Sie verfolgt die DNA schwer fassbarer Arten, die sich an rauen Orten verstecken

Tracie Seimon entdeckte früh ihre Leidenschaft für die Natur. Als Kind, das in Colorado aufwuchs, genoss sie es, „Insekten zu ernten“ im Hinterhof ihrer Familie und eine Hobby-Ameisenfarm zu unterhalten. Wenn sie im Fernsehen sah, wie Bäume gefällt wurden, war sie verstört. Früher untersuchten sie und ihr Vater den Nachthimmel durch ein Teleskop, bis ihre Neugier sie dazu veranlasste, das Teleskop zu zerlegen, um herauszufinden, wie es funktionierte. Sie konnte es nie wieder zusammenbringen. Als ihre Eltern ihr später ein Mikroskop schenkten, wurde sie angewiesen, es intakt zu lassen.

„Ich habe mir alles darunter angesehen“, sagte sie.

Als Seimon 2007 Junior Faculty an der Columbia University war und sich für einen Karriereweg entschied, fühlte sie sich in zwei entgegengesetzte Richtungen gezogen. Sie hätte ein Angebot für eine Tenure-Track-Fakultätsstelle annehmen können, um ihre medizinische Forschung zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen fortzusetzen. Stattdessen nahm sie einen Teilzeitjob an, um bei der Entwicklung eines Molekularlabors für die Wildlife Conservation Society (WCS) zu helfen. Das verwandelte sich schließlich in ein einzigartiges Angebot, als gemeinsamer Forschungsstipendiat für das WCS und das Center for Infection and Immunity der Columbia University beim Start eines neuen Labors im Bronx Zoo zu helfen. „Ich habe in der Entdeckung von Krankheitserregern trainiert“, während ich gleichzeitig „versuchte, langsam das neue Labor aufzubauen“, sagte sie.

Heute, Seimon ist Direktor des WCS Molecular Diagnostics Laboratory im Bronx Zoo. Sie hat Pionierarbeit bei der Verwendung von DNA-basierten Technologien zur Erkennung und Überwachung von Arten in freier Wildbahn geleistet, insbesondere in schwierigen Umgebungen. Ihre Biodiversitätsforschung führte sie nach Peru, Myanmar, Vietnam, Kambodscha, Russland, Uganda und Ruanda.

Seimon ist sogar auf den Mount Everest gestiegen und leitet das Team, das die erste umfassende Umwelt-DNA (eDNA) erstellt hat. Biodiversitätserhebung Dort. Diese Forschung war Teil der 2019 National Geographic und Rolex Ewiger Planet Everest-Expedition, die umfassendste wissenschaftliche Expedition, die jemals auf diesem Berg durchgeführt wurde.

Bevor Seimons Feldforschung sie zum Mount Everest führte, reiste sie viele Male in die peruanischen Anden. Ihr Fokus liegt auf der Sibinacocha-Wasserscheide der vergletscherten Bergkette Cordillera Vilcanota. Seit fast 20 Jahren leitet sie eine Initiative, die die Auswirkungen des Klimawandels und des Chytrid-Pilzes untersucht (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) auf die in diesem Lebensraum lebenden Amphibien.

Wie viel sprach mit Seimon per Videokonferenz über ihre weltweiten Forschungsreisen. Das Interview wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit gekürzt und bearbeitet.

Erzählen Sie mir von Ihrem Labor im Bronx Zoo.

Unser Labor ist klein. Die meisten der täglichen Diagnostiken, die wir durchführen, sind Tests auf Krankheitserreger an den Tieren in unserer Sammlung in den vier Zoos von WCS und im New York Aquarium. Wir haben auch Forschungsprojekte, in denen wir helfen, molekulare Werkzeuge für die Konservierung zu entwickeln, die Art von Werkzeugen zum Studium der DNA, die Sie buchstäblich in einen Rucksack werfen und mit ins Feld nehmen können. Beispielsweise haben wir tragbare Hundestaupe-Virustests und eDNA-Tests für gefährdete Arten entwickelt. Und wir schulen Feldforscher in vielen der Länder, in denen wir daran arbeiten, wie man diese tragbaren DNA-Tests durchführt.

Wie sind Sie zur eDNA-Forschung gekommen?

