Dia Melacak DNA Spesies Elusif yang Bersembunyi di Tempat Keras

Tracie Seimon menemukan kecintaannya pada alam sejak dini. Sebagai seorang anak yang tumbuh di Colorado, dia menikmati "memanen serangga" dari halaman belakang keluarganya dan memelihara peternakan semut hobi. Ketika dia melihat pohon ditebang di televisi, dia akan bingung. Dia dan ayahnya dulu mempelajari langit malam melalui teleskop sampai rasa ingin tahunya mendorongnya untuk membongkar teleskop untuk mengetahui cara kerjanya. Dia tidak pernah bisa menyatukannya kembali. Ketika orang tuanya kemudian memberinya hadiah berupa mikroskop, dia diperintahkan untuk membiarkannya tetap utuh.

"Saya melihat semua yang ada di bawahnya," katanya.

Pada tahun 2007, ketika Seimon masih menjadi staf pengajar junior di Universitas Columbia dan memilih jalur karier, dia merasa dirinya ditarik ke dua arah yang berlawanan. Dia bisa saja menerima tawaran untuk posisi fakultas jalur tetap untuk melanjutkan penelitian medisnya tentang penyakit kardiovaskular. Namun dia malah mengambil pekerjaan paruh waktu untuk membantu mengembangkan laboratorium molekuler untuk Wildlife Conservation Society (WCS). Itu akhirnya berubah menjadi tawaran unik untuk membantu meluncurkan laboratorium baru di Kebun Binatang Bronx sebagai rekan penelitian bersama untuk WCS dan Pusat Infeksi dan Kekebalan Universitas Columbia. “Saya sedang berlatih dalam penemuan patogen” sambil juga “perlahan mencoba membangun” laboratorium baru, katanya.

Hari ini, seimon adalah direktur Laboratorium Diagnostik Molekuler WCS yang berbasis di Kebun Binatang Bronx. Dia telah memelopori penggunaan teknologi berbasis DNA untuk mendeteksi dan memantau spesies di alam liar, khususnya di lingkungan yang menantang. Penelitian keanekaragaman hayati telah membawanya ke Peru, Myanmar, Vietnam, Kamboja, Rusia, Uganda, dan Rwanda.

Seimon bahkan telah naik ke Gunung Everest, memimpin tim yang melakukan DNA lingkungan komprehensif pertama (eDNA) survei keanekaragaman hayati di sana. Penelitian itu adalah bagian dari tahun 2019 Nasional geografis dan Rolex Ekspedisi Everest Planet Abadi, ekspedisi ilmiah terlengkap yang pernah dilakukan di gunung itu.

Sebelum kerja lapangan Seimon membawanya ke Gunung Everest, dia berkali-kali melakukan perjalanan ke Peruvian Andes. Fokusnya adalah daerah aliran sungai Sibinacocha di pegunungan gletser Cordillera Vilcanota. Selama hampir 20 tahun, dia telah memimpin inisiatif menyelidiki efek perubahan iklim dan jamur chytrid (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) pada amfibi yang hidup di habitat tersebut.

Quanta berbicara dengan Seimon melalui konferensi video tentang perjalanan penelitian globalnya. Wawancara telah diringkas dan diedit untuk kejelasan.

Ceritakan tentang laboratorium Anda di Kebun Binatang Bronx.

Lab kami kecil. Sebagian besar diagnostik harian yang kami jalankan adalah pengujian patogen pada hewan dalam koleksi kami di empat kebun binatang WCS dan Akuarium New York. Kami juga memiliki proyek penelitian di mana kami membantu mengembangkan alat molekuler untuk konservasi, jenis alat untuk mempelajari DNA yang dapat Anda masukkan ke dalam ransel dan dibawa ke lapangan. Misalnya, kami telah mengembangkan pengujian virus distemper anjing portabel dan pengujian eDNA untuk spesies yang terancam punah. Dan kami melatih peneliti lapangan di banyak negara tempat kami bekerja tentang cara melakukan tes DNA portabel ini.

Bagaimana Anda terlibat dalam penelitian eDNA?

