Ze volgt het DNA van ongrijpbare soorten die zich op ruige plaatsen verbergen

Tracie Seimon ontdekte al vroeg haar passie voor de natuurlijke wereld. Als kind dat opgroeide in Colorado, genoot ze van het "oogsten van insecten" uit de achtertuin van haar familie en het houden van een hobby-mierenboerderij. Als ze op televisie zag dat er bomen werden gekapt, raakte ze radeloos. Zij en haar vader bestudeerden de nachtelijke hemel door een telescoop totdat haar nieuwsgierigheid haar ertoe bracht de telescoop uit elkaar te halen om erachter te komen hoe het werkte. Ze heeft het nooit meer bij elkaar kunnen krijgen. Toen haar ouders haar later een microscoop cadeau deden, kreeg ze de opdracht om die intact te laten.

'Ik heb alles eronder bekeken', zei ze.

In 2007, toen Seimon junior faculteit was aan Columbia University en een carrièrepad koos, voelde ze zich in twee tegengestelde richtingen getrokken. Ze had een aanbod voor een tenure track-faculteitspositie kunnen accepteren om haar medisch onderzoek naar hart- en vaatziekten voort te zetten. Maar in plaats daarvan nam ze een parttime baan om te helpen bij de ontwikkeling van een moleculair laboratorium voor de Wildlife Conservation Society (WCS). Dat veranderde uiteindelijk in een uniek aanbod om te helpen bij de lancering van een nieuw laboratorium in de Bronx Zoo als een gezamenlijke onderzoeksmedewerker voor de WCS en het Center for Infection and Immunity van Columbia University. "Ik trainde in het ontdekken van ziekteverwekkers" terwijl ik ook "langzaam probeerde het nieuwe laboratorium op te bouwen", zei ze.

Vandaag de dag, Seimon is de directeur van het WCS's Molecular Diagnostics Laboratory in de Bronx Zoo. Ze is een pionier in het gebruik van op DNA gebaseerde technologieën voor het detecteren en monitoren van soorten in het wild, met name in uitdagende omgevingen. Haar onderzoek naar biodiversiteit bracht haar naar Peru, Myanmar, Vietnam, Cambodja, Rusland, Oeganda en Rwanda.

Seimon is zelfs de Mount Everest beklommen en leidde het team dat het eerste uitgebreide milieu-DNA (eDNA) deed biodiversiteitsonderzoek daar. Dat onderzoek maakte deel uit van de 2019 National Geographic en Rolex Eeuwigdurende Planet Everest-expeditie, de meest uitgebreide wetenschappelijke expeditie die ooit op die berg is uitgevoerd.

Voordat Seimons veldwerk haar naar de Mount Everest bracht, reisde ze vele malen naar de Peruaanse Andes. Haar focus ligt op de Sibinacocha-waterscheiding van het door gletsjers bedekte gebergte Cordillera Vilcanota. Al bijna 20 jaar leidt ze een initiatief dat onderzoek doet naar de gevolgen van klimaatverandering en de chytrideschimmel (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) over de amfibieën die in die habitat leven.

Quanta sprak met Seimon via videoconferentie over haar wereldwijde onderzoekstochten. Het interview is voor de duidelijkheid ingekort en bewerkt.

Vertel me over je laboratorium in de Bronx Zoo.

Ons laboratorium is klein. De meeste dagelijkse diagnostiek die we uitvoeren, zijn tests voor ziekteverwekkers op de dieren in onze collectie in de vier dierentuinen van WCS en het New York Aquarium. We hebben ook onderzoeksprojecten waarbij we helpen bij het ontwikkelen van moleculaire tools voor conservering, het soort tools voor het bestuderen van DNA dat je letterlijk in een rugzak kunt gooien en mee het veld in kunt nemen. We hebben bijvoorbeeld draagbare hondenziektevirustesten en eDNA-testen ontwikkeld voor bedreigde diersoorten. En we trainen veldonderzoekers in veel van de landen waar we werken om deze draagbare DNA-testen uit te voeren.

Hoe ben je bij het eDNA-onderzoek betrokken geraakt?

