Rintraccia il DNA di specie sfuggenti che si nascondono in luoghi difficili

Tracie Seimon ha scoperto presto la sua passione per il mondo naturale. Da bambina cresciuta in Colorado, le piaceva "raccogliere insetti" dal cortile della sua famiglia e tenere un formicaio per hobby. Quando vedeva gli alberi abbattuti in televisione, rimaneva sconvolta. Lei e suo padre studiavano il cielo notturno attraverso un telescopio finché la sua curiosità non la spinse a smontare il telescopio per capire come funzionava. Non è mai riuscita a rimetterlo insieme. Quando in seguito i suoi genitori le regalarono un microscopio, le fu ordinato di lasciarlo intatto.

"Ho guardato tutto sotto", ha detto.

Nel 2007, quando Seimon era docente junior presso la Columbia University e ha scelto un percorso professionale, si è sentita trascinata in due direzioni opposte. Avrebbe potuto accettare un'offerta per un posto in cattedra per continuare la sua ricerca medica sulle malattie cardiovascolari. Ma invece ha accettato un lavoro part-time per aiutare a sviluppare un laboratorio molecolare per la Wildlife Conservation Society (WCS). Ciò alla fine si è trasformato in un'offerta unica per aiutare a lanciare un nuovo laboratorio allo zoo del Bronx come ricercatore congiunto per il WCS e il Center for Infection and Immunity della Columbia University. "Mi stavo allenando nella scoperta di agenti patogeni" mentre "cercavo lentamente di costruire" il nuovo laboratorio, ha detto.

Oggi, Seimon è il direttore del laboratorio di diagnostica molecolare del WCS con sede presso lo zoo del Bronx. Ha aperto la strada all'uso di tecnologie basate sul DNA per rilevare e monitorare le specie in natura, in particolare in ambienti difficili. La sua ricerca sulla biodiversità l'ha portata in Perù, Myanmar, Vietnam, Cambogia, Russia, Uganda e Ruanda.

Seimon è persino salito sul Monte Everest, guidando il team che ha realizzato il primo DNA ambientale completo (eDNA) indagine sulla biodiversità Là. Quella ricerca faceva parte del 2019 National Geographic e Rolex Spedizione Everest del Pianeta Perpetuo, la spedizione scientifica più completa mai condotta su quella montagna.

Prima che il lavoro sul campo di Seimon la portasse sul Monte Everest, ha viaggiato molte volte fino alle Ande peruviane. Il suo obiettivo è lo spartiacque Sibinacocha della catena montuosa ghiacciata della Cordillera Vilcanota. Per quasi 20 anni, ha condotto un'iniziativa per sondare gli effetti del cambiamento climatico e del fungo chytrid (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) sugli anfibi che vivono in quell'habitat.

Quanta ha parlato con Seimon in videoconferenza sui suoi viaggi di ricerca globali. L'intervista è stata condensata e modificata per chiarezza.

Parlami del tuo laboratorio allo zoo del Bronx.

Il nostro laboratorio è piccolo. La maggior parte della diagnostica quotidiana che eseguiamo sono test per agenti patogeni sugli animali della nostra collezione presso i quattro zoo della WCS e l'Acquario di New York. Abbiamo anche progetti di ricerca in cui stiamo aiutando a sviluppare strumenti molecolari per la conservazione, il tipo di strumenti per studiare il DNA che puoi letteralmente mettere in uno zaino e portare sul campo. Ad esempio, abbiamo sviluppato test portatili per il virus del cimurro canino e test eDNA per le specie in via di estinzione. E formiamo ricercatori sul campo in molti dei paesi in cui lavoriamo su come eseguire questo test del DNA portatile.

Come sei stato coinvolto nella ricerca sull'eDNA?

Nel 2015, i nostri colleghi hanno chiesto se potevamo applicare la tecnologia ai test per una specie rara e minacciata: la tartaruga dal guscio molle gigante dello Yangtze (Rafeto swinhoei). Abbiamo trascorso molto tempo andando nei nostri stagni dello zoo del Bronx, raccogliendo acqua, testando per vedere quali specie c'erano e vedendo se potevamo fare il test eDNA.

Quando ho iniziato, sembrava quasi fantascienza. "Veramente? Possiamo rilevare così tante specie solo dall'acqua?

Come sei stato coinvolto nello studio dell'eDNA sul Monte Everest per la spedizione Perpetual Planet?

Paolo Maewski, uno stimato ricercatore climatico e glaciologo presso l'Università del Maine, stava organizzando una spedizione scientifica sul Monte Everest e mi ha invitato. Mi ha chiesto: "Perché non metti insieme alcune idee su cosa ti piacerebbe fare lì?" Il mio pensiero era: "Se vogliamo capire cos'è la vita alla massima altitudine, possiamo usare l'eDNA per valutare la biodiversità del Monte Everest?"