Kembali pada tahun 2015, kolega kami bertanya apakah kami dapat menerapkan teknologi untuk menguji spesies langka yang terancam punah: kura-kura tempurung lunak raksasa Yangtze (Rafetus swinhoei). Kami menghabiskan banyak waktu pergi ke kolam Kebun Binatang Bronx kami, mengumpulkan air, menguji untuk melihat spesies apa yang ada di sana, dan melihat apakah kami dapat melakukan pengujian eDNA sama sekali.

Ketika saya pertama kali memulai, ini hampir seperti fiksi ilmiah. "Benar-benar? Kita dapat mendeteksi spesies sebanyak ini hanya dari air?”

Bagaimana Anda terlibat dalam mempelajari eDNA di Gunung Everest untuk ekspedisi Planet Abadi?

Paul Mayewski, seorang peneliti iklim dan ahli glasiologi yang sangat dihormati di University of Maine, mengadakan ekspedisi sains ke Gunung Everest, dan dia mengundang saya. Dia bertanya kepada saya, "Mengapa Anda tidak mengumpulkan beberapa ide tentang apa yang ingin Anda lakukan di sana?" Pemikiran saya adalah, “Jika kita ingin mengetahui seperti apa kehidupan di ketinggian tertinggi, dapatkah kita menggunakan eDNA untuk menilai keanekaragaman hayati Gunung Everest?”

Tidak ada yang tahu banyak tentang keanekaragaman hayati pada saat itu karena sangat sulit untuk bekerja di ketinggian tersebut. Udara tipis. Anda cepat lelah. Saat badai bertiup, terkadang Anda harus menggunakan GPS untuk kembali ke tenda karena kondisi pemadaman total.

Saya tertarik untuk melihat apakah eDNA bisa menjadi cara yang jauh lebih mudah. Kami dapat mengumpulkan sampel air, menyaringnya di tempat, membawa penyaring itu dengan DNA yang ditangkap kembali ke lab, dan kemudian menggunakan DNA untuk menilai apa yang ada di sana.

Jadi Anda pergi ke Everest dan mengumpulkan sampel dengan cara itu. Nanti, bagaimana Anda menganalisis sampel DNA tersebut?

Kami memecah data menggunakan dua teknik berbeda, pengurutan senapan seluruh genom dan metabarcoding. Kemudian kami menggunakan empat pipa bioinformatika yang berbeda untuk menganalisis data dan menentukan organisme mana yang telah kami deteksi.

Sekarang setelah kami melakukannya di Everest, saya ingin sekali kembali dan melakukannya di Peru.

Apa kesimpulan utama Anda tentang eDNA yang Anda kumpulkan di Gunung Everest?

Ada keanekaragaman hayati yang luar biasa di atas sana. Kami dapat menemukan 187 urutan taksonomi dari seluruh pohon kehidupan: virus, bakteri, jamur, tanaman, dan hewan. Hampir seperenam dari semua ordo taksonomi yang diketahui dapat ditemukan di satu gunung di atas 4,500 meter ini. Medan pada ketinggian tersebut dan di atasnya hanya mencakup 3% dari daratan global.

Mudah-mudahan, karena lebih banyak orang mengumpulkan data DNA, kami akan dapat menganalisis ulang urutan dan mendapatkan identifikasi lebih ke tingkat genus dan spesies. Beberapa data kami sudah dapat melakukannya, dan itu bagus. Misalnya, dari DNA sampel kotoran, kami menemukan bukti pertama bahwa kucing Pallas (Otocolobus manul), spesies kucing liar langka, hidup di Nepal timur. Itu menyenangkan. Namun saat ini, hanya ada sedikit urutan referensi dari Everest untuk membandingkan data, dan itulah yang Anda perlukan untuk mengidentifikasi sesuatu.

Apakah ada keterbatasan lain untuk penelitian ini?

Tentu. Studi kami hanyalah salah satu cuplikan dari keanekaragaman selama beberapa minggu di bulan April dan Mei 2019. Kami terbatas pada jendela itu karena ekspedisi yang kami ikuti termasuk proyek yang terkait dengan musim pendakian dan ketika para Sherpa dapat memasang tali untuk membuat orang naik dan kembali dengan aman.