Bereits 2015 fragten unsere Kollegen, ob wir die Technologie für Tests auf eine seltene, bedrohte Art anwenden könnten: die Jangtse-Riesenweichschildkröte (Rafetus swinhoei). Wir verbrachten viel Zeit damit, zu unseren Teichen im Bronx Zoo zu gehen, Wasser zu sammeln, zu testen, um zu sehen, welche Arten dort drin waren, und zu sehen, ob wir überhaupt eDNA-Tests durchführen könnten.

Als ich anfing, kam es mir fast wie Science-Fiction vor. "Wirklich? Wir können so viele Arten nur aus dem Wasser erkennen?“

Wie kamen Sie dazu, eDNA auf dem Mount Everest für die Perpetual Planet-Expedition zu studieren?

Paul Mayewski, ein hoch angesehener Klimaforscher und Glaziologe an der University of Maine, organisierte eine wissenschaftliche Expedition zum Mount Everest und lud mich ein. Er fragte mich: „Warum stellst du nicht ein paar Ideen zusammen, was du dort gerne machen würdest?“ Mein Gedanke war: „Wenn wir herausfinden wollen, was das Leben in der höchsten Höhe ist, können wir dann eDNA verwenden, um die Biodiversität des Mount Everest zu bewerten?“

Niemand wusste zu diesem Zeitpunkt viel über die Biodiversität, weil es sehr schwierig ist, in diesen Höhenlagen zu arbeiten. Die Luft ist dünn. Sie werden sehr schnell müde. Wenn Stürme aufziehen, müssen Sie wegen der vollständigen Whiteout-Bedingungen manchmal per GPS zum Zelt zurückkehren.

Ich war daran interessiert zu sehen, ob eDNA ein viel einfacherer Weg sein könnte. Wir könnten Wasserproben sammeln, sie vor Ort filtern, diese Filter mit der eingefangenen DNA zurück ins Labor bringen und dann einfach DNA verwenden, um zu beurteilen, was dort ist.

Sie sind also zum Everest gegangen und haben auf diese Weise Proben gesammelt. Wie haben Sie später diese DNA-Proben analysiert?

Wir haben die Daten mithilfe von zwei verschiedenen Techniken aufgeschlüsselt, der Shotgun-Sequenzierung des gesamten Genoms und der Metabarcoding. Dann haben wir vier verschiedene Bioinformatik-Pipelines verwendet, um die Daten zu analysieren und festzustellen, welche Organismen wir entdeckt hatten.

Jetzt, wo wir es am Everest geschafft haben, würde ich gerne zurückgehen und es in Peru machen.

Was waren Ihre wichtigsten Erkenntnisse in Bezug auf die eDNA, die Sie am Mount Everest gesammelt haben?

Dort oben gibt es eine unglaubliche Artenvielfalt. Wir konnten 187 taxonomische Ordnungen aus dem gesamten Baum des Lebens finden: Viren, Bakterien, Pilze, Pflanzen und Tiere. Fast ein Sechstel aller bekannten taxonomischen Ordnungen konnte auf diesem einen Berg über 4,500 Metern gefunden werden. Gelände in dieser Höhe und darüber macht nur 3 % der globalen Landmasse aus.

Wenn immer mehr Menschen DNA-Daten sammeln, werden wir hoffentlich in der Lage sein, die Sequenzen erneut zu analysieren und die Identifizierungen mehr auf die Ebene von Gattung und Art zu bringen. Mit einigen der Daten konnten wir das bereits machen, was großartig war. Zum Beispiel fanden wir anhand von DNA in Kotproben den ersten Beweis dafür, dass Pallas' Katze (Otocolobus manul), eine seltene Wildkatzenart, lebt im Osten Nepals. Das war aufregend. Aber derzeit gibt es nur sehr wenige Referenzsequenzen vom Everest, mit denen Daten verglichen werden können, und das ist es, was Sie brauchen, um etwas zu identifizieren.

Gab es andere Einschränkungen der Studie?

Sicher. Unsere Studie ist nur eine Momentaufnahme der Vielfalt während mehrerer Wochen im April und Mai 2019. Wir waren auf dieses Zeitfenster beschränkt, weil die Expedition, an der wir teilnahmen, Projekte umfasste, die an die Klettersaison gebunden waren und wann die Sherpas die aufstellen konnten Seile zum sicheren Hoch- und Zurückbewegen von Personen.

