Hän jäljittää ankarissa paikoissa piiloutuvien vaikeasti havaittavien lajien DNA:ta

Tracie Seimon huomasi intohimonsa luontoa kohtaan varhain. Coloradossa varttuessaan hän nautti "hyönteisten keräämisestä" perheensä takapihallaan ja harrastusmuurahaistilan pitämisestä. Kun hän näki puiden kaadtamisen televisiossa, hän järkyttyi. Hän ja hänen isänsä tutkivat yötaivasta kaukoputken läpi, kunnes hänen uteliaisuutensa sai hänet purkamaan kaukoputken osiin selvittääkseen, miten se toimii. Hän ei koskaan saanut sitä takaisin yhteen. Kun hänen vanhempansa myöhemmin antoivat hänelle lahjaksi mikroskoopin, häntä kehotettiin jättämään se koskemattomaksi.

"Katsoin kaiken sen alla", hän sanoi.

Vuonna 2007, kun Seimon oli Columbian yliopiston nuorempi tiedekunta ja valitsi urapolun, hän tunsi olevansa vedetty kahteen vastakkaiseen suuntaan. Hän olisi voinut hyväksyä tarjouksen virka-asemasta jatkaakseen sydän- ja verisuonitautien lääketieteellistä tutkimustaan. Mutta sen sijaan hän otti osa-aikatyön auttaakseen kehittämään molekyylilaboratoriota Wildlife Conservation Societylle (WCS). Siitä tuli lopulta ainutlaatuinen tarjous auttaa käynnistämään uusi laboratorio Bronxin eläintarhassa WCS:n ja Columbian yliopiston infektio- ja immuniteettikeskuksen yhteisenä tutkijana. "Harjoin patogeenien löytämisessä" ja samalla "yritin hitaasti rakentaa" uutta laboratoriota, hän sanoi.

Nykyään Seimon on WCS:n molekyylidiagnostiikkalaboratorion johtaja Bronxin eläintarhassa. Hän on ollut edelläkävijä DNA-pohjaisten tekniikoiden käytössä lajien havaitsemiseen ja seurantaan luonnossa, erityisesti haastavissa ympäristöissä. Hänen biologisen monimuotoisuuden tutkimuksensa on vienyt hänet Peruun, Myanmariin, Vietnamiin, Kambodžaan, Venäjälle, Ugandaan ja Ruandaan.

Seimon on jopa noussut Mount Everestille johtaen tiimiä, joka teki ensimmäisen kattavan ympäristö-DNA:n (eDNA) biologista monimuotoisuutta koskeva tutkimus siellä. Tämä tutkimus oli osa vuotta 2019 National Geographic ja Rolex Perpetual Planet Everest -retkikunta, kattavin tieteellinen tutkimusmatka, joka on koskaan suoritettu tällä vuorella.

Ennen kuin Seimonin kenttätyöt veivät hänet Mount Everestille, hän matkusti monta kertaa Perun Andeille. Hänen painopisteensä on Cordillera Vilcanotan jäätikköisen vuorijonon Sibinacochan vedenjakaja. Lähes 20 vuoden ajan hän on johtanut aloitetta, joka tutkii ilmastonmuutoksen ja chytrid-sienen vaikutuksia (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) kyseisessä elinympäristössä elävistä sammakkoeläimistä.

Quanta puhui Seimonin kanssa videokonferenssissa hänen maailmanlaajuisista tutkimusretkistään. Haastattelu on tiivistetty ja muokattu selvyyden vuoksi.

Kerro minulle laboratoriostasi Bronxin eläintarhassa.

Laboratoriomme on pieni. Suurin osa päivittäisestä diagnostiikasta on testejä patogeenien varalta kokoelmassamme olevilla eläimillä WCS:n neljässä eläintarhassa ja New Yorkin akvaariossa. Meillä on myös tutkimusprojekteja, joissa autamme kehittämään molekyylityökaluja konservointiin, sellaisia ​​DNA-tutkimuksen työkaluja, jotka voit kirjaimellisesti heittää reppuun ja viedä kentälle. Olemme kehittäneet esimerkiksi kannettavan koiran penikkavirustestin ja eDNA-testauksen uhanalaisia ​​lajeja varten. Koulutamme kenttätutkijoita monissa maissa, joissa työskentelemme tämän kannettavan DNA-testauksen tekemiseksi.

Miten pääsit mukaan eDNA-tutkimukseen?