Pengambilan sampel kami juga terbatas karena pencairan musim semi datang sangat terlambat tahun itu. Dari citra satelit pada tahun-tahun sebelumnya, kami memperkirakan bahwa danau di Gunung Everest akan mencair sepenuhnya saat kami tiba di sana, tetapi beberapa di antaranya masih membeku. Kami harus meretas es untuk mengambil sampel air dari bawahnya.

Jika kami menggeser koleksinya beberapa bulan, dapatkah kami mengumpulkan lebih banyak DNA, dan apakah keanekaragaman hayati akan menjadi lebih tinggi? Mungkin, tapi kami tidak punya kemewahan untuk menunggu. Tetap saja, jumlah data yang kami tarik dari sana pada waktu itu sangat mencengangkan.

Sungguh menakjubkan melihat bagaimana lingkungan berubah secara musiman sepanjang tahun, dan kemudian kembali setiap lima tahun untuk melihat bagaimana hal itu berubah seiring waktu. Beberapa organisme yang kami identifikasi berfungsi sebagai spesies indikator untuk perubahan iklim dan tekanan lingkungan lainnya.

Mengapa penting untuk melakukan bioassay di tempat-tempat seperti Himalaya? Lingkungan ekstrem ini adalah bagian dunia yang relatif kecil. Mengapa tidak cukup hanya mengumpulkan eDNA dari tempat yang lebih mudah diakses?

Kami memiliki dua tujuan dalam pikiran untuk naik ke sana. Pertama, kami ingin menjawab pertanyaan seperti: Apa itu kehidupan di ketinggian tertinggi? Spesies apa yang hidup di sana? Organisme apa yang dapat mentolerir apa yang kita sebut lingkungan ekstrim?

Itu penting untuk diketahui hanya dari perspektif biologis. Contohnya, beberapa organisme yang kami temukan di sana adalah tardigrades dan rotifera. Organisme tersebut dapat hidup hampir di mana saja, termasuk lingkungan yang sangat keras dan ekstrem. Tardigrades bahkan bisa bertahan hidup di ruang hampa.

Kedua, lingkungan pegunungan tinggi adalah tempat di mana Anda dapat mencari perubahan yang terjadi dengan kecepatan yang jauh lebih cepat daripada yang terjadi di bawah. Biasanya, gangguan kecil dari lingkungan ekstrem di atas sana dapat menyebabkan perubahan besar pada rentang atau wilayah yang dapat ditempati oleh organisme ini. Kami ingin memahami konsekuensi dari perubahan tersebut.

Contoh yang bagus adalah apa yang telah kami pelajari di pegunungan Cordillera Vilcanota di Peru selatan dekat Danau Sibinacocha. Melalui penelitian selama beberapa dekade, kami menemukan bahwa amfibi telah memperluas jangkauan mereka ke medan yang baru-baru ini mengalami degradasi. Kolam baru telah terbentuk di belakang gletser yang surut. Itu membuka habitat baru tempat spesies tersebut dapat bermigrasi ke atas dan menempatinya.

Tapi itu bukan hanya amfibi. Kami melihat serangga, tumbuhan, dan organisme lain juga pindah ke area kolam tersebut. Di daerah pegunungan, seluruh biosfer meningkat sebagai respons terhadap perubahan iklim, seperti yang telah kami dokumentasikan di Andes Peru.

Pertanyaannya juga menjadi: Bisakah kita mengukur seberapa cepat tingkat perubahan yang kaya ini terjadi? Kami menemukan bahwa amfibi banyak bergerak berdasarkan ketersediaan habitat. Ketika sebuah kolam terbentuk, mereka akan pindah ke dalamnya, tapi akhirnya tidak lagi diberi makan oleh gletser. Saat mengering, amfibi pindah ke kolam berikutnya. Ini adalah lingkungan yang sangat dinamis dan cepat berubah.

Studi Everest adalah cara yang bagus untuk membangun data dasar untuk mendokumentasikan perubahan ini. Karena spesies di sana hidup di lingkungan yang keras, mereka lebih cenderung mengubah perilakunya.

Apakah eDNA sebagai alat yang berguna di lingkungan yang tidak terlalu ekstrem?

Saya tidak pernah menganggap eDNA sebagai alat utama. eDNA harus digunakan dalam kombinasi dengan cara pemantauan keanekaragaman hayati lainnya. Kemudian kita dapat melihat data eDNA secara lebih holistik dan dalam konteks.

