Ta jälgib rasketes kohtades peituvate tabamatute liikide DNA-d

Tracie Seimon avastas oma kire loodusmaailma vastu varakult. Colorados üles kasvades nautis ta oma pere tagaaiast putukate kogumist ja hobisipelgafarmi pidamist. Kui ta nägi televisioonis puude mahavõtmist, läks ta segadusse. Ta ja ta isa uurisid öist taevast läbi teleskoobi, kuni uudishimu sundis teda teleskoobi lahti võtma, et aru saada, kuidas see töötab. Ta ei saanud seda kunagi tagasi. Kui vanemad talle hiljem mikroskoobi kinkisid, kästi tal see puutumata jätta.

"Ma vaatasin kõike selle all," ütles ta.

2007. aastal, kui Seimon oli Columbia ülikooli noorem õppejõud ja valis karjääri, tundis ta, et teda tõmmatakse kahes vastandlikus suunas. Ta oleks võinud vastu võtta pakkumise ametikohale, et jätkata südame-veresoonkonna haiguste alast meditsiinilist uurimistööd. Kuid selle asemel võttis ta osalise tööajaga töö, et aidata välja töötada Wildlife Conservation Society (WCS) molekulaarlaborit. See muutus lõpuks ainulaadseks pakkumiseks aidata avada uus labor Bronxi loomaaias WCS-i ja Columbia ülikooli nakkus- ja immuunsuskeskuse ühise teadurina. Ta ütles, et "koolitasin patogeenide avastamist" ja "püüdsin aeglaselt üles ehitada" uut laborit.

Täna Seimon on Bronxi loomaaias asuva WCS-i molekulaardiagnostika labori direktor. Ta on olnud teerajajaks DNA-põhiste tehnoloogiate kasutamisel looduses liikide tuvastamiseks ja jälgimiseks, eriti keerulistes keskkondades. Tema bioloogilise mitmekesisuse uurimine on viinud ta Peruusse, Myanmari, Vietnami, Kambodžasse, Venemaale, Ugandasse ja Rwandasse.

Seimon on tõusnud isegi Mount Everestile, juhtides meeskonda, kes tegi esimese tervikliku keskkonna DNA (eDNA) bioloogilise mitmekesisuse uuring seal. See uuring oli osa 2019 National Geographic ja Rolex Perpetual Planet Everesti ekspeditsioon, kõige põhjalikum teadusekspeditsioon, mis sellel mäel eales läbi viidud.

Enne, kui Seimoni välitööd ta Mount Everestile viisid, rändas ta mitu korda Peruu Andidele. Tema fookuses on Cordillera Vilcanota liustikulise mäeaheliku Sibinacocha vesikond. Peaaegu 20 aastat on ta juhtinud algatust, mis uurib kliimamuutuste ja kütriidseene mõju.Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) selles elupaigas elavate kahepaiksete kohta.

Quanta rääkis Seimoniga videokonverentsil tema ülemaailmsetest uurimisretkedest. Intervjuu on koondatud ja selguse huvides toimetatud.

Rääkige mulle oma laborist Bronxi loomaaias.

Meie labor on väike. Suurem osa meie igapäevasest diagnostikast on patogeenide testid meie kollektsioonis olevatel loomadel WCS-i neljas loomaaias ja New Yorgi akvaariumis. Meil on ka uurimisprojekte, mille raames aitame välja töötada molekulaarseid konserveerimistööriistu – DNA uurimiseks mõeldud tööriistu, mille saate sõna otseses mõttes seljakotti visata ja põllule kaasa võtta. Näiteks oleme välja töötanud kaasaskantava koerte katku viiruse testimise ja eDNA testimise ohustatud liikide jaoks. Ja me koolitame väliteadlasi paljudes riikides, kus me töötame selle kaasaskantava DNA testimise kallal.

Kuidas sattusite eDNA uurimistöösse?

