve er fra en stor katteart, og derfor kunne blive reguleret, så den derefter kunne sendes til bekræftende retsmedicinsk undersøgelse.

En pilotversion er ved at blive afprøvet i Kina og her i USA. Ideen er at bruge den som et screeningsværktøj, der kan hjælpe retshåndhævelsen med at slå ned på den illegale handel.

Du ledede et langsigtet overvågningsinitiativ i Peru, der er fokuseret på padder chytrid-svampen, som ses som at ødelægge mange paddepopulationer rundt om i verden. Hvordan påvirker den svamp padder?

Svampen angriber huden på sårbare arter. En inficeret frø udvikler derefter hyperkeratose, en fortykkelse af hudens keratinlag, der hæmmer vand og ilt i at blive absorberet. Så dens elektrolytter bliver farligt ubalanceret, og den slynger af huden. Frøerne går til sidst i hjertestop.

Det kan være ødelæggende for visse arter, men andre ser ud til at være meget mere modstandsdygtige over for det. Der er mange komplekse spørgsmål om patogeniciteten af ​​forskellige svampestammer. Det er et stort felt.

Vi har undersøgt, hvilke frøer der bliver inficeret med chytridsvamp, og så, mens de beskæftiger sig med det, hvordan de også tilpasser sig virkningerne af det opvarmende klima.

Hvad har du fundet?

Vi har været i stand til at vise, at når frøerne rykker opad og udvider deres rækkevidde, tager de svampen med sig. Nogle af frøerne, som vi fandt nær toppen af ​​passet, i 5,300 meters højde, har været chytrid-positive. Når vi forskere går i felten, tager vi en masse forholdsregler for at sprøjte vores støvler med alkohol, så vi ikke spreder svampen rundt.

I Andesbjergene så vi forsvinden af ​​en art, den marmorerede vandfrø, Telmatobius marmoratus. Efter 2005 styrtede befolkningen ned. Vi kunne ikke finde dem på nogen af ​​de websteder, som vi prøvede i årevis. Men i 2013 så de ud til at komme tilbage. De bliver mere modstandsdygtige over for svampen. Der er håb om, at de vil klare sig ret godt, da de fortsætter med at tilpasse sig det hurtigt skiftende miljø deroppe.

Har du et yndlingssted til at lave feltarbejde?

Min favorit vil altid være Sibinacocha-søen i Peru. Du har flamingoer, der flyver over gletsjere, og Andes-kolibrier, der flagrer omkring dig. Frøer og vicuña. Det er bare forbløffende smukt og utroligt biodiversitet for sådan et højt bjergmiljø.

Hvordan opdagede du to nye tarantel-arter?

Det er overraskende, jeg ved det, for jeg er en araknofob!

Mens vi vendte rundt på sten i Peru og ledte efter frøer, så jeg en lille uklar bums, der stak ud af et hul. jeg kiggede på Bronwen Konecky, en daværende studerende og samarbejdspartner, jeg arbejdede med, og sagde: "Kan du fange det?" Hun gjorde.

Vi tog en masse billeder og viste dem til en ekspert tarantula-taksonom, der sagde: "Det ser ud til, at du måske har en ny art. På nogen måde kan du samle nogle hanner og hunner?”

Hvad skete der så?

Jeg var nødt til at gå tilbage. Den gang var det bare mig med en lang tang, der nåede ind i hullerne. Jeg ville prøve at fiske tarantellerne meget forsigtigt ud og næsten besvime af adrenalinoverbelastning.

De større eksemplarer hjalp vores hestehold med at indsamle. Vi deponerede de nye prøver i Lima og anmodede om, at de blev sendt ud til taksonomisk evaluering. Omkring 10 år senere blev de endelig analyseret og resultaterne offentliggjort. Nogle gange tager det lang tid, men videnskaben kommer frem.

Hvor håber du at udføre forskning næste gang? Nogle drømmesteder?

Jeg ville elske at arbejde mere i Himalaya. Jeg elsker bare højbjergmiljøer. Sæt mig i en, og jeg er glad. Jeg elsker at hoppe fra sten til sten, vende ting om og lede efter væsner. Min favorit ting at gøre er at vende sten og se, hvad der er under dem.

I din fritid har du fotograferet og studeret voldsomme storme. Fortæl os om det.

Det er min hobby. Min mand, Anton Seimon, er den videnskabelige leder af et tornado-forskerhold. Han har været involveret i tornadoforskning i tre årtier, og jeg har stormet med ham, siden vi mødtes, så i 20 år.

Hvert år mellem maj og juni pakker vi vores varevogn og vores jagthund Chase, og vi tager ud på Great Plains for at følge voldsomme storme. Vi målretter generelt mod storme i områder, hvor der sandsynligvis vil være meget lidt ødelæggelse, hvor vi kan få uafbrudt udsigt over disse storme. Men selvom vi ikke ser storme, er jeg meget glad for at fotografere dyreliv og vilde blomster. At fordybe mig i naturen, som når jeg går ud i marken, er min yndlings ting at gøre.