Misalnya, saya mengumpulkan sampel kotoran, dan kami melakukan survei pertemuan visual saat berada di Gunung Everest. Kami menemukan jejak macan tutul salju di salju yang baru turun di atas sana, tetapi kami tidak mendapatkan macan tutul salju dalam sampel eDNA kami. Itu adalah sesuatu yang kami lewatkan.

Masalahnya dengan eDNA adalah bahwa meskipun bisa sangat informatif tentang banyak hal yang ada di suatu lingkungan, Anda tidak dapat mengesampingkan apa yang tidak ada dalam data Anda. Karena Anda selalu dibatasi oleh sensitivitas pendeteksian Anda.

Katakanlah kita mengambil 20 sampel air dari sebuah danau, dan hanya satu sampel yang positif kura-kura. Jika kami hanya mengambil 10 sampel, kami mungkin melewatkan kura-kura di sana. Jadi dengan eDNA, interpretasi Anda terhadap data harus selalu didasarkan pada strategi pengambilan sampel. Saat Anda menerapkan eDNA ke sesuatu seperti biomonitoring untuk perubahan dari waktu ke waktu, ada baiknya untuk mengetahui ekologi sistem Anda terlebih dahulu dan kemudian mengingat semua peringatannya.

Apa saja peringatan itu?

Hanya karena Anda mendeteksi DNA tidak berarti Anda mengumpulkannya dari organisme hidup. Itu bisa dari organisme mati yang melepaskan eDNA. Jika Anda mengaduk dasar perairan, mungkin Anda mengaduk DNA purba. Anda benar-benar harus memikirkan pertanyaan yang ingin Anda jawab dan apakah eDNA akan menjawabnya.

Anda juga harus mengingat seberapa cepat eDNA terdegradasi, bergantung pada suhu atau kondisi sinar ultraviolet. Begitu banyak hal yang dapat mengurangi waktu paruh eDNA Anda, dan Anda harus mempertimbangkan semuanya saat merancang penelitian. Ini bisa sangat rumit.

Selain studi keanekaragaman hayati, Anda juga menggunakan eDNA untuk mengidentifikasi spesies dalam perdagangan satwa liar.

Ya. Salah satu proyek kami adalah mengembangkan tes DNA yang dapat mengidentifikasi semua spesies kucing besar yang diperdagangkan dalam perdagangan tulang ilegal. Semua bagian tubuh harimau dimanfaatkan dalam perdagangan satwa liar. Kami ingin mengembangkan tes yang memungkinkan penyaringan awal yang lebih baik di titik penyitaan atau titik masuk ke negara. Alat yang akan sangat mudah digunakan, sehingga Anda dapat menyiapkan lab portabel dan menyaring tulang yang mungkin masuk melalui koper atau paket orang. Sesuatu yang dapat dengan cepat melihat apakah sampel berasal dari spesies kucing besar, dan karenanya dapat diatur, sehingga dapat dikirim untuk pengujian forensik konfirmasi.

Versi percontohan sedang dicoba di Cina dan di sini di AS Idenya adalah untuk menggunakannya sebagai alat penyaringan yang dapat membantu penegak hukum menindak perdagangan ilegal.

Anda memimpin inisiatif pemantauan jangka panjang di Peru yang berfokus pada jamur chytrid amfibi, yang dianggap menghancurkan banyak populasi amfibi di seluruh dunia. Bagaimana jamur itu mempengaruhi amfibi?

Jamur menyerang kulit spesies yang rentan. Katak yang terinfeksi kemudian mengembangkan hiperkeratosis, penebalan lapisan keratin kulit yang menghambat penyerapan air dan oksigen. Jadi elektrolitnya menjadi sangat tidak seimbang dan kulitnya terkelupas. Katak akhirnya mengalami henti jantung.

Ini bisa menghancurkan spesies tertentu, tetapi yang lain tampaknya jauh lebih tahan terhadapnya. Ada banyak pertanyaan rumit tentang patogenisitas berbagai jenis jamur. Ini lapangan besar.

Kami telah mempelajari katak mana yang terinfeksi oleh jamur chytrid dan kemudian, saat mereka menanganinya, bagaimana mereka juga beradaptasi dengan efek iklim yang memanas.