2015. aastal küsisid meie kolleegid, kas saaksime seda tehnoloogiat rakendada haruldase ohustatud liigi testimiseks: Jangtse hiiglaslik pehmekilpkonn (Rafetus swinhoei). Veetsime palju aega oma Bronxi loomaaia tiikides käies, vett kogudes, katsetades, millised liigid seal on, ja uurides, kas saaksime üldse eDNA testida.

Kui ma esimest korda alustasin, tundus see peaaegu ulme. „Kas tõesti? Kas me suudame neid liike tuvastada ainult veest?

Kuidas sattusite eDNA uurimisse Mount Everestil Perpetual Planeti ekspeditsiooni jaoks?

Paul MayewskiMaine'i ülikooli kõrgelt hinnatud kliima-uurija ja glatsioloog koostas teadusekspeditsiooni Mount Everestile ja ta kutsus mind. Ta küsis minult: "Miks sa ei pane kokku ideid, mida sa seal teha tahaksid?" Minu mõte oli: "Kui tahame välja selgitada, mis on elu kõige kõrgemal, kas saame kasutada eDNA-d Mount Everesti bioloogilise mitmekesisuse hindamiseks?"

Keegi ei teadnud sel hetkel bioloogilisest mitmekesisusest palju, sest neil kõrgetel kõrgustel on väga raske töötada. Õhk on hõre. Sa väsid väga kiiresti. Kui tormid peale puhuvad, peate mõnikord täieliku valgendamise tõttu GPS-i telgi juurde tagasi saatma.

Mind huvitas, kas eDNA võiks olla palju lihtsam viis. Võiksime koguda veeproove, filtreerida need kohapeal, tuua need filtrid koos püütud DNA-ga tagasi laborisse ja seejärel kasutada DNA-d, et hinnata, mis seal on.

Nii et sa läksid Everesti ja kogusid sel teel proove. Kuidas te hiljem neid DNA proove analüüsisite?

Jaotasime andmed kahe erineva tehnika abil, kogu genoomi haavli järjestuse ja metabarkodeerimise abil. Seejärel kasutasime nelja erinevat bioinformaatika torustikku, et analüüsida andmeid ja teha kindlaks, millised organismid tuvastasime.

Nüüd, kui oleme seda Everestil teinud, tahaksin hea meelega tagasi minna ja teha seda Peruus.

Millised olid teie peamised ülevaated Mount Everestilt kogutud eDNA-st?

Seal on uskumatult palju bioloogilist mitmekesisust. Meil õnnestus leida 187 taksonoomilist järjestust kogu elupuust: viirused, bakterid, seened, taimed ja loomad. Sellel ühel üle 4,500 meetri kõrgusel mäel võis leida peaaegu kuuendiku kõigist teadaolevatest taksonoomilistest kordadest. Sellel ja kõrgemal kõrgusel asuv maastik moodustab ainult 3% maailma maismaast.

Loodetavasti suudame DNA-andmeid kogudes üha rohkem inimesi järjestusi uuesti analüüsida ja identifitseerida perekonna ja liigi tasemele. Osa andmetest saime seda juba teha, mis oli suurepärane. Näiteks leidsime scat proovide DNA-st esimesed tõendid selle kohta, et Pallase kass (Otocolobus manul), haruldane looduslike kasside liik, elab Nepali idaosas. See oli põnev. Kuid praegu on Everestist väga vähe võrdlusjärjestusi, millega andmeid võrrelda, ja see on see, mida peate millegi tuvastamiseks.

Kas uuringul oli muid piiranguid?

Muidugi. Meie uuring on vaid üks ülevaade mitmekesisusest mitme nädala jooksul 2019. aasta aprillis ja mais. Piirdusime selle aknaga, sest ekspeditsioon, mille osaliseks me olime, hõlmas projekte, mis olid seotud ronimishooajaga ja millal šerpad said üles panna köied inimeste ohutuks püsti ja tagasi toomiseks.

