او DNA گونه های گریزان را که در مکان های خشن پنهان می شوند ردیابی می کند

تریسی سیمون اشتیاق خود به دنیای طبیعی را زود کشف کرد. به عنوان کودکی که در کلرادو بزرگ می‌شد، از «برداشت حشرات» از حیاط خلوت خانواده‌اش و نگهداری از مزرعه سرگرمی مورچه لذت می‌برد. وقتی از تلویزیون می دید که درختان را قطع می کنند، پریشان می شد. او و پدرش معمولاً آسمان شب را از طریق تلسکوپ مطالعه می کردند تا اینکه کنجکاوی او باعث شد که تلسکوپ را جدا کند تا بفهمد چگونه کار می کند. او هرگز نتوانست آن را دوباره جمع کند. وقتی بعداً والدینش یک میکروسکوپ را به او هدیه دادند، به او دستور دادند که آن را دست نخورده بگذارد.

او گفت: "من به همه چیز زیر آن نگاه کردم."

در سال 2007، زمانی که سیمون استاد دانشگاه کلمبیا بود و مسیر شغلی را انتخاب می‌کرد، احساس کرد که در دو جهت متضاد کشیده شده است. او می‌توانست برای ادامه تحقیقات پزشکی خود در مورد بیماری‌های قلبی عروقی، پیشنهادی را برای پست هیئت علمی بپذیرد. اما در عوض او یک کار نیمه وقت برای کمک به توسعه یک آزمایشگاه مولکولی برای انجمن حفاظت از حیات وحش (WCS) انتخاب کرد. این در نهایت به یک پیشنهاد منحصر به فرد برای کمک به راه اندازی یک آزمایشگاه جدید در باغ وحش برانکس به عنوان محقق مشترک WCS و مرکز عفونت و ایمنی دانشگاه کلمبیا تبدیل شد. او گفت: "من در حال آموزش کشف پاتوژن بودم" در حالی که "به آهستگی در تلاش برای ساختن" آزمایشگاه جدید بودم.

امروز، سیمون مدیر آزمایشگاه تشخیص مولکولی WCS مستقر در باغ وحش برانکس است. او پیشگام استفاده از فناوری های مبتنی بر DNA برای شناسایی و پایش گونه ها در طبیعت، به ویژه در محیط های چالش برانگیز است. تحقیقات او در زمینه تنوع زیستی او را به پرو، میانمار، ویتنام، کامبوج، روسیه، اوگاندا و رواندا برده است.

سیمون حتی به قله اورست صعود کرده است و تیمی را رهبری می کند که اولین DNA جامع محیطی (eDNA) را انجام داد. بررسی تنوع زیستی آنجا. این تحقیق بخشی از سال 2019 بود جغرافیای ملی و رولکس سفر اورست سیاره همیشگی، جامع ترین اکسپدیشن علمی که تاکنون در آن کوه انجام شده است.

قبل از اینکه کار میدانی سیمون او را به کوه اورست ببرد، او بارها به کوه‌های آند پرو سفر کرد. تمرکز او حوضه آبخیز Sibinacocha از رشته کوه یخچالی Cordillera Vilcanota است. برای نزدیک به 20 سال، او ابتکاری را برای بررسی اثرات تغییرات آب و هوا و قارچ کیترید رهبری کرده است.باتراکوشیتریوم دندروباتیدیس or Bd) روی دوزیستانی که در آن زیستگاه زندگی می کنند.

کوانتوم با سیمون در یک کنفرانس ویدئویی در مورد سفرهای تحقیقاتی جهانی خود صحبت کرد. مصاحبه برای وضوح فشرده و ویرایش شده است.

در مورد آزمایشگاه خود در باغ وحش برانکس به من بگویید.

