Elle suit l'ADN d'espèces insaisissables qui se cachent dans des endroits difficiles

Tracie Seimon a découvert très tôt sa passion pour le monde naturel. En tant qu'enfant grandissant dans le Colorado, elle aimait «récolter des insectes» dans la cour de sa famille et tenir une ferme de fourmis. Quand elle voyait des arbres abattus à la télévision, elle était désemparée. Elle et son père avaient l'habitude d'étudier le ciel nocturne à travers un télescope jusqu'à ce que sa curiosité l'incite à démonter le télescope pour comprendre comment cela fonctionnait. Elle n'a jamais pu le remettre ensemble. Lorsque ses parents lui ont par la suite offert un microscope, on lui a demandé de le laisser intact.

"J'ai tout regardé en dessous", a-t-elle déclaré.

En 2007, alors que Seimon était professeur junior à l'Université de Columbia et choisissait un cheminement de carrière, elle s'est sentie tirée dans deux directions opposées. Elle aurait pu accepter une offre pour un poste de professeur menant à la permanence afin de poursuivre ses recherches médicales sur les maladies cardiovasculaires. Mais au lieu de cela, elle a pris un emploi à temps partiel pour aider à développer un laboratoire moléculaire pour la Wildlife Conservation Society (WCS). Cela s'est finalement transformé en une offre unique pour aider à lancer un nouveau laboratoire au zoo du Bronx en tant que chercheur conjoint pour le WCS et le Center for Infection and Immunity de l'Université de Columbia. "Je m'entraînais à la découverte d'agents pathogènes" tout en "essayant lentement de construire" le nouveau laboratoire, a-t-elle déclaré.

Aujourd'hui, Séimon est le directeur du laboratoire de diagnostic moléculaire du WCS basé au zoo du Bronx. Elle a été la pionnière de l'utilisation des technologies basées sur l'ADN pour détecter et surveiller les espèces dans la nature, en particulier dans les environnements difficiles. Ses recherches sur la biodiversité l'ont amenée au Pérou, au Myanmar, au Vietnam, au Cambodge, en Russie, en Ouganda et au Rwanda.

Seimon est même monté sur le mont Everest, à la tête de l'équipe qui a réalisé le premier ADN environnemental complet (eDNA) enquête sur la biodiversité là. Cette recherche faisait partie du 2019 national Geographic et Rolex Expédition Perpetual Planet Everest, l'expédition scientifique la plus complète jamais menée sur cette montagne.

Avant que le travail de terrain de Seimon ne l'amène au mont Everest, elle a voyagé plusieurs fois dans les Andes péruviennes. Elle se concentre sur le bassin versant de Sibinacocha de la chaîne de montagnes glaciaires de la Cordillère Vilcanota. Depuis près de 20 ans, elle dirige une initiative sur les effets du changement climatique et le champignon chytride (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) sur les amphibiens vivant dans cet habitat.

Quanta a parlé avec Seimon par vidéoconférence de ses randonnées de recherche mondiales. L'interview a été condensée et modifiée pour plus de clarté.

Parlez-moi de votre laboratoire au zoo du Bronx.

Notre laboratoire est petit. La plupart des diagnostics quotidiens que nous effectuons sont des tests de détection d'agents pathogènes sur les animaux de notre collection dans les quatre zoos de WCS et à l'aquarium de New York. Nous avons également des projets de recherche où nous aidons à développer des outils moléculaires pour la conservation, le type d'outils pour étudier l'ADN que vous pouvez littéralement jeter dans un sac à dos et emporter sur le terrain. Par exemple, nous avons développé des tests portables pour le virus de la maladie de Carré et des tests eDNA pour les espèces en voie de disparition. Et nous formons des chercheurs sur le terrain dans de nombreux pays où nous travaillons sur la façon de faire ces tests ADN portables.

Comment vous êtes-vous impliqué dans la recherche sur l'eDNA ?

