היא עוקבת אחר ה-DNA של מינים חמקמקים שמתחבאים במקומות קשים

טרייסי סימון גילתה את התשוקה שלה לעולם הטבע מוקדם. כילדה שגדלה בקולורדו, היא נהנתה "לקצור חרקים" מהחצר האחורית של המשפחה שלה ולשמור על חוות נמלים תחביב. כשהיא ראתה עצים נכרתים בטלוויזיה, היא הייתה נסערת. היא ואביה נהגו לחקור את שמי הלילה דרך טלסקופ עד שסקרנותה הניעה אותה לפרק את הטלסקופ כדי להבין איך הוא עובד. היא אף פעם לא הצליחה להחזיר את זה ביחד. כשהוריה נתנו לה מאוחר יותר את המתנה של מיקרוסקופ, היא קיבלה הוראה להשאיר אותו שלם.

"הסתכלתי על כל מה שמתחתיו," היא אמרה.

ב-2007, כשסיימון הייתה סגל זוטר באוניברסיטת קולומביה ובחרה במסלול קריירה, היא הרגישה שהיא נמשכת לשני כיוונים מנוגדים. היא יכלה להיענות להצעה למשרה של סגל קביעות כדי להמשיך את המחקר הרפואי שלה על מחלות לב וכלי דם. אבל במקום זאת היא לקחה משרה חלקית כדי לעזור בפיתוח מעבדה מולקולרית עבור החברה לשימור חיות הבר (WCS). זה הפך בסופו של דבר להצעה ייחודית לסייע בהשקת מעבדה חדשה בגן החיות בברונקס כעמית מחקר משותף למרכז הזיהום והחסינות של WCS ואוניברסיטת קולומביה. "התאמנתי בגילוי פתוגנים" ובמקביל גם "ניסיתי לאט לאט לבנות" את המעבדה החדשה, אמרה.

היום, סימון הוא מנהל המעבדה לאבחון מולקולרי של WCS הממוקם בגן החיות בברונקס. היא הייתה חלוצה בשימוש בטכנולוגיות מבוססות DNA לאיתור וניטור מינים בטבע, במיוחד בסביבות מאתגרות. מחקר המגוון הביולוגי שלה לקח אותה לפרו, מיאנמר, וייטנאם, קמבודיה, רוסיה, אוגנדה ורואנדה.

סימון אפילו עלה להר האוורסט, והוביל את הצוות שעשה את ה-DNA הסביבתי המקיף הראשון (eDNA) סקר המגוון הביולוגי שם. המחקר הזה היה חלק משנת 2019 נשיונל גאוגרפיק ורולקס מסע כוכב אוורסט תמידי, המשלחת המדעית המקיפה ביותר שנערכה אי פעם על ההר ההוא.

לפני שעבודת השדה של סיימון הביאה אותה להר האוורסט, היא נסעה פעמים רבות להרי האנדים הפרואניים. המוקד שלה הוא פרשת המים Sibinacocha של רכס ההרים הקרחוני Cordillera Vilcanota. במשך כמעט 20 שנה, היא הובילה יוזמה לבדיקת ההשפעות של שינויי האקלים ופטריית הכיטרידים (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) על הדו-חיים החיים באותו בית גידול.

Quanta שוחחה עם סיימון במהלך ועידת וידאו על טיולי המחקר העולמיים שלה. הראיון תמצה ונערך למען הבהירות.

ספר לי על המעבדה שלך בגן החיות של ברונקס.

המעבדה שלנו קטנה. רוב האבחון היומיומי שאנו מבצעים הם בדיקות לפתוגנים בבעלי החיים באוסף שלנו בארבעת גני החיות של WCS ובאקווריום של ניו יורק. יש לנו גם פרויקטים מחקריים שבהם אנחנו עוזרים לפתח כלים מולקולריים לשימור, סוג הכלים לחקר DNA שאפשר ממש לזרוק לתרמיל ולקחת לשטח. לדוגמה, פיתחנו בדיקת וירוסים ניידים של כלבים ובדיקות eDNA עבור מינים בסכנת הכחדה. ואנחנו מאמנים חוקרי שטח ברבות מהמדינות שבהן אנחנו עובדים על איך לעשות את בדיקת ה-DNA הניידת הזו.

איך הגעת למחקר eDNA?