آزمایشگاه ما کوچک است. بیشتر تشخیص‌های روزانه که انجام می‌دهیم، آزمایش‌هایی برای پاتوژن‌ها بر روی حیوانات موجود در مجموعه ما در چهار باغ‌وحش WCS و آکواریوم نیویورک است. ما همچنین پروژه های تحقیقاتی داریم که در آنها به توسعه ابزارهای مولکولی برای حفاظت کمک می کنیم، ابزارهایی برای مطالعه DNA که می توانید به معنای واقعی کلمه در یک کوله پشتی بیندازید و به میدان ببرید. به عنوان مثال، ما آزمایش ویروس دیستمپر سگ قابل حمل و آزمایش eDNA را برای گونه های در معرض خطر توسعه داده ایم. و ما محققان میدانی را در بسیاری از کشورهایی که در آنجا کار می کنیم، آموزش می دهیم که چگونه این آزمایش DNA قابل حمل را انجام دهند.

چگونه با تحقیقات eDNA درگیر شدید؟

در سال 2015، همکاران ما از ما پرسیدند که آیا می‌توانیم این فناوری را برای آزمایش یک گونه نادر و در معرض تهدید به کار ببریم: لاک‌پشت نرم غول پیکر یانگ تسه (رافتوس سوئینهوی). ما زمان زیادی را صرف رفتن به حوضچه‌های باغ وحش برونکس کردیم، آب جمع‌آوری کردیم، آزمایش کردیم تا ببینیم چه گونه‌هایی در آنجا هستند و ببینیم آیا اصلاً می‌توانیم آزمایش eDNA انجام دهیم.

وقتی برای اولین بار شروع کردم، تقریباً شبیه به یک داستان علمی تخیلی بود. "واقعا؟ ما می توانیم این تعداد گونه را فقط از آب تشخیص دهیم؟

چگونه با مطالعه eDNA در کوه اورست برای سفر سیاره همیشگی درگیر شدید؟

پل مایوسکییک محقق آب و هوا و یخدان شناس بسیار معتبر در دانشگاه مین، در حال تشکیل یک سفر علمی به کوه اورست بود و او از من دعوت کرد. او از من پرسید: «چرا ایده‌هایی درباره آنچه می‌خواهید در آنجا انجام دهید جمع نمی‌کنید؟» فکر من این بود: "اگر بخواهیم بفهمیم که زندگی در بالاترین ارتفاع چیست، آیا می توانیم از eDNA برای ارزیابی تنوع زیستی کوه اورست استفاده کنیم؟"

هیچ کس چیز زیادی در مورد تنوع زیستی در آن نقطه نمی دانست زیرا کار در آن ارتفاعات بسیار دشوار است. هوا رقیق است. خیلی زود خسته میشی وقتی طوفان می‌وزد، گاهی اوقات مجبور می‌شوید مسیر برگشت به چادر را GPS کنید زیرا شرایط کاملاً سفید است.

من علاقه مند بودم ببینم آیا eDNA می تواند راه بسیار آسان تری باشد. می‌توانیم نمونه‌های آب را جمع‌آوری کنیم، آن‌ها را در محل فیلتر کنیم، آن فیلترها را با DNA ضبط‌شده به آزمایشگاه برگردانیم، و سپس فقط از DNA برای ارزیابی آنچه در آنجا وجود دارد استفاده کنیم.

بنابراین شما به اورست رفتید و نمونه هایی را از این طریق جمع آوری کردید. بعداً، چگونه آن نمونه های DNA را آنالیز کردید؟

ما داده ها را با استفاده از دو تکنیک مختلف، توالی یابی تفنگ شاتگان کل ژنوم و کدگذاری متابرکد تجزیه کردیم. سپس از چهار خط لوله بیوانفورماتیک مختلف برای تجزیه و تحلیل داده‌ها و تعیین ارگانیسم‌هایی که شناسایی کرده‌ایم استفاده کردیم.

حالا که این کار را در اورست انجام دادیم، دوست دارم برگردم و آن را در پرو انجام دهم.

نکات کلیدی شما در مورد eDNA که در کوه اورست جمع آوری کردید چه بود؟

مقدار باورنکردنی تنوع زیستی در آنجا وجود دارد. ما توانستیم 187 مرتبه طبقه بندی را از سراسر درخت زندگی پیدا کنیم: ویروس ها، باکتری ها، قارچ ها، گیاهان و حیوانات. تقریباً یک ششم از کل طبقه بندی های شناخته شده را می توان در این یک کوه بالای 4,500 متر یافت. زمین در آن ارتفاع و بالاتر تنها 3 درصد از خشکی جهان را تشکیل می دهد.