En 2015, nos collègues ont demandé si nous pouvions appliquer la technologie pour tester une espèce rare et menacée : la tortue molle géante du Yangtze (rafetus swinhoei). Nous avons passé beaucoup de temps à aller dans nos étangs du zoo du Bronx, à collecter de l'eau, à tester pour voir quelles espèces s'y trouvaient et à voir si nous pouvions faire des tests eDNA.

Quand j'ai commencé, cela ressemblait presque à de la science-fiction. "Vraiment? Nous pouvons détecter autant d'espèces uniquement à partir de l'eau ? »

Comment vous êtes-vous impliqué dans l'étude de l'eDNA sur le mont Everest pour l'expédition Perpetual Planet ?

Paul Mayewski, un climatologue et glaciologue réputé de l'Université du Maine, organisait une expédition scientifique sur le mont Everest, et il m'a invité. Il m'a demandé : « Pourquoi ne pas rassembler quelques idées de ce que vous aimeriez faire là-bas ? Ma pensée était: "Si nous voulons comprendre ce qu'est la vie à la plus haute altitude, pouvons-nous utiliser l'eDNA pour évaluer la biodiversité du mont Everest?"

Personne ne savait grand-chose de la biodiversité à ce moment-là car il est très difficile de travailler à ces hautes altitudes. L'air est raréfié. Vous vous fatiguez très vite. Lorsque les tempêtes soufflent, vous devez parfois retourner à la tente par GPS en raison des conditions de voile blanc.

J'étais intéressé de voir si l'eDNA pouvait être un moyen beaucoup plus simple. Nous pourrions collecter des échantillons d'eau, les filtrer sur place, ramener ces filtres avec l'ADN capturé au laboratoire, puis simplement utiliser l'ADN pour évaluer ce qui s'y trouve.

Vous êtes donc allé à l'Everest et avez collecté des échantillons de cette façon. Plus tard, comment avez-vous analysé ces échantillons d'ADN ?

Nous avons décomposé les données en utilisant deux techniques différentes, le séquençage du fusil de chasse du génome entier et le métabarcodage. Ensuite, nous avons utilisé quatre pipelines bioinformatiques différents pour analyser les données et déterminer quels organismes nous avions détectés.

Maintenant que nous l'avons fait à l'Everest, j'aimerais retourner et le faire au Pérou.

Quelles ont été vos principales conclusions concernant l'eDNA que vous avez collecté sur le mont Everest ?

Il y a une quantité incroyable de biodiversité là-haut. Nous avons pu trouver 187 ordres taxonomiques à travers l'arbre de la vie : virus, bactéries, champignons, plantes et animaux. Près d'un sixième de tous les ordres taxonomiques connus se trouvaient sur cette seule montagne au-dessus de 4,500 3 mètres. Le terrain à cette altitude et au-dessus ne représente que XNUMX% de la masse continentale mondiale.

Avec un peu de chance, au fur et à mesure que de plus en plus de personnes collecteront des données ADN, nous serons en mesure de réanalyser les séquences et de réduire davantage les identifications au niveau du genre et de l'espèce. Certaines des données avec lesquelles nous avons déjà pu le faire, ce qui était formidable. Par exemple, à partir d'ADN dans des échantillons d'excréments, nous avons trouvé la première preuve que le chat de Pallas (Otocolobus manul), une espèce rare de félin sauvage, vit dans l'est du Népal. C'était excitant. Mais actuellement, il n'y a que très peu de séquences de référence de l'Everest auxquelles comparer les données, et c'est ce dont vous avez besoin pour identifier quelque chose.

Y avait-il d'autres limites à l'étude?

Bien sûr. Notre étude n'est qu'un instantané de la diversité pendant plusieurs semaines en avril et mai 2019. Nous étions limités à cette fenêtre car l'expédition dont nous faisions partie comprenait des projets liés à la saison d'escalade et au moment où les Sherpas pouvaient monter le des cordes pour monter et reculer en toute sécurité.