עוד בשנת 2015, עמיתינו שאלו אם נוכל ליישם את הטכנולוגיה לבדיקת זן נדיר, מאוים: צב יאנגצה הענק הרך (Rafetus swinhoei). בילינו זמן רב בהליכה לבריכות גן החיות שלנו בברונקס, אספנו מים, בדקנו אילו מינים נמצאים שם, ובדקנו אם נוכל לבצע בדיקות eDNA בכלל.

כשהתחלתי לראשונה, זה כמעט נראה כמו מדע בדיוני. "בֶּאֱמֶת? אנחנו יכולים לזהות כל כך הרבה מינים רק ממים?"

איך הסתבכת בלימוד eDNA על הר האוורסט עבור משלחת כוכב הלכת הנצחי?

פול מאייבסקי, חוקר אקלים וגרחוני מוערך מאוד באוניברסיטת מיין, הרכיב משלחת מדעית להר האוורסט, והוא הזמין אותי. הוא שאל אותי, "למה שלא תרכיב כמה רעיונות מה תרצה לעשות שם?" המחשבה שלי הייתה, "אם אנחנו רוצים להבין מה הם החיים בגובה הגבוה ביותר, האם נוכל להשתמש ב-eDNA כדי להעריך את המגוון הביולוגי של הר האוורסט?"

אף אחד לא ידע הרבה על המגוון הביולוגי באותו שלב כי קשה מאוד לעבוד בגבהים הגבוהים האלה. האוויר דליל. אתה מתעייף מהר מאוד. כאשר סופות פורצות פנימה, לפעמים אתה צריך GPS בדרכך חזרה לאוהל בגלל תנאי ההלבנה המלאים.

הייתי מעוניין לראות אם eDNA יכול להיות דרך הרבה יותר קלה. נוכל לאסוף דגימות מים, לסנן אותן באתר, להביא את המסננים האלה עם ה-DNA שנלכד בחזרה למעבדה, ואז פשוט להשתמש ב-DNA כדי להעריך מה יש שם.

אז הלכת לאוורסט ואספת דגימות ככה. מאוחר יותר, איך ניתחת את דגימות ה-DNA האלה?

פירקנו את הנתונים באמצעות שתי טכניקות שונות, רצף רובה ציד שלם ומטא-ברקוד. לאחר מכן השתמשנו בארבעה צינורות ביואינפורמטיקה שונים כדי לנתח את הנתונים ולקבוע אילו אורגניזמים גילינו.

עכשיו אחרי שעשינו את זה באוורסט, אשמח לחזור ולעשות את זה בפרו.

מה היו הנקודות העיקריות שלך בנוגע ל-eDNA שאספת על הר האוורסט?

יש שם כמות מדהימה של מגוון ביולוגי. הצלחנו למצוא 187 סדרים טקסונומיים מרחבי עץ החיים: וירוסים, חיידקים, פטריות, צמחים ובעלי חיים. כמעט שישית מכל המסדרים הטקסונומיים הידועים ניתן למצוא על ההר האחד הזה מעל 4,500 מטר. השטח בגובה זה ומעלה מהווה רק 3% משטח היבשה העולמי.

יש לקוות שככל שיותר אנשים יאספו נתוני DNA, נוכל לנתח מחדש את הרצפים ולהוריד את הזיהויים יותר לרמת הסוג והמין. חלק מהנתונים כבר הצלחנו לעשות את זה, וזה היה נהדר. לדוגמא, מ-DNA בדגימות של חרקים, מצאנו את העדות הראשונה לכך שהחתול של פאלאס (מניפולציה של אוטוקולובוס), מין נדיר של חתולי בר, ​​חי במזרח נפאל. זה היה מרגש. אבל כרגע, יש רק מעט מאוד רצפי התייחסות מהאוורסט להשוות נתונים אליהם, וזה מה שאתה צריך כדי לזהות משהו.

האם היו מגבלות אחרות למחקר?

בטוח. המחקר שלנו הוא רק תמונת מצב אחת של הגיוון במהלך מספר שבועות באפריל ומאי 2019. הוגבלנו לחלון הזה מכיוון שהמשלחת שהיינו חלק ממנה כללה פרויקטים שהיו קשורים לעונת הטיפוס וכאשר השרפים יכלו להקים את חבלים להעלאת אנשים ולחזור בשלום.