امیدواریم با جمع‌آوری داده‌های DNA بیشتر، بتوانیم توالی‌ها را دوباره تحلیل کنیم و شناسایی‌ها را به سطح جنس و گونه برسانیم. برخی از داده‌هایی که قبلاً توانستیم این کار را انجام دهیم، که عالی بود. به عنوان مثال، از DNA در نمونه‌های اسکات، اولین شواهدی را یافتیم که گربه پالاس (اتوکلوبوس مانول)، گونه کمیاب گربه وحشی است که در شرق نپال زندگی می کند. این هیجان انگیز بود. اما در حال حاضر، توالی های مرجع بسیار کمی از اورست برای مقایسه داده ها وجود دارد، و این همان چیزی است که برای شناسایی چیزی نیاز دارید.

آیا محدودیت های دیگری برای مطالعه وجود داشت؟

مطمئن. مطالعه ما تنها یک تصویر لحظه ای از تنوع چند هفته ای در آوریل و می 2019 است. ما به آن پنجره محدود بودیم زیرا اکسپدیتی که ما بخشی از آن بودیم شامل پروژه هایی بود که به فصل کوه نوردی مرتبط بود و زمانی که شرپاها می توانستند راه اندازی کنند. طناب هایی برای برخاستن و بازگشت ایمن مردم

نمونه برداری ما نیز محدود بود زیرا در آن سال آب شدن بهاره خیلی دیر اتفاق افتاد. از تصاویر ماهواره‌ای در سال‌های گذشته، انتظار داشتیم که دریاچه‌های قله اورست با رسیدن به آنجا کاملاً آب شوند، اما تعدادی از آنها هنوز یخ زده بودند. مجبور شدیم یخ را هک کنیم تا از آب زیر آن نمونه برداری کنیم.

اگر مجموعه را چند ماه تغییر داده بودیم، آیا می‌توانستیم DNA بیشتری را جمع‌آوری کنیم و آیا تنوع زیستی از این هم بالاتر می‌رفت؟ شاید، اما ما این تجمل را نداشتیم که منتظر بمانیم. با این حال، حجم داده‌هایی که در آن زمان از آنجا استخراج کردیم، شگفت‌انگیز است.

شگفت‌انگیز است که ببینیم چگونه محیط به صورت فصلی در طول یک سال تغییر می‌کند، و سپس هر پنج سال یک بار به عقب برگردیم تا ببینیم که چگونه در طول زمان تغییر می‌کند. برخی از ارگانیسم هایی که ما شناسایی کردیم به عنوان گونه های شاخص تغییرات آب و هوا و سایر تنش های محیطی عمل می کنند.

چرا انجام آزمایش‌های زیستی در مکان‌هایی مانند هیمالیا مهم است؟ این محیط های شدید بخش نسبتا کوچکی از جهان هستند. چرا فقط جمع آوری eDNA از مکان های در دسترس تر کافی نیست؟

ما دو هدف برای صعود به آنجا در نظر داشتیم. ابتدا می‌خواهیم به سؤالاتی پاسخ دهیم: زندگی در بالاترین ارتفاع چیست؟ چه گونه هایی در آنجا زندگی می کنند؟ چه ارگانیسم هایی می توانند محیط های شدید را تحمل کنند؟

دانستن این موضوع فقط از منظر بیولوژیکی مهم است. به عنوان مثال، برخی از موجوداتی که ما در آنجا پیدا کردیم، تاردیگرادها و روتیفرها هستند. این موجودات می توانند تقریباً در همه جا زندگی کنند، از جمله محیط های بسیار خشن و شدید. تاردیگرادها حتی می توانند از خلاء فضا نیز جان سالم به در ببرند.

دوم، محیط‌های کوهستانی مکان‌هایی هستند که می‌توانید به دنبال تغییراتی باشید که با سرعت بسیار بیشتری نسبت به پایین‌تر رخ می‌دهند. به طور معمول، آشفتگی‌های کوچک محیط‌های شدید در آن بالا می‌تواند تغییرات بزرگی را در محدوده یا قلمروهایی که این موجودات می‌توانند اشغال کنند، ایجاد کند. ما می خواستیم پیامدهای آن تغییرات را درک کنیم.

