Nyomon követi azoknak a megfoghatatlan fajoknak a DNS-ét, amelyek zord helyeken rejtőznek

Tracie Seimon korán felfedezte a természet iránti szenvedélyét. Gyermekként Coloradóban nőtt fel, nagyon szeretett „rovarokat begyűjteni” a családi kertjében, és hobbi hangyafarmot tartott. Amikor a televízióban látta, hogy fákat vágnak ki, összezavarodott. Ő és apja az éjszakai eget tanulmányozták egy távcsövön keresztül, amíg kíváncsisága arra késztette, hogy szétszerelje a távcsövet, hogy rájöjjön, hogyan működik. Soha nem tudta visszaszerelni. Amikor a szülei később mikroszkópot ajándékoztak neki, utasították, hogy hagyja érintetlenül.

„Mindent megnéztem alatta” – mondta.

2007-ben, amikor Seimon a Columbia Egyetem fiatal tanára volt, és karriert választott, úgy érezte, két ellentétes irányba húzzák. Elfogadhatott volna egy oktatói állásajánlatot, hogy folytassa a szív- és érrendszeri betegségekkel kapcsolatos orvosi kutatásait. De ehelyett részmunkaidős munkát vállalt, hogy segítsen kifejleszteni egy molekuláris laboratóriumot a Wildlife Conservation Society (WCS) számára. Ez végül egyedi ajánlattá formálódott, hogy segítsenek elindítani egy új laboratóriumot a Bronxi Állatkertben, a WCS és a Columbia Egyetem fertőzési és immunitási központjának közös kutatójaként. „Kórokozók felfedezésén tanultam”, miközben „lassan próbáltam felépíteni” az új laboratóriumot – mondta.

Ma Seimon a WCS Bronxi Állatkertben található Molekuláris Diagnosztikai Laboratóriumának igazgatója. Úttörő szerepet játszott a DNS-alapú technológiák alkalmazásában a vadon élő fajok kimutatására és megfigyelésére, különösen kihívásokkal teli környezetben. Biodiverzitás-kutatásai során Peruba, Mianmarba, Vietnamba, Kambodzsába, Oroszországba, Ugandába és Ruandába került.

Seimon még a Mount Everestre is feljutott, vezetve az első átfogó környezeti DNS-t (eDNS) készítő csapatot. biológiai sokféleség felmérése ott. Ez a kutatás része volt a 2019 National Geographic és a Rolex Perpetual Planet Everest Expedíció, a valaha volt legátfogóbb tudományos expedíció azon a hegyen.

Mielőtt Seimon terepmunkája a Mount Everestre vitte, sokszor elutazott a perui Andokban. Fókuszában a Cordillera Vilcanota gleccseres hegység Sibinacocha vízválasztója áll. Közel 20 éve vezet egy kezdeményezést, amely az éghajlatváltozás és a chytrid gomba hatásait vizsgálja.Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) az adott élőhelyen élő kétéltűeken.

Quanta Videokonferencia keretében beszélt Seimonnal globális kutatási útjairól. Az interjút az egyértelműség kedvéért sűrítettük és szerkesztettük.

Meséljen a bronxi állatkertben lévő laboratóriumáról.

A laborunk kicsi. Az általunk végzett napi diagnosztikai eljárások többsége a WCS négy állatkertjében és a New York-i akváriumban található gyűjteményünkben található állatokon végzett kórokozók kimutatása. Vannak olyan kutatási projektjeink is, amelyek során molekuláris eszközök kifejlesztésében segítünk a konzerváláshoz, olyan típusú DNS-tanulmányozási eszközökhöz, amelyeket szó szerint bedobhatunk a hátizsákba, és bevihetünk a terepre. Kifejlesztettünk például hordozható kutyapír vírustesztet és eDNS-tesztet a veszélyeztetett fajok számára. Számos országban, ahol dolgozunk, terepkutatókat képezünk ki a hordozható DNS-teszt elvégzésére.

Hogyan került kapcsolatba az eDNA-kutatással?