הדגימה שלנו הייתה מוגבלת גם מכיוון שהפשרת האביב הגיעה מאוחר מאוד באותה שנה. מצילומי לוויין בשנים קודמות, ציפינו שהאגמים בהר האוורסט יופשרו לחלוטין כשנגיע לשם, אבל כמה מהם עדיין היו קפואים. היינו צריכים לפרוץ לקרח כדי לדגום את המים שמתחתיו.

אם היינו מעבירים את האוסף בכמה חודשים, האם היינו יכולים לאסוף עוד יותר DNA, והאם המגוון הביולוגי היה גבוה עוד יותר? אולי, אבל לא היה לנו את המותרות לחכות. ובכל זאת, כמות הנתונים ששלפנו משם בזמן הזה מדהימה.

זה יהיה מדהים להסתכל כיצד הסביבה משתנה עונתית לאורך שנה, ולאחר מכן לחזור כל חמש שנים כדי לראות כיצד זה משתנה עם הזמן. חלק מהאורגניזמים שזיהינו משמשים כמין אינדיקטור לשינויי אקלים ולחצים סביבתיים אחרים.

מדוע חשוב לבצע בדיקות ביולוגיות במקומות כמו ההימלאיה? סביבות קיצוניות אלו הן חלק קטן יחסית מהעולם. למה זה לא מספיק פשוט לאסוף eDNA ממקומות נגישים יותר?

היו לנו שתי מטרות בראש לעלות לשם. ראשית, רצינו לענות על שאלות כמו: מהם החיים בגובה הגבוה ביותר? איזה מינים חיים שם למעלה? אילו אורגניזמים יכולים לסבול את מה שאנו מכנים סביבות קיצוניות?

זה חשוב לדעת רק מנקודת מבט ביולוגית. לדוגמה, חלק מהאורגניזמים שמצאנו שם למעלה הם טרדיגרדים וצמחונים. האורגניזמים האלה יכולים לחיות כמעט בכל מקום, כולל סביבות קשות וקיצוניות מאוד. טרדיגרדים יכולים אפילו לשרוד את ואקום החלל.

שנית, סביבות הרים גבוהות הן מקומות שבהם אתה יכול לחפש שינויים המתרחשים בקצב מהיר הרבה יותר מאשר מתרחש למטה. בדרך כלל, הפרעות קטנות של הסביבות הקיצוניות שם למעלה יכולות לאלץ שינויים גדולים בטווחים או בטריטוריות שאורגניזמים אלה יכולים לכבוש. רצינו להבין את ההשלכות של השינויים האלה.

דוגמה מצוינת היא מה שלמדנו בהרים של קורדיירה וילקאנוטה בדרום פרו ליד אגם סיבינאקוצ'ה. באמצעות מחקרים על פני כמה עשורים, גילינו שדו-חיים מרחיבים את טווחם כלפי מעלה אל פני שטח שהושחתו לאחרונה. מאחורי הקרחונים הנסוגים נוצרו בריכות חדשות. זה פתח בתי גידול חדשים שהמין יכול לנדוד אליהם למעלה ולתפוס.

אבל זה לא רק הדו-חיים. אנו רואים חרקים, צמחים ואורגניזמים אחרים עוברים גם הם לאזורי הבריכה האלה. באזורים הרריים, הביוספרה כולה עולה כתגובה לשינויי האקלים, כפי שתיעדנו בהרי האנדים הפרואניים.

נשאלת גם השאלה: האם אנו יכולים למדוד באיזו מהירות מתרחשים שיעורי השינוי העשירים הללו? אנו מגלים שדו-חיים מסתובבים הרבה על סמך זמינות בתי הגידול. כאשר בריכה נוצרת, הם יעברו לתוכה, אבל בסופו של דבר היא כבר לא ניזונה מהקרחון. כשהיא מתייבשת, הדו-חיים עוברים לבריכה הבאה. זו סביבה דינמית מאוד, המשתנה במהירות.

מחקר האוורסט הוא דרך מצוינת לבסס נתונים בסיסיים לתיעוד שינויים אלה. מכיוון שהמינים שם למעלה חיים בסביבות קשות, הם נוטים יותר לשנות את התנהגותם.

האם eDNA הוא כלי שימושי בסביבות פחות קיצוניות?

אני אף פעם לא חושב על eDNA ככלי העיקרי. יש להשתמש ב-eDNA בשילוב עם דרכים אחרות לניטור המגוון הביולוגי. אז נוכל להסתכל על נתוני ה-eDNA בצורה הוליסטית יותר ובהקשר.