In 2015 vroegen onze collega's of we de technologie konden toepassen om te testen op een zeldzame, bedreigde soort: de Yangtze-reuzenweekschildpad (Rafetus swinhoei). We brachten veel tijd door met het bezoeken van onze Bronx Zoo-vijvers, het verzamelen van water, het testen om te zien welke soorten erin zaten en om te kijken of we überhaupt eDNA-testen konden doen.

Toen ik net begon, leek het bijna sciencefiction. "Echt? Kunnen we zoveel soorten alleen vanuit het water detecteren?”

Hoe ben je betrokken geraakt bij het bestuderen van eDNA op de Mount Everest voor de Perpetual Planet-expeditie?

Paul Mayewski, een hoog aangeschreven klimaatonderzoeker en glacioloog aan de Universiteit van Maine, was bezig met het opzetten van een wetenschappelijke expeditie naar de Mount Everest, en hij nodigde mij uit. Hij vroeg me: "Waarom bedenk je niet wat ideeën voor wat je daar zou willen doen?" Mijn gedachte was: "Als we willen uitzoeken wat het leven op de hoogste hoogte is, kunnen we dan eDNA gebruiken om de biodiversiteit van de Mount Everest te beoordelen?"

Niemand wist op dat moment veel over de biodiversiteit omdat het erg moeilijk is om op die grote hoogten te werken. De lucht is ijl. Je wordt heel snel moe. Als het stormt, moet je soms je weg terug naar de tent vinden met GPS vanwege de volledige whiteout-condities.

Ik was geïnteresseerd om te zien of eDNA een veel gemakkelijkere manier zou kunnen zijn. We kunnen watermonsters nemen, ze ter plekke filteren, die filters met het opgevangen DNA terugbrengen naar het lab, en dan gewoon DNA gebruiken om te beoordelen wat er is.

Dus je ging naar de Everest en verzamelde op die manier monsters. Hoe heb je later die DNA-monsters geanalyseerd?

We hebben de gegevens opgesplitst met behulp van twee verschillende technieken: shotgun-sequencing van het hele genoom en metabarcoding. Vervolgens gebruikten we vier verschillende bio-informatica-pijplijnen om de gegevens te analyseren en te bepalen welke organismen we hadden gedetecteerd.

Nu we het op Everest hebben gedaan, zou ik graag teruggaan om het in Peru te doen.

Wat waren uw belangrijkste bevindingen met betrekking tot het eDNA dat u op de Mount Everest verzamelde?

Er is daar ongelooflijk veel biodiversiteit. We konden 187 taxonomische ordes vinden uit de hele levensboom: virussen, bacteriën, schimmels, planten en dieren. Bijna een zesde van alle bekende taxonomische ordes was te vinden op deze ene berg boven de 4,500 meter. Terrein op die hoogte en hoger maakt slechts 3% uit van de wereldwijde landmassa.

Hopelijk kunnen we, naarmate meer mensen DNA-gegevens verzamelen, de sequenties opnieuw analyseren en de identificaties meer op het niveau van geslacht en soort brengen. Met sommige gegevens konden we dat al doen, wat geweldig was. Uit DNA in monsters van uitwerpselen vonden we bijvoorbeeld het eerste bewijs dat de kat van Pallas (Otocolobus manul), een zeldzame soort wilde katachtige, leeft in het oosten van Nepal. Dat was spannend. Maar momenteel zijn er maar heel weinig referentiereeksen van Everest om gegevens mee te vergelijken, en dat is wat je nodig hebt om iets te identificeren.

Waren er nog andere beperkingen aan het onderzoek?

Zeker. Onze studie is slechts één momentopname van de diversiteit gedurende enkele weken in april en mei 2019. We waren beperkt tot dat venster omdat de expeditie waarvan we deel uitmaakten projecten omvatte die verband hielden met het klimseizoen en wanneer de sherpa's de touwen om mensen veilig op en neer te krijgen.