Notre échantillonnage a également été limité car le dégel printanier est arrivé très tard cette année-là. D'après les images satellite des années précédentes, nous nous attendions à ce que les lacs du mont Everest soient complètement dégelés à notre arrivée, mais plusieurs d'entre eux étaient encore gelés. Nous avons dû pirater la glace pour échantillonner l'eau sous celle-ci.

Si nous avions décalé la collecte de quelques mois, aurions-nous pu collecter encore plus d'ADN, et la biodiversité aurait-elle été encore plus élevée ? Peut-être, mais nous n'avions pas le luxe d'attendre. Pourtant, la quantité de données que nous en avons extraites à cette époque est stupéfiante.

Ce serait incroyable de voir comment l'environnement change de façon saisonnière tout au long d'une année, puis de revenir en arrière tous les cinq ans pour voir comment cela change au fil du temps. Certains des organismes que nous avons identifiés servent d'espèces indicatrices du changement climatique et d'autres stress environnementaux.

Pourquoi est-il important de faire des essais biologiques dans des endroits comme l'Himalaya ? Ces environnements extrêmes représentent une partie relativement petite du monde. Pourquoi ne suffit-il pas de simplement collecter l'eDNA à partir d'endroits plus accessibles ?

Nous avions deux objectifs en tête en montant là-haut. Tout d'abord, nous voulions répondre à des questions telles que : Quelle est la durée de vie à la plus haute altitude ? Quelles espèces vivent là-haut ? Quels organismes peuvent tolérer ce que nous appelons les environnements extrêmes ?

C'est important à savoir d'un point de vue biologique. Par exemple, certains des organismes que nous avons trouvés là-haut sont des tardigrades et des rotifères. Ces organismes peuvent vivre à peu près n'importe où, y compris dans des environnements très difficiles et extrêmes. Les tardigrades peuvent même survivre au vide spatial.

Deuxièmement, les environnements de haute montagne sont des endroits où vous pouvez rechercher des changements qui se produisent à des rythmes beaucoup plus rapides que ceux qui se produisent plus bas. En règle générale, de petites perturbations des environnements extrêmes là-haut peuvent forcer de grands changements dans les aires de répartition ou les territoires que ces organismes peuvent occuper. Nous voulions comprendre les conséquences de ces changements.

Un bon exemple est ce que nous avons appris dans les montagnes de la Cordillère Vilcanota au sud du Pérou près du lac Sibinacocha. Grâce à des études sur une vingtaine d'années, nous avons découvert que les amphibiens étendaient leur aire de répartition vers le haut dans des terrains récemment déglacés. De nouveaux étangs se sont formés derrière le recul des glaciers. Cela a ouvert de nouveaux habitats vers lesquels l'espèce peut migrer et occuper.

Mais il n'y a pas que les amphibiens. Nous voyons aussi des insectes, des plantes et d'autres organismes se déplacer dans ces étangs. Dans les zones montagneuses, toute la biosphère s'élève en réponse au changement climatique, comme nous l'avons documenté dans les Andes péruviennes.

La question devient également : Pouvons-nous mesurer à quelle vitesse ces riches taux de changement se produisent ? Nous constatons que les amphibiens se déplacent beaucoup en fonction de la disponibilité de l'habitat. Lorsqu'un étang se forme, ils s'y installent, mais il finit par ne plus être alimenté par le glacier. Au fur et à mesure qu'il s'assèche, les amphibiens se déplacent vers l'étang suivant. C'est un environnement très dynamique qui évolue rapidement.

L'étude Everest est un excellent moyen d'établir des données de base pour documenter ces changements. Parce que les espèces là-haut vivent dans des environnements difficiles, elles sont plus enclines à modifier leur comportement.

L'eDNA est-il un outil aussi utile dans des environnements moins extrêmes ?

Je ne pense jamais à l'eDNA comme outil principal. L'eDNA devrait être utilisé en combinaison avec d'autres moyens de surveillance de la biodiversité. Ensuite, nous pouvons examiner les données eDNA de manière plus globale et dans leur contexte.