Nessuno sapeva molto della biodiversità a quel punto perché è molto difficile lavorare a quelle altitudini elevate. L'aria è rarefatta. Ti stanchi molto velocemente. Quando arrivano i temporali, a volte devi usare il GPS per tornare alla tenda a causa delle condizioni di totale assenza di luce.

Ero interessato a vedere se l'eDNA potesse essere un modo molto più semplice. Potremmo raccogliere campioni di acqua, filtrarli sul posto, riportare quei filtri con il DNA catturato al laboratorio e poi usare il DNA per valutare cosa c'è.

Quindi sei andato sull'Everest e hai raccolto campioni in quel modo. Più tardi, come ha analizzato quei campioni di DNA?

Abbiamo analizzato i dati utilizzando due diverse tecniche, il sequenziamento shotgun dell'intero genoma e il metabarcoding. Quindi abbiamo utilizzato quattro diverse pipeline bioinformatiche per analizzare i dati e determinare quali organismi avevamo rilevato.

Ora che l'abbiamo fatto all'Everest, mi piacerebbe tornare e farlo in Perù.

Quali sono stati i tuoi punti chiave riguardo all'eDNA che hai raccolto sul Monte Everest?

C'è un'incredibile quantità di biodiversità lassù. Siamo riusciti a trovare 187 ordini tassonomici in tutto l'albero della vita: virus, batteri, funghi, piante e animali. Quasi un sesto di tutti gli ordini tassonomici conosciuti si trova su questa montagna sopra i 4,500 metri. Il terreno a quell'altitudine e oltre costituisce solo il 3% della massa continentale globale.

Se tutto va bene, man mano che più persone raccolgono dati sul DNA, saremo in grado di rianalizzare le sequenze e portare le identificazioni più a livello di genere e specie. Alcuni dei dati con cui siamo già stati in grado di farlo, il che è stato fantastico. Ad esempio, dal DNA in campioni di scat, abbiamo trovato la prima prova che il gatto di Pallade (Otocolobus manuale), una rara specie di felino selvatico, vive nel Nepal orientale. È stato emozionante. Ma al momento, ci sono solo pochissime sequenze di riferimento dall'Everest con cui confrontare i dati, ed è quello che ti serve per identificare qualcosa.

C'erano altre limitazioni allo studio?

Sicuro. Il nostro studio è solo un'istantanea della diversità durante diverse settimane di aprile e maggio 2019. Eravamo limitati a quella finestra perché la spedizione di cui facevamo parte includeva progetti legati alla stagione dell'arrampicata e quando gli sherpa potevano montare il corde per far salire e tornare le persone in sicurezza.

Anche il nostro campionamento è stato limitato perché quell'anno il disgelo primaverile è arrivato molto tardi. Dalle immagini satellitari degli anni precedenti, ci aspettavamo che i laghi del Monte Everest sarebbero stati completamente scongelati al nostro arrivo, ma molti di essi erano ancora congelati. Abbiamo dovuto scavare nel ghiaccio per campionare l'acqua da sotto.

Se avessimo spostato la raccolta di un paio di mesi, avremmo potuto raccogliere ancora più DNA e la biodiversità sarebbe stata ancora più elevata? Forse, ma non abbiamo avuto il lusso di aspettare. Tuttavia, la quantità di dati che abbiamo estratto da lì in quel periodo è sbalorditiva.

Sarebbe fantastico osservare come l'ambiente cambia stagionalmente durante un anno e poi tornare indietro ogni cinque anni per vedere come cambia nel tempo. Alcuni degli organismi che abbiamo identificato fungono da specie indicatrici per il cambiamento climatico e altri stress ambientali.

Perché è importante eseguire analisi biologiche in luoghi come l'Himalaya? Questi ambienti estremi sono una parte relativamente piccola del mondo. Perché non è sufficiente raccogliere solo eDNA da luoghi più accessibili?

Avevamo due obiettivi in ​​mente andando lassù. Innanzitutto, volevamo rispondere a domande come: qual è la vita ad alta quota? Che specie vivono lassù? Quali organismi possono tollerare quelli che chiamiamo ambienti estremi?

È importante saperlo solo dal punto di vista biologico. Ad esempio, alcuni degli organismi che abbiamo trovato lassù sono tardigradi e rotiferi. Questi organismi possono vivere praticamente ovunque, compresi ambienti molto difficili ed estremi. I tardigradi possono persino sopravvivere al vuoto dello spazio.

In secondo luogo, gli ambienti di alta montagna sono luoghi in cui è possibile osservare i cambiamenti che si verificano a ritmi molto più rapidi di quelli che si verificano più in basso. Tipicamente, piccole perturbazioni degli ambienti estremi lassù possono forzare grandi cambiamenti negli areali o nei territori che questi organismi possono occupare. Volevamo capire le conseguenze di questi cambiamenti.