یک مثال عالی چیزی است که ما در کوه های Cordillera Vilcanota در جنوب پرو در نزدیکی دریاچه Sibinacocha آموخته ایم. از طریق مطالعاتی که در طول چند دهه انجام شد، متوجه شدیم که دوزیستان دامنه خود را به سمت زمین‌هایی که اخیراً یخ زدایی شده‌اند گسترش داده‌اند. حوضچه های جدیدی در پشت یخچال های در حال عقب نشینی شکل گرفته اند. این باعث ایجاد زیستگاه های جدیدی می شود که گونه ها می توانند به سمت بالا مهاجرت کرده و در آنها اشغال شوند.

اما فقط دوزیستان نیستند. ما شاهد حرکت حشرات، گیاهان و سایر ارگانیسم‌ها به این مناطق حوض هستیم. در مناطق کوهستانی، کل بیوسفر در واکنش به تغییرات آب و هوایی در حال افزایش است، همانطور که ما در آند پرو ثبت کرده ایم.

این سوال نیز مطرح می شود: آیا می توانیم اندازه گیری کنیم که این نرخ های غنی تغییرات با چه سرعتی اتفاق می افتد؟ ما متوجه شدیم که دوزیستان بر اساس در دسترس بودن زیستگاه، بسیار جابجا می شوند. هنگامی که یک برکه تشکیل می شود، آنها به داخل آن حرکت می کنند، اما در نهایت دیگر از یخچال تغذیه نمی شود. با خشک شدن، دوزیستان به حوضچه بعدی می روند. این یک محیط بسیار پویا و به سرعت در حال تغییر است.

مطالعه اورست یک راه عالی برای ایجاد داده های پایه برای مستندسازی این تغییرات است. از آنجا که گونه های موجود در آنجا در محیط های خشن زندگی می کنند، بیشتر مستعد تغییر رفتار خود هستند.

آیا eDNA به عنوان ابزاری مفید در محیط های کمتر شدید است؟

من هرگز به eDNA به عنوان ابزار اولیه فکر نمی کنم. eDNA باید در ترکیب با روش های دیگر پایش تنوع زیستی استفاده شود. سپس می‌توانیم به داده‌های eDNA به صورت جامع‌تر و در چارچوب نگاه کنیم.

به عنوان مثال، من نمونه‌های اسکات را جمع‌آوری کردم و زمانی که در قله اورست بودیم، نظرسنجی‌های دیداری انجام دادیم. ما رد پلنگ برفی را در برف تازه در آنجا پیدا کردیم، اما در نمونه eDNA خود پلنگ برفی پیدا نکردیم. این چیزی بود که ما از دست دادیم.

نکته ای که در مورد eDNA وجود دارد این است که اگرچه می تواند در مورد بسیاری از چیزهایی که در یک محیط وجود دارد بسیار آموزنده باشد، شما نمی توانید آنچه را که در داده های شما وجود ندارد رد کنید. زیرا شما همیشه با حساسیت تشخیص خود محدود هستید.

فرض کنید 20 نمونه آب از یک دریاچه گرفته ایم و تنها یک نمونه برای لاک پشت مثبت است. اگر ما فقط 10 نمونه گرفته بودیم، ممکن بود لاک پشت های آنجا را از دست می دادیم. بنابراین با eDNA، تفاسیر شما از داده ها همیشه باید بر اساس استراتژی نمونه گیری باشد. هنگامی که از eDNA برای چیزی مانند نظارت زیستی برای تغییرات در طول زمان استفاده می کنید، خوب است ابتدا اکولوژی سیستم خود را بشناسید و سپس تمام هشدارها را در نظر داشته باشید.

برخی از آن اخطارها چیست؟

فقط به این دلیل که DNA را تشخیص می دهید لزوماً به این معنی نیست که آن را از یک موجود زنده جمع آوری می کنید. ممکن است از ارگانیسم مرده‌ای باشد که eDNA می‌ریزد. اگر ته یک بدنه آبی را به هم بزنید، شاید دارید DNA باستانی را به هم می ریزید. شما واقعاً باید در مورد سؤالاتی که می خواهید به آنها پاسخ دهید و اینکه آیا eDNA قرار است به آنها پاسخ دهد فکر کنید.