Par exemple, j'ai collecté des échantillons d'excréments et nous avons fait des enquêtes visuelles sur les rencontres pendant que nous étions sur le mont Everest. Nous avons trouvé des traces de léopard des neiges dans la neige fraîchement tombée là-haut, mais nous n'avons pas trouvé de léopard des neiges dans notre échantillon d'eDNA. C'est quelque chose qui nous a manqué.

Le problème avec l'eDNA est que, bien qu'il puisse être incroyablement informatif sur une grande partie de ce qui se trouve dans un environnement, vous ne pouvez pas exclure ce qui ne se trouve pas dans vos données. Parce que vous êtes toujours limité par la sensibilité de votre détection.

Disons que nous prélevons 20 échantillons d'eau d'un lac et qu'un seul échantillon est positif pour la tortue. Si nous n'avions prélevé que 10 échantillons, nous aurions peut-être manqué les tortues. Ainsi, avec eDNA, vos interprétations des données doivent toujours être basées sur la stratégie d'échantillonnage. Lorsque vous appliquez l'eDNA à quelque chose comme la biosurveillance des changements au fil du temps, il est bon de connaître d'abord l'écologie de votre système, puis de garder à l'esprit toutes les mises en garde.

Quelles sont certaines de ces mises en garde?

Ce n'est pas parce que vous détectez de l'ADN que vous le prélevez à partir d'un organisme vivant. Cela pourrait provenir d'un organisme mort excrétant de l'ADNe. Si vous remuez le fond d'un plan d'eau, vous remuez peut-être de l'ADN ancien. Vous devez vraiment réfléchir aux questions auxquelles vous voulez répondre et si eDNA va y répondre.

Vous devez également vous rappeler à quelle vitesse l'ADNe se dégrade, en fonction de la température ou des conditions de lumière ultraviolette. Tant de choses peuvent diminuer la demi-vie de votre eDNA, et vous devez toutes les prendre en compte lorsque vous concevez une étude. Cela peut être assez compliqué.

En plus de vos études sur la biodiversité, vous utilisez également l'eDNA pour identifier les espèces faisant l'objet d'un commerce d'espèces sauvages.

Oui. L'un de nos projets consistait à développer un test ADN permettant d'identifier toutes les espèces de grands félins faisant l'objet d'un trafic illégal d'os. Toutes les parties du tigre sont utilisées dans le commerce de la faune. Nous voulions développer un test qui permettrait une meilleure présélection aux points de confiscation ou aux points d'entrée dans les pays. Un outil qui serait très facile à utiliser, de sorte que vous pourriez mettre en place un laboratoire portable et dépister les os qui pourraient entrer dans les bagages ou les colis des gens. Quelque chose qui pourrait rapidement voir si un échantillon provient d'une espèce de gros félin, et donc pourrait être réglementé, afin qu'il puisse ensuite être envoyé pour des tests médico-légaux de confirmation.

Une version pilote est en cours d'essai en Chine et ici aux États-Unis. L'idée est de l'utiliser comme un outil de dépistage qui peut aider les forces de l'ordre à réprimer le commerce illégal.

Vous avez dirigé une initiative de surveillance à long terme au Pérou axée sur le champignon chytride des amphibiens, qui est considéré comme détruisant de nombreuses populations d'amphibiens dans le monde. Comment ce champignon affecte-t-il les amphibiens ?

Le champignon attaque la peau des espèces vulnérables. Une grenouille infectée développe alors une hyperkératose, un épaississement de la couche de kératine de la peau qui empêche l'absorption d'eau et d'oxygène. Ainsi, ses électrolytes sont dangereusement déséquilibrés et sa peau se desquame. Les grenouilles finissent par faire un arrêt cardiaque.

Elle peut être dévastatrice pour certaines espèces, mais d'autres y semblent beaucoup plus résistantes. Il y a beaucoup de questions complexes sur la pathogénicité des différentes souches fongiques. C'est un grand terrain.

Nous avons étudié quelles grenouilles sont infectées par le champignon chytride, puis, pendant qu'elles y font face, comment elles s'adaptent également aux effets du réchauffement climatique.

Qu'as-tu trouvé ?