Kollégáink még 2015-ben megkérdezték, hogy alkalmazhatnánk-e a technológiát egy ritka, veszélyeztetett faj, a Jangce óriás lágyhéjú teknős tesztelésére.Rafetus swinhoei). Sok időt töltöttünk azzal, hogy a bronxi állatkert tavaihoz jártunk, vizet gyűjtöttünk, teszteltük, hogy milyen fajok vannak ott, és megvizsgáltuk, hogy egyáltalán végezhetünk-e eDNS-tesztet.

Amikor először elkezdtem, szinte sci-fi-nek tűnt. "Igazán? Ezt a sok fajt csak a vízből tudjuk kimutatni?

Hogyan került kapcsolatba az eDNS tanulmányozásával a Mount Everesten az Örök bolygó expedícióhoz?

Paul Mayewski, a Maine Egyetem nagyra becsült klímakutatója és glaciológusa tudományos expedíciót állított össze a Mount Everestre, és meghívott. Azt kérdezte tőlem: „Miért nem állítasz össze néhány ötletet arról, hogy mit szeretnél ott csinálni?” A gondolatom a következő volt: „Ha meg akarjuk találni, mi az élet a legmagasabb tengerszint feletti magasságban, használhatjuk-e az eDNS-t a Mount Everest biológiai sokféleségének felmérésére?”

Akkoriban senki sem tudott sokat a biológiai sokféleségről, mert nagyon nehéz ilyen magasan dolgozni. A levegő vékony. Nagyon hamar elfáradsz. Amikor viharok dúlnak, néha GPS-szel kell visszajutnod a sátorhoz a teljes kimerülési viszonyok miatt.

Érdekelt, hogy az eDNA lehetne-e sokkal egyszerűbb módszer. Vízmintákat gyűjthetünk, a helyszínen szűrhetjük, visszahozhatjuk a szűrőket a befogott DNS-sel a laborba, majd a DNS segítségével felmérhetjük, mi van ott.

Szóval elmentél az Everestre, és így gyűjtöttél mintákat. Később hogyan elemezte azokat a DNS-mintákat?

Az adatokat két különböző technikával bontottuk le, a teljes genom sörétes szekvenálást és a metabarkódolást. Ezután négy különböző bioinformatikai pipeline segítségével elemeztük az adatokat, és meghatároztuk, mely organizmusokat észleltünk.

Most, hogy megcsináltuk az Everestnél, szívesen visszamennék, és megtenném Peruban.

Mik voltak a legfontosabb észrevételei a Mount Everestről gyűjtött eDNS-sel kapcsolatban?

Hihetetlen mennyiségű biológiai sokféleség van odafent. 187 taxonómiai rendet találtunk az élet fájából: vírusok, baktériumok, gombák, növények és állatok. Ezen az egy 4,500 méter feletti hegyen az összes ismert taxonómiai rend közel hatoda található. Az ezen a magasságon lévő domborzat a globális szárazföldi tömegnek csak 3%-át teszi ki.

Remélhetőleg, ahogy egyre többen gyűjtenek DNS-adatokat, újra tudjuk elemezni a szekvenciákat, és az azonosításokat a nemzetség és a faj szintjére tudjuk csökkenteni. Az adatok egy részét már meg tudtuk tenni, ami nagyszerű volt. Például a scat minták DNS-éből megtaláltuk az első bizonyítékot arra, hogy Pallas macskája (Otocolobus manul), egy ritka vadmacskafaj, Kelet-Nepálban él. Ez izgalmas volt. Jelenleg azonban csak nagyon kevés referenciaszekvenciával lehet összehasonlítani az adatokat az Everestről, és ez az, amire szüksége van valami azonosításához.

Voltak-e egyéb korlátai a vizsgálatnak?

Biztos. Tanulmányunk csak egy pillanatkép a sokszínűségről 2019 áprilisában és májusában. Erre az ablakra korlátozódtunk, mert az expedíció, amelynek részesei voltunk, olyan projekteket tartalmazott, amelyek a hegymászási szezonhoz kötöttek, és amikor a serpák felállíthatták a kötelek az emberek biztonságos fel- és visszajutásához.