همچنین باید به خاطر داشته باشید که بسته به دما یا شرایط نور فرابنفش با چه سرعتی eDNA تجزیه می شود. خیلی چیزها می توانند نیمه عمر eDNA شما را کاهش دهند، و شما باید همه آنها را هنگام طراحی مطالعه در نظر بگیرید. می تواند بسیار پیچیده باشد.

علاوه بر مطالعات تنوع زیستی خود، شما همچنین از eDNA برای شناسایی گونه های موجود در تجارت حیات وحش استفاده می کنید.

آره. یکی از پروژه های ما ایجاد یک آزمایش DNA بود که می توانست تمام گونه های گربه بزرگ قاچاق شده در تجارت غیرقانونی استخوان را شناسایی کند. تمام قسمت های ببر در تجارت حیات وحش استفاده می شود. ما می‌خواستیم آزمایشی بسازیم که امکان غربالگری اولیه بهتر در نقاط مصادره یا مبادی ورودی به کشورها را فراهم کند. ابزاری که استفاده از آن بسیار آسان است، به طوری که می توانید یک آزمایشگاه قابل حمل و غربال استخوان هایی را که ممکن است از طریق چمدان یا بسته های افراد وارد می شوند، راه اندازی کنید. چیزی که می تواند به سرعت متوجه شود که آیا یک نمونه از یک گونه گربه بزرگ است یا خیر، و بنابراین ممکن است تنظیم شود، به طوری که می توان آن را برای آزمایش قانونی تاییدی ارسال کرد.

یک نسخه آزمایشی در چین و اینجا در ایالات متحده در حال آزمایش است. ایده این است که از آن به عنوان یک ابزار غربالگری استفاده شود که می تواند به اجرای قانون کمک کند تا تجارت غیرقانونی را سرکوب کند.

شما یک ابتکار نظارت بلندمدت را در پرو رهبری کردید که بر روی قارچ کیترید دوزیستان تمرکز داشت، که به عنوان نابود کننده بسیاری از جمعیت های دوزیستان در سراسر جهان دیده می شود. چگونه آن قارچ روی دوزیستان تأثیر می گذارد؟

قارچ به پوست گونه های آسیب پذیر حمله می کند. سپس یک قورباغه آلوده دچار هیپرکراتوزیس می شود، ضخیم شدن لایه کراتین پوست که مانع از جذب آب و اکسیژن می شود. بنابراین الکترولیت‌های آن به طور خطرناکی نامتعادل می‌شوند و از روی پوست می‌ریزند. قورباغه ها در نهایت دچار ایست قلبی می شوند.

این می تواند برای گونه های خاصی ویرانگر باشد، اما به نظر می رسد که دیگران نسبت به آن بسیار انعطاف پذیرتر هستند. سوالات پیچیده زیادی در مورد بیماری زایی گونه های مختلف قارچ وجود دارد. میدان بزرگی است.

ما مطالعه کرده‌ایم که کدام قورباغه‌ها به قارچ کیترید مبتلا می‌شوند و سپس، در حالی که با آن سروکار دارند، چگونه با اثرات گرم شدن آب و هوا سازگار می‌شوند.

چی پیدا کردی؟

ما توانستیم نشان دهیم که با پیشروی قورباغه ها به سمت بالا و گسترش دامنه خود، آنها قارچ را با خود می آورند. برخی از قورباغه هایی که در نزدیکی بالای گردنه، در ارتفاع 5,300 متری یافتیم، کیترید مثبت بوده اند. وقتی ما محققین وارد میدان می‌شویم، اقدامات احتیاطی زیادی انجام می‌دهیم تا چکمه‌هایمان را با الکل اسپری کنیم تا قارچ را در اطراف پخش نکنیم.