Onze bemonstering was ook beperkt omdat de voorjaarsdooi dat jaar erg laat kwam. Op basis van satellietbeelden van voorgaande jaren verwachtten we dat de meren op de Mount Everest volledig ontdooid zouden zijn als we daar aankwamen, maar verschillende waren nog steeds bevroren. We moesten in het ijs hakken om het water eronder vandaan te halen.

Als we de collectie een paar maanden hadden verschoven, hadden we dan nog meer DNA kunnen verzamelen en zou de biodiversiteit nog hoger zijn? Misschien, maar we hadden niet de luxe om te wachten. Toch is de hoeveelheid gegevens die we daar in die tijd hebben opgehaald verbazingwekkend.

Het zou geweldig zijn om te kijken hoe de omgeving gedurende een jaar per seizoen verandert, en dan om de vijf jaar terug te gaan om te zien hoe dat in de loop van de tijd verandert. Sommige van de organismen die we hebben geïdentificeerd, dienen als indicatorsoorten voor klimaatverandering en andere milieustress.

Waarom is het belangrijk om bioassays te doen in plaatsen zoals de Himalaya? Deze extreme omgevingen zijn een relatief klein deel van de wereld. Waarom volstaat het niet om alleen eDNA te verzamelen op meer toegankelijke plaatsen?

We hadden twee doelen in gedachten om daarheen te gaan. Eerst wilden we vragen beantwoorden als: Wat is het leven op de hoogste hoogte? Welke soorten leven daar? Welke organismen kunnen tolereren wat we extreme omgevingen noemen?

Dat is belangrijk om te weten, alleen vanuit een biologisch perspectief. Sommige van de organismen die we daar vonden, zijn bijvoorbeeld beerdiertjes en raderdiertjes. Die organismen kunnen vrijwel overal leven, ook in zeer barre en extreme omgevingen. Tardigrades kunnen zelfs het vacuüm van de ruimte overleven.

Ten tweede zijn hooggebergte-omgevingen plaatsen waar je kunt zoeken naar veranderingen die veel sneller plaatsvinden dan lager. Doorgaans kunnen kleine verstoringen van de extreme omgevingen daarboven grote veranderingen afdwingen in de reeksen of territoria die deze organismen kunnen bezetten. We wilden de gevolgen van die veranderingen begrijpen.

Een goed voorbeeld is wat we hebben geleerd in de bergen van de Cordillera Vilcanota in het zuiden van Peru nabij het meer van Sibinacocha. Door studies gedurende een paar decennia hebben we ontdekt dat amfibieën hun verspreidingsgebied naar boven hebben uitgebreid naar terrein dat recentelijk is ontgletst. Achter de terugtrekkende gletsjers hebben zich nieuwe vijvers gevormd. Dat heeft nieuwe habitats geopend waar de soort naar boven kan migreren en deze kan bezetten.

Maar het zijn niet alleen de amfibieën. We zien ook insecten, planten en andere organismen die vijvergebieden binnendringen. In bergachtige gebieden stijgt de hele biosfeer als reactie op klimaatverandering, zoals we hebben gedocumenteerd in de Peruaanse Andes.

De vraag wordt ook: kunnen we meten hoe snel deze rijke veranderingen plaatsvinden? We ontdekken dat amfibieën veel bewegen op basis van de beschikbaarheid van leefgebieden. Wanneer zich een vijver vormt, trekken ze erin, maar uiteindelijk wordt het niet langer gevoed door de gletsjer. Terwijl het opdroogt, gaan de amfibieën naar de volgende vijver. Het is een zeer dynamische, snel veranderende omgeving.

De Everest-studie is een geweldige manier om basisgegevens vast te stellen voor het documenteren van deze veranderingen. Omdat de soorten daarboven in ruwe omgevingen leven, zijn ze meer geneigd hun gedrag te veranderen.

Is eDNA een even bruikbaar hulpmiddel in minder extreme omgevingen?

Ik beschouw eDNA nooit als het primaire instrument. eDNA moet worden gebruikt in combinatie met andere manieren van biodiversiteitsmonitoring. Dan kunnen we meer holistisch en in context naar de eDNA-data kijken.