לדוגמא, אספתי דגימות של סקאט, ועשינו סקרי מפגש חזותי כשהיינו על הר האוורסט. מצאנו עקבות של נמר שלג בשלג שירד שם למעלה, אבל לא קיבלנו נמר שלג בדגימת ה-eDNA שלנו. זה היה משהו שהתגעגענו אליו.

העניין עם eDNA הוא שלמרות שהוא יכול להיות אינפורמטיבי להפליא לגבי הרבה ממה שיש בסביבה, אתה לא יכול לשלול מה לא נמצא בנתונים שלך. כי אתה תמיד מוגבל על ידי רגישות הזיהוי שלך.

נניח שאנו לוקחים 20 דגימות מים מאגם, ורק דגימה אחת עולה חיובית עבור צב. אם היינו לוקחים רק 10 דגימות, אולי היינו מפספסים את הצבים שם. אז עם eDNA, הפרשנויות שלך לנתונים תמיד חייבות להתבסס על אסטרטגיית הדגימה. כאשר אתה מחיל eDNA על משהו כמו ניטור ביולוגי לשינויים לאורך זמן, טוב לדעת קודם את האקולוגיה של המערכת שלך ולאחר מכן לזכור את כל האזהרות.

מהן כמה מההסתייגויות האלה?

זה שאתה מזהה DNA לא אומר בהכרח שאתה אוסף אותו מאורגניזם חי. זה יכול להיות מאורגניזם מת שמשיל eDNA. אם אתה מערבב את החלק התחתון של גוף מים, אולי אתה מעורר DNA עתיק יומין. אתה באמת צריך לחשוב על השאלות שאתה רוצה לענות והאם eDNA עומד לענות עליהן.

אתה גם צריך לזכור באיזו מהירות eDNA מתכלה, בהתאם לטמפרטורה או לתנאי האור האולטרה סגול. כל כך הרבה דברים יכולים להפחית את זמן מחצית החיים של ה-eDNA שלך, ואתה צריך לקחת בחשבון את כולם כשאתה מעצב מחקר. זה יכול להיות די מסובך.

בנוסף למחקרי המגוון הביולוגי שלך, אתה גם משתמש ב-eDNA כדי לזהות מינים בסחר בחיות בר.

כן. אחד הפרויקטים שלנו היה לפתח בדיקת DNA שיכולה לזהות את כל מיני החתולים הגדולים שנסחרו בסחר לא חוקי בעצמות. כל חלקי הנמר מנוצלים בסחר בחיות בר. רצינו לפתח בדיקה שתאפשר בדיקה מוקדמת טובה יותר בנקודות החרמה או נקודות כניסה למדינות. כלי שיהיה קל מאוד לשימוש, כך שתוכל להקים מעבדה ניידת ומסך עצמות שעלולות להיכנס דרך המזוודות או החבילות של אנשים. משהו שיכול לראות במהירות אם דגימה היא ממין חתול גדול, ולכן עשוי להיות מוסדר, כך שניתן יהיה לשלוח אותה לבדיקה משפטית מאשרת.

גרסת פיילוט נבדקת בסין וכאן בארה"ב. הרעיון הוא להשתמש בה ככלי מיון שיכול לעזור לאכיפת החוק להדוף את הסחר הבלתי חוקי.

אתה הובלת יוזמת ניטור ארוכת טווח בפרו שמתמקדת בפטריית הדו-חיים, הנראית כהורסת אוכלוסיות דו-חיים רבות ברחבי העולם. איך הפטרייה הזו משפיעה על דו-חיים?

הפטרייה תוקפת את העור של מינים פגיעים. לאחר מכן, צפרדע נגועה מפתחת היפרקרטוזיס, התעבות של שכבת הקרטין של העור המעכבת את ספיגת המים והחמצן. אז האלקטרוליטים שלו מקבלים חוסר איזון מסוכן והוא מוריד את העור. הצפרדעים נכנסות בסופו של דבר לדום לב.

זה יכול להיות הרסני עבור מינים מסוימים, אבל נראה שאחרים עמידים אליו הרבה יותר. יש הרבה שאלות מורכבות לגבי הפתוגניות של זני פטרייה שונים. זה תחום גדול.

בדקנו אילו צפרדעים נדבקות בפטריית כיטריד ואז, בזמן שהן מתמודדות איתה, איך הן מסתגלות גם להשפעות האקלים המתחמם.