Meie proovide võtmine oli samuti piiratud, sest kevadine sula saabus sel aastal väga hilja. Eelnevate aastate satelliidipiltide põhjal eeldasime, et Mount Everesti järved on sinna jõudes täielikult sulanud, kuid mitmed neist olid siiski jääs. Pidime jäässe häkkima, et selle alt vett proovida.

Kui oleksime kogumist paari kuu võrra nihutanud, kas oleksime saanud koguda veelgi rohkem DNA-d ja kas bioloogiline mitmekesisus oleks veelgi suurem? Võib-olla, aga meil ei olnud luksust oodata. Sellegipoolest on andmete hulk, mille me selle ajaga sealt välja tõmbasime, hämmastav.

Oleks hämmastav vaadata, kuidas keskkond aastaringselt hooajaliselt muutub, ja siis iga viie aasta tagant tagasi minna, et näha, kuidas see aja jooksul muutub. Mõned meie tuvastatud organismid toimivad kliimamuutuste ja muude keskkonnastresside indikaatorliikidena.

Miks on oluline teha bioteste sellistes kohtades nagu Himaalaja? Need ekstreemsed keskkonnad moodustavad suhteliselt väikese osa maailmast. Miks ei piisa lihtsalt eDNA kogumisest ligipääsetavamatest kohtadest?

Sinna üles minnes oli meil kaks eesmärki. Esiteks tahtsime vastata küsimustele nagu: mis on elu kõige kõrgemal? Mis liigid seal elavad? Millised organismid taluvad äärmuslikke keskkondi?

Seda on oluline teada ainult bioloogilisest vaatenurgast. Näiteks mõned organismid, mille me sealt ülevalt leidsime, on tardigrade ja rotifers. Need organismid võivad elada peaaegu kõikjal, sealhulgas väga karmis ja ekstreemses keskkonnas. Tardigradid suudavad isegi ruumivaakumis ellu jääda.

Teiseks on kõrgmäestikukeskkonnad kohad, kus saate otsida muutusi, mis toimuvad palju kiiremini kui madalamal. Tavaliselt võivad äärmuslike keskkondade väikesed häired seal sundida suuri muutusi nende organismide levialadel või territooriumidel. Tahtsime mõista nende muudatuste tagajärgi.

Suurepärane näide on see, mida oleme õppinud Cordillera Vilcanota mägedes Lõuna-Peruus Sibinacocha järve lähedal. Paari aastakümne kestnud uuringute käigus avastasime, et kahepaiksed on laiendanud oma leviala ülespoole, kuni maastik on hiljuti tuhmunud. Taanduvate liustike taha on tekkinud uued tiigid. See on avanud uusi elupaiku, kuhu liigid võivad üles rännata ja hõivata.

Kuid see pole ainult kahepaiksed. Näeme ka putukaid, taimi ja muid organisme liikumas nendesse tiigipiirkondadesse. Mägipiirkondades tõuseb kogu biosfäär vastusena kliimamuutustele, nagu oleme dokumenteerinud Peruu Andides.

Samuti tekib küsimus: kas me saame mõõta, kui kiiresti need rikkalikud muutused toimuvad? Leiame, et kahepaiksed liiguvad elupaikade olemasolu alusel palju. Kui moodustub tiik, kolivad nad sinna sisse, kuid lõpuks ei toida seda enam liustik. Kuivamisel liiguvad kahepaiksed järgmisse tiiki. See on väga dünaamiline, kiiresti muutuv keskkond.

Everesti uuring on suurepärane viis nende muutuste dokumenteerimiseks lähteandmete kogumiseks. Kuna sealsed liigid elavad karmides keskkondades, on nad altid oma käitumist muutma.

Kas eDNA on kasulik tööriist vähem ekstreemsetes keskkondades?

Ma ei arva kunagi, et eDNA on peamine tööriist. eDNA-d tuleks kasutada koos muude bioloogilise mitmekesisuse seire viisidega. Siis saame vaadata eDNA andmeid terviklikumalt ja kontekstis.