Un grande esempio è quello che abbiamo imparato nelle montagne della Cordillera Vilcanota nel sud del Perù vicino al lago Sibinacocha. Attraverso studi durati un paio di decenni, abbiamo scoperto che gli anfibi hanno ampliato il loro raggio d'azione verso l'alto in terreni che sono stati recentemente deglaciati. Nuovi stagni si sono formati dietro i ghiacciai in ritirata. Ciò ha aperto nuovi habitat che la specie può migrare verso l'alto e occupare.

Ma non sono solo gli anfibi. Stiamo vedendo insetti, piante e altri organismi che si spostano anche in quelle aree di stagno. Nelle zone montuose, l'intera biosfera è in aumento in risposta al cambiamento climatico, come abbiamo documentato nelle Ande peruviane.

La domanda diventa anche: possiamo misurare quanto velocemente si stanno verificando questi ricchi tassi di cambiamento? Stiamo scoprendo che gli anfibi si spostano molto in base alla disponibilità dell'habitat. Quando si forma uno stagno, vi entrano, ma alla fine non è più alimentato dal ghiacciaio. Mentre si prosciuga, gli anfibi si spostano nello stagno successivo. È un ambiente molto dinamico, in rapida evoluzione.

Lo studio Everest è un ottimo modo per stabilire dati di base per documentare questi cambiamenti. Poiché le specie lassù vivono in ambienti difficili, sono più inclini ad alterare il loro comportamento.

L'eDNA è uno strumento utile in ambienti meno estremi?

Non penso mai all'eDNA come allo strumento principale. eDNA dovrebbe essere utilizzato in combinazione con altri metodi di monitoraggio della biodiversità. Quindi possiamo esaminare i dati eDNA in modo più olistico e nel contesto.

Ad esempio, ho raccolto campioni di scat e abbiamo fatto sondaggi sugli incontri visivi mentre eravamo sul Monte Everest. Abbiamo trovato tracce di leopardo delle nevi nella neve appena caduta lassù, ma non abbiamo trovato leopardo delle nevi nel nostro campione di eDNA. Era qualcosa che ci mancava.

La cosa con eDNA è che sebbene possa essere incredibilmente informativo su molto di ciò che è in un ambiente, non puoi escludere ciò che non è nei tuoi dati. Perché sei sempre limitato dalla sensibilità del tuo rilevamento.

Diciamo che prendiamo 20 campioni d'acqua da un lago, e solo un campione risulta positivo per la tartaruga. Se avessimo prelevato solo 10 campioni, avremmo perso le tartarughe lì dentro. Quindi con eDNA, le tue interpretazioni dei dati devono sempre essere basate sulla strategia di campionamento. Quando applichi l'eDNA a qualcosa come il biomonitoraggio dei cambiamenti nel tempo, è bene conoscere prima l'ecologia del tuo sistema e poi tenere a mente tutti gli avvertimenti.

Quali sono alcuni di questi avvertimenti?

Solo perché rilevi il DNA non significa necessariamente che lo stai raccogliendo da un organismo vivo. Potrebbe provenire da un organismo morto che rilascia eDNA. Se sollevi il fondo di uno specchio d'acqua, forse stai rimescolando DNA antico. Devi davvero pensare alle domande a cui vuoi rispondere e se eDNA risponderà a quelle.

Devi anche ricordare quanto rapidamente si degrada l'eDNA, a seconda della temperatura o delle condizioni di luce ultravioletta. Così tante cose possono ridurre l'emivita del tuo eDNA e devi considerarle tutte quando progetti uno studio. Può essere piuttosto complicato.

Oltre ai tuoi studi sulla biodiversità, stai anche usando l'eDNA per identificare le specie nel commercio di animali selvatici.

SÌ. Uno dei nostri progetti era sviluppare un test del DNA in grado di identificare tutte le specie di felini trafficate nel commercio illegale di ossa. Tutte le parti della tigre sono utilizzate nel commercio della fauna selvatica. Volevamo sviluppare un test che consentisse un migliore pre-screening nei punti di confisca o nei punti di ingresso nei paesi. Uno strumento che sarebbe molto facile da usare, in modo da poter allestire un laboratorio portatile e schermare le ossa che potrebbero entrare attraverso i bagagli o i pacchi delle persone. Qualcosa che potrebbe vedere rapidamente se un campione proviene da una specie di felino grosso, e quindi potrebbe essere regolamentato, in modo che possa essere inviato per test forensi di conferma.

Una versione pilota è in fase di sperimentazione in Cina e qui negli Stati Uniti. L'idea è di utilizzarla come strumento di screening che può aiutare le forze dell'ordine a reprimere il commercio illegale.