Ik verzamelde bijvoorbeeld scat-monsters en we deden visuele ontmoetingsonderzoeken terwijl we op de Mount Everest waren. We vonden sporen van sneeuwluipaarden in vers gevallen sneeuw daarboven, maar we vonden geen sneeuwluipaard in ons eDNA-monster. Dat was iets wat we misten.

Het ding met eDNA is dat hoewel het ongelooflijk informatief kan zijn over veel van wat er in een omgeving is, je niet kunt uitsluiten wat er niet in je data zit. Omdat je altijd beperkt bent door de gevoeligheid van je detectie.

Laten we zeggen dat we 20 watermonsters nemen uit een meer, en slechts één monster is positief voor schildpad. Als we maar 10 monsters hadden genomen, hadden we de schildpadden daar misschien gemist. Bij eDNA moet je interpretatie van de data dus altijd gebaseerd zijn op de bemonsteringsstrategie. Wanneer je eDNA toepast op zoiets als biomonitoring voor veranderingen in de tijd, is het goed om eerst de ecologie van je systeem te kennen en dan rekening te houden met alle kanttekeningen.

Wat zijn enkele van die voorbehouden?

Alleen omdat je DNA detecteert, wil nog niet zeggen dat je het van een levend organisme verzamelt. Het kan afkomstig zijn van een dood organisme dat eDNA afstoot. Als je de bodem van een waterlichaam beroert, roer je misschien oeroud DNA op. Je moet echt nadenken over de vragen die je wilt beantwoorden en of eDNA die gaat beantwoorden.

Je moet ook onthouden hoe snel eDNA afbreekt, afhankelijk van de temperatuur of de ultraviolette lichtomstandigheden. Er zijn zoveel dingen die de halfwaardetijd van je eDNA kunnen verkorten, en je moet ze allemaal in overweging nemen bij het opzetten van een onderzoek. Het kan behoorlijk ingewikkeld zijn.

Naast je biodiversiteitsonderzoeken gebruik je eDNA ook om soorten te identificeren in de handel in wilde dieren.

Ja. Een van onze projecten was het ontwikkelen van een DNA-test die alle grote kattensoorten kon identificeren die in de illegale bothandel verhandeld werden. Alle delen van de tijger worden gebruikt in de handel in wilde dieren. We wilden een test ontwikkelen die een betere pre-screening mogelijk zou maken op punten van inbeslagname of punten van binnenkomst in landen. Een tool die heel gemakkelijk te gebruiken zou zijn, zodat je een draagbaar laboratorium zou kunnen opzetten en zou kunnen screenen op botten die mogelijk via de bagage of pakketten van mensen binnenkomen. Iets dat snel kan zien of een monster afkomstig is van een grote kattensoort, en daarom gereguleerd kan worden, zodat het vervolgens kan worden verzonden voor bevestigend forensisch onderzoek.

Een proefversie wordt uitgeprobeerd in China en hier in de VS. Het idee is om het te gebruiken als een screeningsinstrument dat de wetshandhaving kan helpen bij het optreden tegen de illegale handel.

Je leidde een langetermijnmonitoring-initiatief in Peru dat gericht is op de amfibische chytrid-schimmel, waarvan wordt aangenomen dat deze veel amfibieënpopulaties over de hele wereld vernietigt. Hoe beïnvloedt die schimmel amfibieën?

De schimmel tast de huid van kwetsbare soorten aan. Een geïnfecteerde kikker ontwikkelt dan hyperkeratose, een verdikking van de keratinelaag van de huid die de opname van water en zuurstof verhindert. Dus zijn elektrolyten raken gevaarlijk uit balans en het vervelt van de huid. De kikkers krijgen uiteindelijk een hartstilstand.

Het kan verwoestend zijn voor bepaalde soorten, maar andere lijken er veel veerkrachtiger tegen te zijn. Er zijn veel complexe vragen over de pathogeniteit van verschillende schimmelstammen. Het is een groot veld.

We hebben onderzocht welke kikkers geïnfecteerd raken door chytrideschimmel en vervolgens, terwijl ze ermee omgaan, hoe ze zich ook aanpassen aan de effecten van het opwarmende klimaat.