Nous avons pu montrer qu'à mesure que les grenouilles progressent vers le haut et étendent leur aire de répartition, elles apportent le champignon avec elles. Certaines des grenouilles que nous avons trouvées près du sommet du col, à 5,300 XNUMX mètres d'altitude, ont été positives au chytride. Lorsque nous, chercheurs, allons sur le terrain, nous prenons beaucoup de précautions pour asperger nos bottes d'alcool afin de ne pas propager le champignon.

Dans les Andes, on a vu disparaître une espèce, la grenouille d'eau marbrée, Telmatobius marmoratus. Après 2005, la population s'est effondrée. Nous n'avons pu les trouver dans aucun des sites que nous avons échantillonnés pendant des années. Mais en 2013, ils semblaient revenir. Ils deviennent plus résistants au champignon. Il y a de l'espoir qu'ils s'en sortiront assez bien alors qu'ils continuent de s'adapter à l'environnement en évolution rapide là-bas.

As-tu un endroit préféré pour faire du travail de terrain ?

Mon préféré sera toujours le lac Sibinacocha au Pérou. Vous avez des flamants roses qui volent au-dessus des glaciers et des colibris andins qui voltigent autour de vous. Grenouilles et vigogne. C'est juste incroyablement beau et incroyablement riche en biodiversité pour un tel environnement de haute montagne.

Comment avez-vous découvert deux nouvelles espèces de tarentules ?

C'est surprenant, je sais, car je suis arachnophobe !

Alors que nous retournions des rochers au Pérou à la recherche de grenouilles, j'ai repéré un petit cul flou qui sortait d'un trou. j'ai regardé Bronwen Konecky, un étudiant et collaborateur de l'époque avec qui je travaillais, et m'a dit : "Pouvez-vous comprendre ?" Elle l'a fait.

Nous avons pris beaucoup de photos et les avons montrées à un taxonomiste expert de la tarentule qui a dit : « On dirait que vous avez peut-être une nouvelle espèce. De toute façon vous pouvez collecter des mâles et des femelles ? »

Qu'est-ce qui s'est passé ensuite?

J'ai dû rentrer. Cette fois, c'était juste moi avec une longue paire de pinces, atteignant les trous. J'essayais de pêcher les tarentules très soigneusement et je m'évanouissais presque à cause de la surcharge d'adrénaline.

Les plus gros spécimens, notre équipe de chevaux a aidé à les collecter. Nous avons déposé les nouveaux spécimens à Lima et avons demandé qu'ils soient envoyés pour évaluation taxonomique. Environ 10 ans plus tard, ils ont finalement été analysés et les résultats publiés. Parfois, cela prend beaucoup de temps, mais la science sort.

Où espérez-vous mener vos prochaines recherches ? Des endroits de rêve ?

J'aimerais faire plus de travail dans l'Himalaya. J'adore les environnements de haute montagne. Mettez-moi dans un et je suis heureux. J'adore sauter de rocher en rocher, retourner des choses, chercher des bestioles. Ma chose préférée à faire est de retourner les rochers et de voir ce qu'il y a en dessous.

Dans vos temps libres, vous avez photographié et étudié de violentes tempêtes. Parlez-nous de cela.

C'est mon passe-temps. Mon mari, Anton Séimon, est le responsable scientifique d'une équipe de recherche sur les tornades. Il est impliqué dans la recherche sur les tornades depuis trois décennies, et je chasse les tempêtes avec lui depuis notre rencontre, donc depuis 20 ans.

Chaque année entre mai et juin, nous emballons notre van et notre chien de chasse Chase, et nous sortons sur les Grandes Plaines pour suivre de violentes tempêtes. Nous ciblons généralement les tempêtes dans les zones où il y aura probablement très peu de destruction, où nous pouvons avoir une vue ininterrompue de ces tempêtes. Mais même si nous ne voyons pas d'orages, je suis parfaitement heureux de photographier la faune et les fleurs sauvages. S'immerger dans la nature, comme quand je sors sur le terrain, est ce que je préfère faire.