Unsere Probenahme war auch begrenzt, weil das Frühjahrstauwetter in diesem Jahr sehr spät kam. Aufgrund von Satellitenbildern der vergangenen Jahre hatten wir erwartet, dass die Seen am Mount Everest bei unserer Ankunft vollständig aufgetaut sein würden, aber einige von ihnen waren noch zugefroren. Wir mussten in das Eis hacken, um das Wasser darunter zu entnehmen.

Wenn wir die Sammlung um ein paar Monate verschoben hätten, hätten wir noch mehr DNA sammeln können und wäre die Biodiversität noch größer? Vielleicht, aber wir hatten nicht den Luxus zu warten. Dennoch ist die Menge an Daten, die wir in dieser Zeit dort herausgezogen haben, erstaunlich.

Es wäre erstaunlich, zu sehen, wie sich die Umwelt im Laufe eines Jahres saisonal verändert, und dann alle fünf Jahre zurückzugehen, um zu sehen, wie sich das im Laufe der Zeit verändert. Einige der von uns identifizierten Organismen dienen als Indikatorarten für den Klimawandel und andere Umweltbelastungen.

Warum ist es wichtig, Bioassays an Orten wie dem Himalaya durchzuführen? Diese extremen Umgebungen sind ein relativ kleiner Teil der Welt. Warum reicht es nicht aus, nur eDNA von zugänglicheren Orten zu sammeln?

Wir hatten zwei Ziele vor Augen, da hoch zu gehen. Zunächst wollten wir Fragen beantworten wie: Was ist das höchstgelegene Leben? Welche Arten leben dort oben? Welche Organismen können das tolerieren, was wir extreme Umgebungen nennen?

Das ist schon aus biologischer Sicht wichtig zu wissen. Einige der Organismen, die wir dort oben gefunden haben, sind zum Beispiel Bärtierchen und Rädertierchen. Diese Organismen können so ziemlich überall leben, auch in sehr rauen und extremen Umgebungen. Bärtierchen können sogar das Vakuum des Weltraums überleben.

Zweitens sind Hochgebirgsumgebungen Orte, an denen Sie nach Veränderungen suchen können, die viel schneller ablaufen als weiter unten. Typischerweise können kleine Störungen der extremen Umgebungen dort oben große Veränderungen in den Bereichen oder Territorien erzwingen, die diese Organismen besetzen können. Wir wollten die Folgen dieser Änderungen verstehen.

Ein großartiges Beispiel ist das, was wir in den Bergen der Cordillera Vilcanota im Süden Perus in der Nähe des Sibinacocha-Sees gelernt haben. Durch Studien über ein paar Jahrzehnte haben wir herausgefunden, dass Amphibien ihr Verbreitungsgebiet nach oben in Gebiete ausgeweitet haben, die kürzlich deglaciated wurden. Hinter den zurückweichenden Gletschern haben sich neue Tümpel gebildet. Das hat neue Lebensräume erschlossen, in die die Art nach oben wandern und sie besetzen kann.

Aber es sind nicht nur die Amphibien. Wir sehen auch, wie sich Insekten, Pflanzen und andere Organismen in diese Teichbereiche bewegen. In Berggebieten wächst die gesamte Biosphäre als Reaktion auf den Klimawandel, wie wir in den peruanischen Anden dokumentiert haben.

Es stellt sich auch die Frage: Können wir messen, wie schnell diese hohen Änderungsraten auftreten? Wir stellen fest, dass sich Amphibien je nach Verfügbarkeit des Lebensraums viel bewegen. Wenn sich ein Teich bildet, ziehen sie hinein, aber irgendwann wird er nicht mehr vom Gletscher gespeist. Als es austrocknet, ziehen die Amphibien zum nächsten Teich. Es ist ein sehr dynamisches, sich schnell veränderndes Umfeld.

Die Everest-Studie ist eine großartige Möglichkeit, Basisdaten zur Dokumentation dieser Veränderungen zu erstellen. Da die Arten dort oben in rauen Umgebungen leben, neigen sie eher dazu, ihr Verhalten zu ändern.

Ist eDNA ein ebenso nützliches Werkzeug in weniger extremen Umgebungen?

Ich halte eDNA nie für das primäre Werkzeug. eDNA sollte in Kombination mit anderen Arten der Biodiversitätsüberwachung verwendet werden. Dann können wir die eDNA-Daten ganzheitlicher und im Kontext betrachten.