A mintavételünk is korlátozott volt, mert abban az évben nagyon későn jött a tavaszi olvadás. A korábbi évek műholdfelvételei alapján arra számítottunk, hogy a Mount Everest tavai teljesen felolvadnak, amikor odaérünk, de ezek közül több még mindig befagyott. Be kellett törnünk a jégbe, hogy mintát vegyünk az alatta lévő vízből.

Ha pár hónappal eltoltuk volna a gyűjteményt, gyűjthettünk volna még több DNS-t, és a biológiai sokféleség még magasabb lenne? Talán, de nem volt annyi luxusunk, hogy várjunk. Ennek ellenére elképesztő, hogy mennyi adatot gyűjtöttünk ki onnan ezalatt az idő alatt.

Csodálatos lenne megnézni, hogyan változik a környezet szezonálisan egy év során, majd ötévente visszamenni megnézni, hogyan változik az idő múlásával. Az általunk azonosított élőlények egy része indikátorfajként szolgál az éghajlatváltozáshoz és más környezeti stresszekhez.

Miért fontos a biológiai vizsgálatokat olyan helyeken elvégezni, mint a Himalája? Ezek a szélsőséges környezetek a világ viszonylag kis részét képezik. Miért nem elég csak az eDNS-t könnyebben elérhető helyekről gyűjteni?

Két célt tűztünk ki magunk elé, hogy feljussunk. Először is olyan kérdésekre szerettünk volna választ adni: Mi a legmagasabban fekvő élet? Milyen fajok élnek ott? Milyen élőlények képesek elviselni az úgynevezett extrém környezeteket?

Ezt csak biológiai szempontból fontos tudni. Például néhány élőlény, amelyet ott találtunk, tardigrádok és rotiferek. Ezek az élőlények szinte bárhol élhetnek, beleértve a nagyon kemény és szélsőséges környezeteket is. A tardigrádok még az űr vákuumát is túlélik.

Másodszor, a magashegyi környezetek olyan helyek, ahol sokkal gyorsabban lehet változásokat keresni, mint lejjebb. Általában a szélsőséges környezetek kis zavarásai nagy változásokat kényszeríthetnek ki azon tartományokban vagy területeken, amelyeket ezek az organizmusok elfoglalhatnak. Meg akartuk érteni a változások következményeit.

Remek példa erre, amit a Cordillera Vilcanota hegyeiben tanultunk Peru déli részén, a Sibinacocha-tó közelében. Néhány évtizeden át tartó tanulmányok során azt találtuk, hogy a kétéltűek kiterjesztették elterjedésüket a közelmúltban eljegesedett területekre. A visszahúzódó gleccserek mögött új tavak alakultak ki. Ez új élőhelyeket nyitott meg, ahová a fajok felfelé vándorolhatnak és elfoglalhatják.

De ez nem csak a kétéltűekre vonatkozik. Azt látjuk, hogy rovarok, növények és más élőlények is beköltöznek ezekre a tóterületekre. A hegyvidéki területeken az egész bioszféra emelkedik az éghajlatváltozás hatására, amint azt a perui Andokban dokumentáltuk.

Felmerül a kérdés is: meg tudjuk-e mérni, milyen gyorsan mennek végbe ezek a gazdag változások? Azt tapasztaljuk, hogy a kétéltűek sokat mozognak az élőhelyek elérhetősége alapján. Amikor kialakul egy tó, beköltöznek bele, de végül már nem a gleccser táplálja. Ahogy kiszárad, a kétéltűek a következő tóhoz költöznek. Ez egy nagyon dinamikus, gyorsan változó környezet.

Az Everest-tanulmány nagyszerű módja annak, hogy alapadatokat állítsunk fel e változások dokumentálásához. Mivel az ottani fajok zord környezetben élnek, hajlamosabbak viselkedésük megváltoztatására.

Az eDNA hasznos eszköz kevésbé extrém környezetben?

Soha nem gondolok az eDNA-ra, mint elsődleges eszközre. Az eDNS-t a biodiverzitás megfigyelésének egyéb módszereivel együtt kell használni. Ezután holisztikusabban és kontextusban tekinthetjük az eDNS adatokat.