Vuonna 2015 kollegamme kysyivät, voisimmeko soveltaa tekniikkaa harvinaisen, uhanalaisen lajin testaamiseen: Jangtse-jättikilpikonnan (Rafetus swinhoei). Vietimme paljon aikaa käydessämme Bronxin eläintarhan lammillamme, keräämällä vettä, testaamalla, mitä lajeja siellä oli, ja katsomalla, voisimmeko ylipäätään tehdä eDNA-testausta.

Kun aloitin, se tuntui melkein tieteiskirjallisuudesta. "Todella? Voimmeko havaita nämä monet lajit pelkästään vedestä?"

Miten osallistuit eDNA:n tutkimiseen Mount Everestillä Perpetual Planet -retkikuntaa varten?

Paul Mayewski, arvostettu ilmastotutkija ja glakiologi Mainen yliopistosta, oli kokoamassa tieteellistä tutkimusmatkaa Mount Everestille, ja hän kutsui minut. Hän kysyi minulta: "Miksi et koonnut ideoita siitä, mitä haluaisit tehdä siellä?" Ajatukseni oli: "Jos haluamme selvittää, mitä elämä korkeimmalla on, voimmeko käyttää eDNA:ta Mount Everestin biologisen monimuotoisuuden arvioimiseen?"

Kukaan ei tiennyt paljon biologisesta monimuotoisuudesta tuolloin, koska on erittäin vaikeaa työskennellä noilla korkeilla korkeuksilla. Ilma on ohutta. Väsyt hyvin nopeasti. Myrskyjen puhjetessa joudut joskus GPS:llä palaamaan telttaan täysien pimennysolosuhteiden vuoksi.

Olin kiinnostunut näkemään, voisiko eDNA olla paljon helpompi tapa. Voisimme kerätä vesinäytteitä, suodattaa ne paikan päällä, tuoda suodattimet talteenotetulla DNA:lla takaisin laboratorioon ja sitten vain arvioida DNA:ta, mitä siellä on.

Joten menit Everestille ja keräsit näytteitä sillä tavalla. Miten analysoit myöhemmin nuo DNA-näytteet?

Jaoimme tiedot kahdella eri tekniikalla, koko genomin haulikkosekvensoinnilla ja metabarkoodauksella. Sitten käytimme neljää erilaista bioinformatiikkaa analysoidaksemme dataa ja määrittääksemme, mitkä organismit olemme havainneet.

Nyt kun olemme tehneet sen Everestillä, haluaisin mielelläni palata takaisin ja tehdä sen Perussa.

Mitkä olivat tärkeimmät huomiosi Mount Everestillä keräämästäsi eDNA:sta?

Siellä on uskomattoman paljon biologista monimuotoisuutta. Löysimme 187 taksonomista järjestystä elämän puusta: viruksia, bakteereja, sieniä, kasveja ja eläimiä. Lähes kuudesosa kaikista tunnetuista taksonomisista järjestyksistä löytyi tältä yhdeltä yli 4,500 metrin korkeudelta. Maasto tuolla ja sitä korkeammalla muodostaa vain 3 % maapallon pinta-alasta.

Toivottavasti, kun yhä useammat ihmiset keräävät DNA-tietoja, voimme analysoida sekvenssit uudelleen ja saada tunnisteet suvun ja lajin tasolle. Osa tiedoista pystyimme jo tekemään sen, mikä oli hienoa. Esimerkiksi scat-näytteiden DNA:sta löysimme ensimmäiset todisteet siitä, että Pallaksen kissa (Otocolobus manul), harvinainen villikissalaji, asuu Itä-Nepalissa. Se oli jännittävää. Mutta tällä hetkellä Everestistä on vain hyvin vähän vertailujaksoja, joihin tietoja voidaan verrata, ja se on se, mitä sinun tarvitsee tunnistaaksesi jotain.

Oliko tutkimuksessa muita rajoituksia?

Varma. Tutkimuksemme on vain yksi otos monimuotoisuudesta useiden viikkojen aikana huhti- ja toukokuussa 2019. Rajatuimme siihen ikkunaan, koska tutkimusmatka, jonka osa olimme, sisälsi projekteja, jotka liittyivät kiipeilykauteen ja siihen, milloin sherpat saattoivat järjestää köydet ihmisten nostamiseksi ylös ja takaisin turvallisesti.