Zum Beispiel habe ich Kotproben gesammelt und wir haben visuelle Begegnungserhebungen durchgeführt, als wir auf dem Mount Everest waren. Wir haben Schneeleopardenspuren im frisch gefallenen Schnee dort oben gefunden, aber wir haben Schneeleoparden nicht in unserer eDNA-Probe gefunden. Das haben wir vermisst.

Die Sache mit eDNA ist, dass, obwohl sie unglaublich informativ über viele Dinge in einer Umgebung sein kann, Sie nicht ausschließen können, was nicht in Ihren Daten ist. Weil Sie immer durch die Empfindlichkeit Ihrer Erkennung begrenzt sind.

Nehmen wir an, wir nehmen 20 Wasserproben aus einem See, und nur eine Probe ist positiv für Schildkröten. Wenn wir nur 10 Proben genommen hätten, hätten wir vielleicht die Schildkröten darin übersehen. Bei eDNA müssen Ihre Interpretationen der Daten also immer auf der Sampling-Strategie basieren. Wenn Sie eDNA für etwas wie Biomonitoring auf Veränderungen im Laufe der Zeit anwenden, ist es gut, zuerst die Ökologie Ihres Systems zu kennen und dann alle Vorbehalte zu berücksichtigen.

Was sind einige dieser Vorbehalte?

Nur weil Sie DNA entdecken, bedeutet das nicht unbedingt, dass Sie sie von einem lebenden Organismus sammeln. Es könnte von einem toten Organismus stammen, der eDNA abgibt. Wenn Sie den Grund eines Gewässers aufwühlen, rühren Sie vielleicht alte DNA auf. Sie müssen wirklich über die Fragen nachdenken, die Sie beantworten möchten, und ob eDNA diese beantworten wird.

Sie müssen auch bedenken, wie schnell sich eDNA in Abhängigkeit von der Temperatur oder den Bedingungen des ultravioletten Lichts abbaut. So viele Dinge können die Halbwertszeit Ihrer eDNA verkürzen, und Sie müssen sie alle berücksichtigen, wenn Sie eine Studie entwerfen. Es kann ziemlich kompliziert sein.

Zusätzlich zu Ihren Biodiversitätsstudien verwenden Sie eDNA auch zur Identifizierung von Arten im Wildtierhandel.

Ja. Eines unserer Projekte war die Entwicklung eines DNA-Tests, der alle im illegalen Knochenhandel gehandelten Großkatzenarten identifizieren kann. Alle Teile des Tigers werden im Wildtierhandel verwertet. Wir wollten einen Test entwickeln, der eine bessere Vorabkontrolle an Beschlagnahmungs- oder Einreisestellen in Länder ermöglicht. Ein Werkzeug, das sehr einfach zu bedienen wäre, so dass Sie ein tragbares Labor einrichten und nach Knochen suchen könnten, die durch das Gepäck oder die Pakete von Personen gelangen könnten. Etwas, das schnell erkennen könnte, ob eine Probe von einer Großkatzenart stammt, und daher reguliert werden könnte, damit sie dann zu bestätigenden forensischen Tests geschickt werden könnte.

Eine Pilotversion wird in China und hier in den USA getestet. Die Idee ist, sie als Screening-Tool zu verwenden, das den Strafverfolgungsbehörden helfen kann, gegen den illegalen Handel vorzugehen.

Sie haben in Peru eine langfristige Überwachungsinitiative geleitet, die sich auf den Amphibien-Chytrid-Pilz konzentriert, der als Vernichter vieler Amphibienpopulationen auf der ganzen Welt gilt. Wie wirkt sich dieser Pilz auf Amphibien aus?

Der Pilz greift die Haut gefährdeter Arten an. Ein infizierter Frosch entwickelt dann eine Hyperkeratose, eine Verdickung der Keratinschicht der Haut, die die Aufnahme von Wasser und Sauerstoff verhindert. So geraten seine Elektrolyte in ein gefährliches Ungleichgewicht und es blättert von der Haut ab. Die Frösche geraten schließlich in einen Herzstillstand.

Es kann für bestimmte Arten verheerend sein, aber andere scheinen viel widerstandsfähiger zu sein. Es gibt viele komplexe Fragen zur Pathogenität verschiedener Pilzstämme. Es ist ein großes Feld.

Wir haben untersucht, welche Frösche von Chytrid-Pilz infiziert werden und wie sie sich währenddessen auch an die Auswirkungen des wärmenden Klimas anpassen.