Apa yang kamu temukan?

Kami telah dapat menunjukkan bahwa saat katak maju ke atas dan memperluas jangkauannya, mereka membawa serta jamur. Beberapa katak yang kami temukan di dekat puncak celah, pada ketinggian 5,300 meter, positif chytrid. Ketika kami para peneliti pergi ke lapangan, kami mengambil banyak tindakan pencegahan untuk menyemprot sepatu bot kami dengan alkohol sehingga kami tidak menyebarkan jamur ke mana-mana.

Di Andes, kami melihat hilangnya satu spesies, katak air marmer, Telmatobius marmoratus. Setelah 2005, populasinya jatuh. Kami tidak dapat menemukannya di salah satu situs yang kami sampel selama bertahun-tahun. Tetapi pada 2013, mereka tampaknya akan kembali. Mereka menjadi lebih tahan terhadap jamur. Ada harapan bahwa mereka akan melakukannya dengan baik karena mereka terus beradaptasi dengan lingkungan yang berubah dengan cepat di sana.

Apakah Anda memiliki tempat favorit untuk melakukan kerja lapangan?

Favorit saya adalah Danau Sibinacocha di Peru. Anda memiliki flamingo terbang di atas gletser dan burung kolibri Andean beterbangan di sekitar Anda. Katak dan vicuña. Ini luar biasa indah, dan sangat beragam untuk lingkungan pegunungan yang tinggi.

Bagaimana Anda menemukan dua spesies tarantula baru?

Mengejutkan, saya tahu, karena saya seorang arachnofobia!

Saat kami membalik-balik batu di Peru untuk mencari katak, saya melihat seekor gelandangan berbulu halus mencuat dari lubang. Aku menatap Bronwen Konecky, seorang siswa dan kolaborator yang bekerja dengan saya, dan berkata, "Bisakah Anda menangkapnya?" Dia melakukanya.

Kami mengambil banyak foto dan menunjukkannya kepada ahli taksonomi tarantula yang berkata, “Sepertinya Anda memiliki spesies baru. Bagaimana Anda bisa mengumpulkan beberapa pria dan wanita?

Apa yang terjadi selanjutnya?

Saya harus kembali. Saat itu, hanya saya dengan penjepit panjang, menjangkau ke dalam lubang. Saya akan mencoba memancing tarantula dengan sangat hati-hati dan hampir pingsan karena kelebihan adrenalin.

Spesimen yang lebih besar, tim kuda kami membantu mengumpulkan. Kami menyimpan spesimen baru di Lima dan meminta agar mereka dikirim untuk evaluasi taksonomi. Sekitar 10 tahun kemudian, mereka akhirnya dianalisis dan hasilnya dipublikasikan. Terkadang butuh waktu lama, tetapi sains memang keluar.

Di mana Anda berharap untuk melakukan penelitian selanjutnya? Ada lokasi impian?

Saya ingin melakukan lebih banyak pekerjaan di Himalaya. Saya suka lingkungan pegunungan tinggi. Masukkan aku ke dalam satu dan aku senang. Saya suka melompat dari batu ke batu, membalik barang, mencari makhluk. Hal favorit saya adalah membalik batu dan melihat apa yang ada di bawahnya.

Di waktu luang Anda, Anda telah memotret dan mempelajari badai yang parah. Beritahu kami tentang itu.

Itu hobi saya. Suami saya, Anton Semmon, adalah pemimpin ilmiah tim peneliti tornado. Dia telah terlibat dalam penelitian tornado selama tiga dekade, dan saya telah mengejarnya sejak kami bertemu, jadi selama 20 tahun.

Setiap tahun antara Mei dan Juni, kami mengemasi van kami dan Chase anjing pemburu kami, dan kami pergi ke Great Plains untuk mengikuti badai hebat. Biasanya kami menargetkan badai di area yang kemungkinan hanya akan mengalami sedikit kehancuran, tempat kami dapat melihat badai ini tanpa gangguan. Tetapi meskipun kita tidak melihat badai, saya sangat senang memotret satwa liar dan bunga liar. Membenamkan diri di alam, seperti ketika saya pergi ke lapangan, adalah hal favorit saya untuk dilakukan.