Például scat mintákat gyűjtöttem, és vizuális találkozási felméréseket végeztünk, miközben a Mount Everesten voltunk. Hópárducnyomokat találtunk a frissen hullott hóban odafent, de hópárducot nem találtunk az eDNS-mintánkban. Ez valami hiányzott nekünk.

Az eDNA-val az a helyzet, hogy bár hihetetlenül informatív lehet sok mindenről, ami egy környezetben van, nem zárhatja ki, hogy mi nem szerepel az adataiban. Mert mindig korlátozza az észlelés érzékenysége.

Tegyük fel, hogy 20 vízmintát veszünk egy tóból, és csak egy minta lesz pozitív teknősnél. Ha csak 10 mintát vettünk volna, lehet, hogy kihagytuk volna a teknősöket. Tehát az eDNA esetében az adatok értelmezésének mindig a mintavételi stratégián kell alapulnia. Amikor az eDNS-t valamihez, például biomonitorozáshoz alkalmazza az idő múlásával bekövetkező változások miatt, jó, ha először ismeri rendszere ökológiáját, és csak azután tartsa szem előtt az összes figyelmeztetést.

Mik ezek a figyelmeztetések?

Csak azért, mert DNS-t észlel, nem feltétlenül jelenti azt, hogy élő szervezetből gyűjti össze. Lehet, hogy egy elhalt szervezettől származik, amely eDNS-t ont. Ha felkavar egy víztömeg fenekét, akkor talán az ősi DNS-t kavarja fel. Tényleg át kell gondolnia, hogy milyen kérdésekre szeretne választ adni, és hogy az eDNA válaszol-e ezekre.

Emlékezned kell arra is, hogy az eDNS milyen gyorsan bomlik le, a hőmérséklettől vagy az ultraibolya fényviszonyoktól függően. Nagyon sok dolog csökkentheti az eDNS felezési idejét, és mindegyiket figyelembe kell vennie, amikor egy tanulmányt tervez. Elég bonyolult lehet.

A biológiai sokféleségre vonatkozó tanulmányain kívül eDNS-t is használ a fajok azonosítására a vadon élő állatok kereskedelmében.

Igen. Az egyik projektünk egy olyan DNS-teszt kifejlesztése volt, amely képes azonosítani az illegális csontkereskedelemben forgalmazott összes nagymacskafajt. A tigris minden részét a vadkereskedelemben hasznosítják. Olyan tesztet akartunk kidolgozni, amely jobb előszűrést tesz lehetővé az elkobzási pontokon vagy az országok belépési pontjain. Egy nagyon könnyen használható eszköz, amellyel egy hordozható labort és képernyőt hozhat létre az emberek poggyászán vagy csomagjain keresztül esetlegesen bekerülő csontok számára. Valami olyasmit, amiből gyorsan kiderülhet, hogy egy minta nagymacskafajból származik-e, és ezért szabályozható lenne, hogy aztán megerősítő igazságügyi szakértői vizsgálatra küldjék.

A kísérleti verziót Kínában és itt az Egyesült Államokban próbálják ki, az ötlet az, hogy átvilágítási eszközként használják, amely segíthet a bűnüldöző szerveknek az illegális kereskedelem visszaszorításában.

Ön egy hosszú távú megfigyelési kezdeményezést vezetett Peruban, amelynek középpontjában a kétéltű chytrid gomba áll, amelyről úgy tekintenek, mint amely elpusztítja számos kétéltű populációt szerte a világon. Hogyan hat ez a gomba a kétéltűekre?

A gomba a veszélyeztetett fajok bőrét támadja meg. A fertőzött békában ezután hyperkeratosis alakul ki, a bőr keratinrétegének megvastagodása, amely gátolja a víz és az oxigén felszívódását. Így az elektrolitjai veszélyesen felborulnak, és leválik a bőrről. A békák végül szívleállásba kerülnek.

Bizonyos fajok számára pusztító lehet, de mások sokkal ellenállóbbnak tűnnek vele szemben. Nagyon sok összetett kérdés merül fel a különböző gombatörzsek patogenitásával kapcsolatban. Ez egy nagy terep.