Was hast du gefunden?

Wir konnten zeigen, dass die Frösche, wenn sie nach oben vordringen und ihre Reichweite erweitern, den Pilz mit sich bringen. Einige der Frösche, die wir nahe der Passhöhe in 5,300 Metern Höhe gefunden haben, waren Chytrid-positiv. Wenn wir Forscher ins Feld gehen, treffen wir viele Vorsichtsmaßnahmen, um unsere Stiefel mit Alkohol zu besprühen, damit wir den Pilz nicht verbreiten.

In den Anden sahen wir das Verschwinden einer Art, des marmorierten Wasserfrosches, Telmatobius marmoratus. Nach 2005 brach die Bevölkerung zusammen. Wir konnten sie in keinem der Standorte finden, die wir jahrelang abgetastet haben. Aber 2013 schienen sie zurückzukommen. Sie werden widerstandsfähiger gegen den Pilz. Es besteht die Hoffnung, dass sie ziemlich gut abschneiden werden, während sie sich weiter an die sich schnell verändernde Umgebung dort oben anpassen.

Haben Sie einen Lieblingsort für Feldforschung?

Mein Favorit wird immer der Sibinacocha-See in Peru sein. Sie haben Flamingos, die über Gletscher fliegen, und Andenkolibris, die um Sie herum flattern. Frösche und Vikunja. Es ist einfach unglaublich schön und unglaublich artenreich für eine so hochgebirgige Umgebung.

Wie haben Sie zwei neue Vogelspinnenarten entdeckt?

Es ist überraschend, ich weiß, weil ich arachnophob bin!

Als wir in Peru auf der Suche nach Fröschen über Felsen blätterten, entdeckte ich einen kleinen flauschigen Hintern, der aus einem Loch ragte. Ich sah zu Bronwen Konecky, ein damaliger Student und Mitarbeiter, mit dem ich zusammengearbeitet habe, und sagte: „Kannst du das verstehen?“ Sie tat.

Wir machten viele Fotos und zeigten sie einem erfahrenen Vogelspinnen-Taxonomen, der sagte: „Sieht so aus, als hätten Sie eine neue Art. Kannst du irgendwie ein paar Männchen und Weibchen sammeln?«

Was passiert als nächstes?

Ich musste zurück. Damals war es nur ich mit einer langen Zange, die in die Löcher griff. Ich würde versuchen, die Vogelspinnen sehr vorsichtig herauszufischen und bin vor Adrenalinüberladung fast ohnmächtig geworden.

Die größeren Exemplare half unser Pferdeteam beim Sammeln. Wir haben die neuen Exemplare in Lima deponiert und gebeten, sie zur taxonomischen Bewertung einzusenden. Etwa 10 Jahre später wurden sie schließlich analysiert und die Ergebnisse veröffentlicht. Manchmal dauert es lange, aber die Wissenschaft kommt heraus.

Wo wollen Sie als nächstes forschen? Irgendwelche Traumorte?

Ich würde gerne mehr im Himalaya arbeiten. Ich liebe einfach Hochgebirgsumgebungen. Setzen Sie mich in eins und ich bin glücklich. Ich liebe es, von Stein zu Stein zu springen, Dinge umzudrehen und nach Lebewesen zu suchen. Am liebsten drehe ich Steine ​​um und schaue, was darunter ist.

In Ihrer Freizeit haben Sie schwere Stürme fotografiert und studiert. Erzählen Sie uns davon.

Das ist mein Hobby. Mein Ehemann, Anton Seimon, ist der wissenschaftliche Leiter eines Tornado-Forschungsteams. Er ist seit drei Jahrzehnten in der Tornado-Forschung involviert, und ich jage mit ihm, seit wir uns kennengelernt haben, also seit 20 Jahren.

Jedes Jahr zwischen Mai und Juni packen wir unseren Van und unseren Jagdhund Chase und fahren hinaus auf die Great Plains, um schweren Stürmen zu folgen. Wir zielen im Allgemeinen auf Stürme in Gebieten ab, in denen es wahrscheinlich nur sehr wenig Zerstörung geben wird, wo wir einen ununterbrochenen Blick auf diese Stürme haben können. Aber selbst wenn wir keine Stürme sehen, fotografiere ich gerne Wildtiere und Wildblumen. In die Natur einzutauchen, wie wenn ich aufs Feld gehe, ist meine Lieblingsbeschäftigung.