מה מצאת?

הצלחנו להראות שכשהצפרדעים מתקדמות כלפי מעלה ומרחיבות את הטווח שלהן, הן מביאות איתם את הפטרייה. חלק מהצפרדעים שמצאנו סמוך לראש המעבר, בגובה 5,300 מטר, היו חיוביות לחיתריד. כשאנחנו החוקרים נכנסים לתחום, אנחנו נוקטים הרבה אמצעי זהירות כדי לרסס את המגפיים שלנו באלכוהול כדי שלא נפיץ את הפטרייה מסביב.

בהרי האנדים ראינו את היעלמותו של מין, צפרדע המים המשויש, Telmatobius marmoratus. לאחר 2005, האוכלוסייה התרסקה. לא הצלחנו למצוא אותם באף אחד מהאתרים שדגמנו במשך שנים. אבל עד 2013, נראה שהם חוזרים. הם הופכים עמידים יותר לפטרייה. יש תקווה שהם יצליחו די טוב כשהם ממשיכים להסתגל לסביבה המשתנה במהירות שם למעלה.

האם יש לך מקום מועדף לעשות עבודת שטח?

האהוב עלי תמיד יהיה אגם סיבינאקוצ'ה בפרו. יש לך פלמינגו שעפים מעל קרחונים וציפורי דבש מהאנדים מרפרפות סביבך. צפרדעים וויקוניה. זה פשוט יפה להפליא, ומגוון ביולוגי להפליא עבור סביבה כה גבוהה.

איך גילית שני מיני טרנטולה חדשים?

זה מפתיע, אני יודע, כי אני ארכנופוב!

בזמן שהתהפכנו על סלעים בפרו בחיפוש אחר צפרדעים, הבחנתי בבטנה מטושטשת קטנה מבצבצת מתוך חור. הסתכלתי על ברונוון קונקי, סטודנט אז ומשתף פעולה שעבדתי איתו, ואמר, "אתה יכול לתפוס את זה?" היא עשתה.

צילמנו הרבה תמונות והראינו אותן לטקסונום טרנטולה מומחה שאמר, "נראה שאולי יש לך מין חדש. איך אתה יכול לאסוף כמה זכרים ונקבות?"

מה קרה אחר כך?

הייתי צריך לחזור. בפעם ההיא, זה הייתי רק אני עם זוג מלקחיים ארוך, שנשלח לתוך החורים. הייתי מנסה לדוג את הטרנטולות בזהירות רבה וכמעט מתעלף מעודף אדרנלין.

את הדגימות הגדולות יותר, צוות הסוסים שלנו עזר לאסוף. הפקדנו את הדגימות החדשות בלימה וביקשנו לשלוח אותן להערכה טקסונומית. כ-10 שנים לאחר מכן, הם נותחו לבסוף ופורסמו תוצאות. לפעמים זה לוקח הרבה זמן, אבל המדע כן יוצא החוצה.

היכן אתה מקווה לערוך מחקר הבא? יש מיקומי חלומות?

אשמח לעבוד יותר בהרי ההימלאיה. אני פשוט אוהב סביבות של הרים גבוהים. תכניס אותי לאחד ואני מאושר. אני אוהב לקפוץ מסלע לסלע, להפוך דברים, לחפש יצורים. הדבר האהוב עלי לעשות הוא להעיף אבנים ולראות מה יש מתחת להם.

בזמנך הפנוי, צילמת ולמדת סופות קשות. ספר לנו על זה.

זה התחביב שלי. בעלי, אנטון סיימון, הוא המנהיג המדעי של צוות מחקר טורנדו. הוא עוסק בחקר טורנדו במשך שלושה עשורים, ואני רודף איתו בסערה מאז שנפגשנו, כך כבר 20 שנה.

בכל שנה בין מאי ליוני, אנו אורזים את הטנדר שלנו ואת כלב הציד שלנו צ'ייס, ואנחנו יוצאים למישורים הגדולים לעקוב אחר סערות קשות. בדרך כלל אנו מכוונים לסערות באזורים שבהם צפוי להיות מעט מאוד הרס, שם נוכל לקבל תצפיות רצופות על הסופות הללו. אבל גם אם אנחנו לא רואים סערות, אני מאוד שמח לצלם חיות בר ופרחי בר. לטבול את עצמי בטבע, כמו כשאני יוצא לשטח, הוא הדבר שאני הכי אוהב לעשות.