Vizsgáltuk, hogy mely békák fertőződnek meg chytrid gombával, majd miközben foglalkoznak vele, hogyan alkalmazkodnak a felmelegedő éghajlat hatásaihoz.

Mit találtál?

Meg tudtuk mutatni, hogy ahogy a békák felfelé haladnak és kiterjesztik elterjedésüket, magukkal hozzák a gombát. Néhány béka, amelyet a hágó tetején, 5,300 méteres magasságban találtunk, chytrid-pozitív volt. Amikor mi, kutatók a terepre megyünk, sok óvintézkedést teszünk, hogy csizmánkat alkohollal permetezzük be, hogy ne terjedjen el a gomba.

Az Andokban egy faj, a márványos vízibéka eltűnését láttuk, Telmatobius marmoratus. 2005 után a lakosság összeomlott. Nem találtuk őket egyik oldalon sem, amelyről évekig mintát vettünk. 2013-ra azonban úgy tűnt, hogy visszatérnek. Egyre ellenállóbbak a gombával szemben. Remélhetőleg elég jól teljesítenek majd, miközben folyamatosan alkalmazkodnak a gyorsan változó környezethez.

Van kedvenc helyszíne terepmunkának?

A kedvencem mindig a perui Sibinacocha-tó lesz. Flamingók repülnek a gleccserek felett, és andoki kolibri repkednek körülötted. Békák és vikunya. Egyszerűen elképesztően szép, és hihetetlenül biodiverzitású egy ilyen magashegyi környezethez.

Hogyan fedezett fel két új tarantulafajt?

Tudom, meglepő, mert arachnofób vagyok!

Miközben Peruban békákat keresve ugráltunk a sziklákon, megpillantottam egy lyukból kilógó kis homályos trógert. ránéztem Bronwen Konecky, egy akkori diák és munkatársam, akivel együtt dolgoztam, és azt kérdezte: „El tudod fogni?” Csinált.

Sok fényképet készítettünk, és megmutattuk őket egy szakértő tarantula taxonómusnak, aki azt mondta: „Úgy tűnik, új fajod van. Összegyűjthetsz valamilyen hímet és nőstényt?

Aztán mi történt?

vissza kellett mennem. Akkoriban csak én voltam egy hosszú fogóval, és belenyúltam a lyukakba. Megpróbálnám nagyon óvatosan kihalászni a tarantulákat, és majdnem elájulnék az adrenalin túlterheléstől.

A nagyobb példányok begyűjtésében lovas csapatunk segített. Az új példányokat Limában helyeztük letétbe, és kértük azok kiküldését rendszertani értékelésre. Körülbelül 10 évvel később végül elemezték és közzétették az eredményeket. Néha sokáig tart, de a tudomány kijön.

Hol kíván legközelebb kutatást végezni? Van valami álomhelyszín?

Szeretnék még többet dolgozni a Himalájában. Egyszerűen imádom a magashegyi környezetet. Tegyél egyet, és boldog vagyok. Szeretek szikláról sziklára ugrálni, megfordítani a dolgokat, lényeket keresni. A kedvenc dolgom a köveket felforgatni, és megnézni, mi van alattuk.

Szabadidődben heves viharokat fotóztál és tanulmányoztál. Mesélj nekünk erről.

ez a hobbim. A férjem, Anton Seimon, egy tornádókutató csapat tudományos vezetője. Három évtizede vesz részt a tornádókutatásban, én pedig találkozásunk óta, tehát 20 éve vihart kergettem vele.

Minden évben május és június között összepakoljuk furgonunkat és Chase vadászkutyánkat, és kimegyünk az Alföldre a heves viharokat követni. Általában azokat a területeket célozzuk meg a viharokkal, ahol valószínűleg nagyon kevés pusztítás várható, és ahol zavartalanul láthatjuk ezeket a viharokat. De ha viharokat nem is látunk, tökéletesen szívesen fotózom a vadon élő állatokat és a vadvirágokat. A természetben való elmerülés, például amikor kimegyek a mezőre, a kedvenc elfoglaltságom.