Näytteenottomme oli myös rajoitettua, koska kevätsula tuli hyvin myöhään sinä vuonna. Aiempien vuosien satelliittikuvien perusteella odotimme, että Mount Everestin järvet olisivat täysin sulaneet sinne saavuttuamme, mutta monet niistä olivat edelleen jäässä. Meidän täytyi murtautua jäähän ottaaksemme näytteitä sen alta.

Jos olisimme siirtäneet kokoelmaa parilla kuukaudella, olisimmeko voineet kerätä vielä enemmän DNA:ta, ja olisiko luonnon monimuotoisuus vielä suurempi? Ehkä, mutta meillä ei ollut ylellisyyttä odottaa. Silti tiedon määrä, jonka saimme sieltä tuona aikana, on hämmästyttävä.

Olisi mahtavaa nähdä, kuinka ympäristö muuttuu vuodenaikojen mukaan, ja palata sitten viiden vuoden välein katsomaan, kuinka se muuttuu ajan myötä. Jotkut tunnistamistamme organismeista toimivat indikaattorilajeina ilmastonmuutokselle ja muille ympäristöstresseille.

Miksi on tärkeää tehdä biotestejä Himalajan kaltaisissa paikoissa? Nämä äärimmäiset ympäristöt ovat suhteellisen pieni osa maailmaa. Miksi eDNA:n kerääminen helpommista paikoista ei riitä?

Meillä oli mielessämme kaksi tavoitetta mennä sinne. Ensinnäkin halusimme vastata kysymyksiin, kuten: Mikä on korkein elämä? Mitä lajeja siellä elää? Mitkä organismit voivat sietää niin kutsuttuja äärimmäisiä ympäristöjä?

Se on tärkeää tietää vain biologisesta näkökulmasta. Esimerkiksi jotkut sieltä löytämämme organismit ovat tardigradeja ja rotifereja. Nämä organismit voivat elää melkein missä tahansa, myös erittäin ankarissa ja äärimmäisissä ympäristöissä. Tardigradit selviävät jopa avaruuden tyhjiöstä.

Toiseksi korkean vuoriston ympäristöt ovat paikkoja, joissa voit etsiä muutoksia, jotka tapahtuvat paljon nopeammin kuin alempana. Tyypillisesti äärimmäisten ympäristöjen pienet häiriöt ylhäällä voivat pakottaa suuriin muutoksiin niiden levinneisyysalueilla tai alueilla, joita nämä organismit voivat miehittää. Halusimme ymmärtää näiden muutosten seuraukset.

Hyvä esimerkki on se, mitä olemme oppineet Cordillera Vilcanotan vuoristossa Etelä-Perussa lähellä Sibinacocha-järveä. Muutaman vuosikymmenen aikana tehdyissä tutkimuksissa havaitsimme, että sammakkoeläimet ovat laajentaneet levinneisyysaluettaan ylöspäin maastoon, joka on hiljattain hävinnyt. Vapautuvien jäätiköiden taakse on muodostunut uusia lampia. Tämä on avannut uusia elinympäristöjä, joihin lajit voivat vaeltaa ylöspäin ja miehittää.

Mutta se ei koske vain sammakkoeläimiä. Näemme myös hyönteisten, kasvien ja muiden organismien siirtyvän näille lampialueille. Vuoristoalueilla koko biosfääri on nousussa vastauksena ilmastonmuutokseen, kuten olemme dokumentoineet Perun Andeilla.

Kysymys tulee myös: voimmeko mitata, kuinka nopeasti nämä rikkaat muutosnopeudet tapahtuvat? Havaitsemme, että sammakkoeläimet liikkuvat paljon elinympäristön saatavuuden perusteella. Kun lampi muodostuu, ne siirtyvät siihen, mutta lopulta jäätikkö ei enää ruoki sitä. Kun se kuivuu, sammakkoeläimet siirtyvät seuraavaan lampeen. Se on erittäin dynaaminen, nopeasti muuttuva ympäristö.

Everest-tutkimus on loistava tapa luoda perustietoja näiden muutosten dokumentoimiseksi. Koska siellä elävät lajit elävät ankarissa ympäristöissä, ne ovat alttiimpia muuttamaan käyttäytymistään.

Onko eDNA yhtä hyödyllinen työkalu vähemmän äärimmäisissä ympäristöissä?

En koskaan ajattele eDNA:ta ensisijaisena työkaluna. eDNA:ta tulee käyttää yhdessä muiden biologisen monimuotoisuuden seurantamenetelmien kanssa. Sitten voimme tarkastella eDNA-tietoja kokonaisvaltaisemmin ja kontekstissa.