Näiteks kogusin proove ja tegime Mount Everestil viibides visuaalseid kokkupuuteuuringuid. Leidsime sealt ülevalt värskelt sadanud lumest lumeleopardi jäljed, kuid meie eDNA proovi lumeleopardi ei leitud. See oli midagi, millest me puudust tundsime.

eDNA-ga on see, et kuigi see võib olla uskumatult informatiivne paljude keskkonnas leiduvate asjade kohta, ei saa te välistada seda, mida teie andmetes ei ole. Sest teid piirab alati tuvastamise tundlikkus.

Oletame, et võtame järvest 20 veeproovi ja ainult üks proov on kilpkonna jaoks positiivne. Kui oleksime võtnud ainult 10 proovi, oleksime võinud seal olevatest kilpkonnadest ilma jääda. Nii et eDNA puhul peavad teie andmete tõlgendused alati põhinema proovivõtustrateegial. Kui rakendate eDNA-d näiteks bioseire jaoks aja jooksul toimuvate muutuste tuvastamiseks, on hea kõigepealt teada oma süsteemi ökoloogiat ja seejärel pidada meeles kõiki hoiatusi.

Millised on mõned neist hoiatustest?

See, et avastate DNA, ei tähenda tingimata, et kogute seda elusorganismist. See võib olla surnud organismist, mis eraldab eDNA-d. Kui segate veekogu põhja, võib-olla segate iidset DNA-d. Peate tõesti mõtlema küsimustele, millele soovite vastata, ja sellele, kas eDNA vastab neile.

Samuti peate meeles pidama, kui kiiresti eDNA laguneb sõltuvalt temperatuurist või ultraviolettvalguse tingimustest. Nii paljud asjad võivad teie eDNA poolestusaega lühendada ja uuringu kavandamisel peate neid kõiki arvesse võtma. See võib olla päris keeruline.

Lisaks bioloogilise mitmekesisuse uuringutele kasutate ka eDNA-d metsloomakaubanduses olevate liikide tuvastamiseks.

Jah. Üks meie projektidest oli DNA-testi väljatöötamine, mis tuvastaks kõik ebaseadusliku luukaubandusega kaubitsetud suured kassi liigid. Kõiki tiigri osi kasutatakse metsloomade kaubanduses. Tahtsime välja töötada testi, mis võimaldaks paremat eelkontrolli konfiskeerimis- või riikide sisenemispunktides. Tööriist, mida oleks väga lihtne kasutada, et saaksite luua kaasaskantava labori ja ekraani luude jaoks, mis võivad inimeste pagasi või pakkide kaudu sisse tulla. Midagi, mis võimaldab kiiresti näha, kas proov on pärit suurest kassi liigist, ja seetõttu võidakse seda reguleerida, et seejärel saata see kinnitavasse kohtuekspertiisi.

Pilootversiooni katsetatakse Hiinas ja siin USA-s. Idee on kasutada seda sõelumisvahendina, mis võib aidata õiguskaitseorganitel ebaseaduslikku kaubandust maha suruda.

Juhtisite Peruus pikaajalist seirealgatust, mis keskendub kahepaiksete kütriidseenele, mis hävitab palju kahepaiksete populatsioone kogu maailmas. Kuidas see seen kahepaikseid mõjutab?

Seen ründab haavatavate liikide nahka. Seejärel tekib nakatunud konnal hüperkeratoos, naha keratiinkihi paksenemine, mis takistab vee ja hapniku imendumist. Seega lähevad selle elektrolüüdid ohtlikult tasakaalustamata ja see libiseb nahalt maha. Konnadel tekib lõpuks südameseiskus.

See võib teatud liikide jaoks olla laastav, kuid teised tunduvad selle suhtes palju vastupidavamad. Erinevate seenetüvede patogeensuse kohta on palju keerulisi küsimusi. See on suur väli.

Oleme uurinud, millised konnad nakatavad kütriidi seenesse ja seejärel, kui nad sellega tegelevad, kuidas nad kohanevad ka soojeneva kliima mõjudega.