Wat heb je gevonden?

We hebben kunnen aantonen dat naarmate de kikkers hogerop komen en hun bereik uitbreiden, ze de schimmel met zich meebrengen. Sommige van de kikkers die we nabij de top van de pas vonden, op 5,300 meter hoogte, waren chytrid-positief. Als wij onderzoekers het veld ingaan, nemen we veel voorzorgsmaatregelen om onze laarzen met alcohol te besproeien, zodat we de schimmel niet verspreiden.

In de Andes zagen we het verdwijnen van een soort, de marmerwaterkikker, Telmatobius marmoratus. Na 2005 stortte de bevolking in. We konden ze niet vinden op een van de sites die we jarenlang hebben bemonsterd. Maar tegen 2013 leken ze terug te komen. Ze worden steeds resistenter tegen de schimmel. Er is hoop dat ze het redelijk goed zullen doen terwijl ze zich blijven aanpassen aan de snel veranderende omgeving daarboven.

Heb je een favoriete plek om veldwerk te doen?

Mijn favoriet is altijd het Sibinacocha-meer in Peru. Je hebt flamingo's die over gletsjers vliegen en Andes-kolibries die om je heen fladderen. Kikkers en vicuña. Het is gewoon ongelooflijk mooi en ongelooflijk biodivers voor zo'n hooggebergte.

Hoe heb je twee nieuwe tarantulasoorten ontdekt?

Het is verrassend, ik weet het, want ik ben een arachnofoob!

Terwijl we in Peru over rotsen aan het flippen waren op zoek naar kikkers, zag ik een klein pluizig kontje uit een gat steken. ik keek naar Bronwen Konecky, een toenmalige student en medewerker met wie ik samenwerkte, en zei: "Kun je dat vangen?" Zij deed.

We namen veel foto's en lieten ze zien aan een deskundige tarantula-taxonoom die zei: "Het lijkt erop dat je een nieuwe soort hebt. Kun je op de een of andere manier mannetjes en vrouwtjes verzamelen?'

Wat er daarna gebeurde?

Ik moest terug. Die keer was ik het alleen met een lange tang die in de gaten reikte. Ik zou heel voorzichtig proberen de tarantula's eruit te vissen en bijna flauwvallen van adrenalineoverbelasting.

De grotere exemplaren heeft ons paardenteam geholpen met verzamelen. We hebben de nieuwe exemplaren in Lima gedeponeerd en verzocht om ze op te sturen voor taxonomische evaluatie. Ongeveer 10 jaar later werden ze eindelijk geanalyseerd en werden de resultaten gepubliceerd. Soms duurt het lang, maar de wetenschap komt er wel uit.

Waar hoop je de volgende keer onderzoek te doen? Droomlocaties?

Ik zou graag meer werk in de Himalaya willen doen. Ik hou gewoon van omgevingen met hoge bergen. Zet me in een en ik ben gelukkig. Ik hou ervan om van rots naar rots te springen, dingen om te draaien, op zoek naar beestjes. Mijn favoriete bezigheid is stenen omdraaien en kijken wat eronder zit.

In je vrije tijd heb je zware stormen gefotografeerd en bestudeerd. Vertel ons daarover.

Dat is mijn hobby. Mijn man, Anton Seimon, is de wetenschappelijke leider van een tornado-onderzoeksteam. Hij is al drie decennia betrokken bij tornado-onderzoek, en ik ben al 20 jaar met hem op jacht naar stormen.

Elk jaar tussen mei en juni pakken we ons busje en onze jachthond Chase in en gaan we de Great Plains op om zware stormen te volgen. We richten ons over het algemeen op stormen in gebieden waar er waarschijnlijk weinig vernietiging zal zijn, waar we een ononderbroken zicht op deze stormen kunnen krijgen. Maar zelfs als we geen stormen zien, fotografeer ik graag dieren in het wild en wilde bloemen. Mezelf onderdompelen in de natuur, zoals wanneer ik het veld in ga, is mijn favoriete bezigheid.