Esimerkiksi keräsin scat-näytteitä ja teimme visuaalisia kohtaamistutkimuksia ollessamme Mount Everestillä. Löysimme lumileopardin jälkiä tuoreesta lumesta ylhäältä, mutta emme löytäneet lumileopardia eDNA-näytteestämme. Se oli jotain, jota kaipasimme.

eDNA:ssa on se, että vaikka se voi olla uskomattoman informatiivinen monista ympäristön sisällöstä, et voi sulkea pois sitä, mitä tiedoissasi ei ole. Koska havaitsemisesi herkkyys rajoittaa sinua aina.

Oletetaan, että otamme 20 vesinäytettä järvestä, ja vain yksi näyte on positiivinen kilpikonnalle. Jos olisimme ottaneet vain 10 näytettä, olisimme saattaneet unohtaa kilpikonnat. Joten eDNA:n kanssa tietojen tulkintojen on aina perustuttava näytteenottostrategiaan. Kun käytät eDNA:ta esimerkiksi biomonitorointiin ajan myötä tapahtuvien muutosten varalta, on hyvä tietää ensin järjestelmäsi ekologia ja sitten pitää mielessä kaikki varoitukset.

Mitkä ovat nämä varoitukset?

Se, että havaitset DNA:n, ei välttämättä tarkoita, että keräät sen elävästä organismista. Se voi johtua kuolleesta organismista, joka erittää eDNA:ta. Jos sekoitat vesistön pohjaa, saatat sekoittaa muinaista DNA:ta. Sinun on todella mietittävä kysymyksiä, joihin haluat vastata, ja sitä, vastaako eDNA niihin.

Sinun on myös muistettava, kuinka nopeasti eDNA hajoaa lämpötilasta tai ultraviolettivaloolosuhteista riippuen. Niin monet asiat voivat lyhentää eDNA:si puoliintumisaikaa, ja sinun on otettava ne kaikki huomioon, kun suunnittelet tutkimusta. Se voi olla melko monimutkaista.

Biologisen monimuotoisuuden tutkimustesi lisäksi käytät eDNA:ta myös lajien tunnistamiseen villieläinkaupassa.

Joo. Yksi projekteistamme oli kehittää DNA-testi, joka pystyisi tunnistamaan kaikki laittomassa luukaupassa salakuljetetut isot kissalajit. Kaikki tiikerin osat hyödynnetään villieläinkaupassa. Halusimme kehittää testin, joka mahdollistaisi paremman esitarkastuksen takavarikointipisteissä tai maahantulopaikoissa. Työkalu, joka olisi erittäin helppokäyttöinen, jotta voit perustaa kannettavan laboratorion ja suojan ihmisten matkatavaroiden tai pakettien kautta mahdollisesti tuleville luille. Jotain, joka voisi nopeasti nähdä, onko näyte isosta kissalajista, ja siksi sitä voitaisiin säännellä, jotta se voitaisiin lähettää vahvistavaan oikeuslääketieteelliseen testaukseen.

Pilottiversiota kokeillaan Kiinassa ja täällä Yhdysvalloissa Ajatuksena on käyttää sitä seulontatyökaluna, joka voi auttaa lainvalvontaviranomaisia ​​hillitsemään laitonta kauppaa.

Johtit Perussa pitkäaikaista seuranta-aloitetta, joka keskittyy sammakkoeläinsieneen, jonka katsotaan tuhoavan monia sammakkoeläinpopulaatioita ympäri maailmaa. Miten tämä sieni vaikuttaa sammakkoeläimiin?

Sieni hyökkää haavoittuvien lajien ihoon. Tartunnan saaneelle sammakolle kehittyy sitten hyperkeratoosi, ihon keratiinikerroksen paksuuntuminen, joka estää veden ja hapen imeytymisen. Joten sen elektrolyytit ovat vaarallisen epätasapainossa ja se irtoaa iholta. Sammakot saavat lopulta sydämenpysähdyksen.

Se voi olla tuhoisaa tietyille lajeille, mutta toiset näyttävät olevan sille paljon kestävämpiä. Eri sienikantojen patogeenisyydestä on monia monimutkaisia ​​kysymyksiä. Se on iso kenttä.

Olemme tutkineet, mitkä sammakot saavat chytrid-sienen tartunnan, ja sitten, kun ne käsittelevät sitä, kuinka ne myös sopeutuvat ilmaston lämpenemisen vaikutuksiin.