Mida sa leidsid?

Oleme suutnud näidata, et kui konnad liiguvad ülespoole ja laiendavad oma leviala, toovad nad seeni endaga kaasa. Mõned konnad, mille me kuru tipu lähedalt 5,300 meetri kõrguselt leidsime, on olnud kitriidpositiivsed. Kui meie, teadlased, põllule läheme, võtame palju ettevaatusabinõusid, et pritsida saapaid alkoholiga, et seeni ei levitaks.

Andides nägime ühe liigi kadumist, marmorist vesikonna, Telmatobius marmoratus. Pärast 2005. aastat elanikkond kukkus. Me ei leidnud neid üheltki saidilt, mida aastaid proovisime. Kuid 2013. aastaks näis, et nad tulevad tagasi. Nad muutuvad seente suhtes vastupidavamaks. On lootust, et neil läheb päris hästi, kui nad jätkavad kohanemist sealse kiiresti muutuva keskkonnaga.

Kas teil on välitööde tegemiseks lemmikkoht?

Minu lemmik on alati Peruus Sibinacocha järv. Teil lendavad üle liustike flamingod ja teie ümber lehvivad Andide koolibrid. Konnad ja vikunja. See on lihtsalt hämmastavalt ilus ja uskumatult mitmekesine sellise kõrgmäestikukeskkonna jaoks.

Kuidas avastasite kaks uut tarantuliliiki?

See on üllatav, ma tean, sest ma olen arahnofoob!

Sel ajal, kui me Peruus konnasid otsides üle kivide lappasime, märkasin ühest august välja paistmas väikest udune pätt. vaatasin Bronwen Konecky, tollane üliõpilane ja kaastöötaja, kellega koos töötasin, ja ütles: "Kas saate sellest aru?" Ta tegi.

Tegime palju fotosid ja näitasime neid asjatundlikule tarantli taksonoomile, kes ütles: "Tundub, et teil võib olla uus liik. Kas saate kuidagi isas- ja emaslooma kokku koguda?"

Mis juhtus järgmine?

Ma pidin tagasi minema. Tol korral olin lihtsalt mina pika tangidega, sirutasin käed aukudesse. Prooviksin tarantleid väga ettevaatlikult välja õngitseda ja adrenaliini ülekoormusest peaaegu minestaks.

Suuremad isendid aitas koguda meie hobusemeeskond. Deponeerisime uued isendid Limasse ja taotlesime nende saatmist taksonoomiliseks hindamiseks. Umbes 10 aastat hiljem analüüsiti neid lõpuks ja tulemused avaldati. Mõnikord võtab see kaua aega, kuid teadus tuleb välja.

Kus loodad järgmisena uuringuid teha? Kas on unistuste asukohti?

Mulle meeldiks Himaalajas rohkem tööd teha. Ma lihtsalt armastan kõrgmäestikukeskkonda. Pange mind ühte ja ma olen õnnelik. Mulle meeldib hüpata kivilt kivile, asju ümber pöörata, olendeid otsida. Minu lemmiktegevus on kive ümber lükata ja vaadata, mis nende all on.

Vabal ajal olete ägedaid torme pildistanud ja uurinud. Räägi meile sellest.

See on minu hobi. Minu abikaasa, Anton Seimon, on tornaado uurimisrühma teaduslik juht. Ta on tornaadouuringutega tegelenud kolm aastakümmet ja ma olen temaga tormi taga ajanud alates meie kohtumisest, seega 20 aastat.

Igal aastal maist juunini pakime oma kaubiku ja hagijas Chase'i ning läheme välja Great Plainidele, et jälgida tugevaid torme. Tavaliselt sihime torme piirkondades, kus on tõenäoliselt väga vähe purustusi ja kust saame nendele tormidele katkematuid vaateid. Aga isegi kui me torme ei näe, on mul täiesti hea meel metsloomi ja metslilli pildistada. Loodusesse sukeldumine, nagu põllul käimine, on minu lemmiktegevus.