در آند شاهد ناپدید شدن گونه ای بودیم، قورباغه آبی مرمری، Telmatobius marmoratus. پس از سال 2005، جمعیت سقوط کرد. ما نتوانستیم آنها را در هیچ یک از سایت هایی که سال ها نمونه برداری کردیم، پیدا کنیم. اما در سال 2013، به نظر می رسید که آنها در حال بازگشت هستند. آنها در برابر قارچ مقاوم تر می شوند. این امیدواری وجود دارد که آنها با ادامه انطباق با محیطی که به سرعت در حال تغییر است، عملکرد خوبی داشته باشند.

آیا مکان مورد علاقه ای برای انجام کار میدانی دارید؟

مورد علاقه من همیشه دریاچه Sibinacocha در پرو است. فلامینگوهایی دارید که بر فراز یخچال های طبیعی پرواز می کنند و مرغ های مگس خوار آند در اطراف شما بال می زنند. قورباغه و ویکونا. برای چنین محیط کوهستانی بسیار زیباست و تنوع زیستی فوق العاده ای دارد.

چگونه دو گونه جدید رتیل را کشف کردید؟

تعجب آور است، می دانم، زیرا من یک عنکبوتی هراسی هستم!

در حالی که در پرو به دنبال قورباغه بر روی صخره‌ها وور می‌زدیم، من متوجه شدم که از سوراخی بیرون زده بود. من نگاه کردم به برونون کونکی، یک دانش آموز و همکار آن زمان که با او کار می کردم، گفت: "می توانید آن را بگیرید؟" او انجام داد.

ما عکس‌های زیادی گرفتیم و آنها را به یک طبقه‌شناس متخصص رتیل نشان دادیم که گفت: «به نظر می‌رسد که شما ممکن است گونه جدیدی داشته باشید. آیا می توانید چند نر و ماده را جمع آوری کنید؟»

بعد چه اتفاقی افتاد؟

مجبور شدم برگردم. آن زمان، فقط من بودم که با یک انبر بلند دستم را به داخل سوراخ ها رساندم. سعی می‌کنم رتیل‌ها را با احتیاط صید کنم و تقریباً از آدرنالین زیاد غش کنم.

تیم اسب ما به جمع آوری نمونه های بزرگتر کمک کرد. ما نمونه‌های جدید را در لیما قرار دادیم و درخواست کردیم که برای ارزیابی طبقه‌بندی فرستاده شوند. حدود 10 سال بعد، در نهایت آنها تجزیه و تحلیل و نتایج منتشر شد. گاهی اوقات زمان زیادی طول می کشد، اما علم ظاهر می شود.

امیدوارید بعداً کجا تحقیق کنید؟ هر مکان رویایی؟

من دوست دارم کارهای بیشتری در هیمالیا انجام دهم. من فقط محیط های کوهستانی را دوست دارم. من را در یکی قرار دهید و خوشحال می شوم. من عاشق پریدن از سنگی به سنگ دیگر، ورق زدن چیزها، جستجوی موجودات هستم. کار مورد علاقه من این است که سنگ ها را ورق بزنم و ببینم زیر آنها چیست.

در اوقات فراغت خود از طوفان های شدید عکس گرفته و مطالعه کرده اید. در مورد آن به ما بگویید.

این سرگرمی من است. شوهرم، آنتون سیمون، رهبری علمی یک تیم تحقیقاتی گردباد است. او به مدت سه دهه درگیر تحقیقات گردباد بوده است و من از زمانی که ملاقات کردیم با او در تعقیب طوفان بودم، بنابراین به مدت 20 سال.

هر سال بین ماه های مه و ژوئن، ما ون و سگ شکاری خود را چیس بسته بندی می کنیم و برای دنبال کردن طوفان های شدید به دشت بزرگ می رویم. ما معمولاً در مناطقی که احتمال تخریب بسیار کمی وجود دارد، طوفان‌ها را هدف قرار می‌دهیم، جایی که می‌توانیم منظره‌ای بی‌وقفه از این طوفان‌ها داشته باشیم. اما حتی اگر طوفان نبینیم، از عکاسی از حیات وحش و گل‌های وحشی کاملاً خوشحالم. غوطه ور شدن در طبیعت، مانند زمانی که در میدان بیرون می روم، کار مورد علاقه من است.