Mitä olet löytänyt?

Olemme pystyneet osoittamaan, että kun sammakot etenevät ylöspäin ja laajentavat levinneisyysaluettaan, ne tuovat sienen mukanaan. Jotkut sammakot, jotka löysimme solan huipulta, 5,300 XNUMX metrin korkeudesta, ovat olleet chytridipositiivisia. Kun me tutkijat menemme kentälle, ryhdymme moniin varotoimiin suihkuttaaksemme saappaamme alkoholilla, jotta emme levitä sientä ympäriinsä.

Andeilla näimme erään lajin katoamisen, marmoroituneen vesisammakon, Telmatobius marmoratus. Vuoden 2005 jälkeen väestö romahti. Emme löytäneet niitä yhdeltäkään sivustolta, josta otimme näytteitä vuosiin. Mutta vuoteen 2013 mennessä he näyttivät palaavan. Ne ovat tulossa vastustuskykyisemmiksi sieniä vastaan. On toivoa, että he pärjäävät melko hyvin, kun ne jatkavat sopeutumista nopeasti muuttuvaan ympäristöön.

Onko sinulla suosikkipaikka kenttätöiden tekemiseen?

Suosikkini tulee aina olemaan Sibinacocha-järvi Perussa. Sinulla on flamingoja, jotka lentävät jäätiköiden yli ja Andien kolibrit lentävät ympärilläsi. Sammakot ja vikunja. Se on vain hämmästyttävän kaunis ja uskomattoman biologinen monimuotoisuus niin korkealle vuoristoympäristölle.

Kuinka löysit kaksi uutta tarantula-lajia?

Se on yllättävää, tiedän, koska olen araknofoobi!

Kun kääntelimme kiviä Perussa etsimässä sammakoita, huomasin pienen sumean pätkän työntyvän ulos reiästä. Katsoin Bronwen Konecky, silloinen opiskelija ja yhteistyökumppani, jonka kanssa työskentelin, ja sanoi: "Voitko ymmärtää?" Hän teki.

Otimme paljon valokuvia ja näytimme ne asiantuntijalle tarantulataksonomille, joka sanoi: "Näyttää siltä, ​​että sinulla saattaa olla uusi laji. Voitko millään tavalla kerätä uroksia ja naisia?"

Mitä tapahtui seuraavaksi?

Minun piti mennä takaisin. Tuolloin olin vain minä pitkällä pihdillä, joka kurkotin reikiin. Yritin kalastaa tarantuloja erittäin huolellisesti ja melkein pyörtyä adrenaliinin ylikuormituksesta.

Isommat yksilöt hevostiimimme auttoi keräämään. Talletimme uudet näytteet Limaan ja pyysimme niiden lähettämistä taksonomiseen arviointiin. Noin 10 vuotta myöhemmin ne lopulta analysoitiin ja tulokset julkaistiin. Joskus se kestää kauan, mutta tiede tulee esiin.

Missä aiot tehdä tutkimusta seuraavaksi? Onko unelmapaikkoja?

Haluaisin tehdä enemmän töitä Himalajalla. Rakastan vain vuoristoympäristöä. Laita minut yhteen ja olen onnellinen. Tykkään hypätä kiviltä kalliolle, kääntää asioita ympäri ja etsiä eläimiä. Minun suosikkini on kääntää kiviä ja katsoa, ​​mitä niiden alla on.

Vapaa-ajalla olet valokuvannut ja tutkinut ankaria myrskyjä. Kerro meille siitä.

Se on minun harrastukseni. Aviomieheni, Anton Seimon, on tornadotutkimusryhmän tieteellinen johtaja. Hän on ollut mukana tornadotutkimuksessa kolme vuosikymmentä, ja olen jahdannut myrskyä hänen kanssaan tapaamisestamme lähtien, eli 20 vuotta.

Joka vuosi touko-kesäkuussa pakkaamme pakettiautomme ja koirakoiramme Chasen ja menemme ulos Great Plainsille seuraamaan kovia myrskyjä. Kohdistamme myrskyt yleensä alueille, joilla on todennäköisesti hyvin vähän tuhoa ja joissa voimme saada esteettömät näkymät näistä myrskyistä. Mutta vaikka emme näekään myrskyjä, valokuvaan mielelläni villieläimiä ja luonnonkukkia. Luontoon uppoaminen, kuten silloin, kun menen pellolle, on suosikkini.