Hai guidato un'iniziativa di monitoraggio a lungo termine in Perù focalizzata sul fungo anfibio chytrid, che si ritiene stia distruggendo molte popolazioni di anfibi in tutto il mondo. In che modo quel fungo colpisce gli anfibi?

Il fungo attacca la pelle delle specie vulnerabili. Una rana infetta sviluppa quindi ipercheratosi, un ispessimento dello strato di cheratina della pelle che inibisce l'assorbimento di acqua e ossigeno. Quindi i suoi elettroliti si squilibrano pericolosamente e si sta staccando dalla pelle. Le rane alla fine vanno in arresto cardiaco.

Può essere devastante per alcune specie, ma altre sembrano essere molto più resistenti. Ci sono molte domande complesse sulla patogenicità di diversi ceppi fungini. È un grande campo.

Abbiamo studiato quali rane vengono infettate dal fungo chytrid e poi, mentre se ne occupano, come si adattano anche agli effetti del riscaldamento climatico.

Cosa hai trovato?

Siamo stati in grado di dimostrare che mentre le rane avanzano verso l'alto ed espandono il loro raggio d'azione, portano con sé il fungo. Alcune delle rane che abbiamo trovato vicino alla sommità del passo, a 5,300 metri di altitudine, erano chytrid-positive. Quando noi ricercatori andiamo sul campo, prendiamo molte precauzioni per spruzzare alcol sui nostri stivali in modo da non diffondere il fungo in giro.

Nelle Ande abbiamo assistito alla scomparsa di una specie, la rana d'acqua marmorizzata, Telmatobio marmorato. Dopo il 2005, la popolazione è crollata. Non siamo riusciti a trovarli in nessuno dei siti che abbiamo campionato per anni. Ma nel 2013 sembravano tornare. Stanno diventando più resistenti al fungo. C'è speranza che se la caveranno abbastanza bene mentre continuano ad adattarsi all'ambiente in rapida evoluzione lassù.

Hai un posto preferito per fare il lavoro sul campo?

Il mio preferito sarà sempre il lago Sibinacocha in Perù. Hai fenicotteri che sorvolano ghiacciai e colibrì andini che svolazzano intorno a te. Rane e vigogna. È semplicemente incredibilmente bello e incredibilmente ricco di biodiversità per un ambiente così di alta montagna.

Come hai scoperto due nuove specie di tarantole?

È sorprendente, lo so, perché sono un aracnofobo!

Mentre stavamo girando le rocce in Perù alla ricerca di rane, ho notato un piccolo sedere peloso che spuntava da un buco. Ho guardato Bronwen Konecky, un allora studente e collaboratore con cui stavo lavorando, e disse: "Riesci a prenderlo?" L'ha fatto.

Abbiamo scattato molte foto e le abbiamo mostrate a un esperto tassonomo di tarantole che ha detto: “Sembra che tu possa avere una nuova specie. In qualche modo puoi raccogliere alcuni maschi e femmine?

Cosa è successo poi?

dovevo tornare indietro. Quella volta, ero solo io con un lungo paio di pinze, che infilavo le mani nei buchi. Cercherei di ripescare le tarantole con molta attenzione e quasi svenire per il sovraccarico di adrenalina.

Gli esemplari più grandi, la nostra squadra di cavalli ha contribuito a raccoglierli. Abbiamo depositato i nuovi esemplari a Lima e chiesto che venissero inviati per la valutazione tassonomica. Circa 10 anni dopo, sono stati finalmente analizzati e i risultati sono stati pubblicati. A volte ci vuole molto tempo, ma la scienza viene fuori.

Dove speri di condurre la prossima ricerca? Qualche location da sogno?

Mi piacerebbe lavorare di più in Himalaya. Adoro gli ambienti di alta montagna. Mettetemi in uno e sono felice. Adoro saltare da una roccia all'altra, capovolgere le cose, cercare creature. La cosa che preferisco fare è lanciare pietre e vedere cosa c'è sotto.

Nel tuo tempo libero hai fotografato e studiato violenti temporali. Parlaci di questo.

Questo è il mio hobby. Mio marito, Anton Seimon, è il capo scientifico di un gruppo di ricerca sui tornado. È stato coinvolto nella ricerca sui tornado per tre decenni, e io sono stato a caccia di tempeste con lui da quando ci siamo conosciuti, quindi per 20 anni.

Ogni anno, tra maggio e giugno, carichiamo il nostro furgone e il nostro cane da caccia Chase e usciamo nelle Grandi Pianure per seguire forti tempeste. In genere prendiamo di mira le tempeste in aree in cui probabilmente ci saranno pochissime distruzioni, dove possiamo ottenere viste ininterrotte di queste tempeste. Ma anche se non vediamo tempeste, sono perfettamente felice di fotografare animali selvatici e fiori di campo. Immergermi nella natura, come quando esco in campo, è la cosa che preferisco fare.