Śledzi DNA nieuchwytnych gatunków, które ukrywają się w trudnych miejscach

Tracie Seimon wcześnie odkryła swoją pasję do świata przyrody. Jako dziecko dorastające w Kolorado lubiła „zbierać owady” z rodzinnego podwórka i hodować hodowlę mrówek. Kiedy w telewizji widziała wycinanie drzew, wpadała w rozpacz. Ona i jej ojciec badali nocne niebo przez teleskop, dopóki ciekawość nie skłoniła jej do rozmontowania teleskopu, aby dowiedzieć się, jak to działa. Nigdy nie potrafiła tego zebrać. Kiedy później jej rodzice dali jej w prezencie mikroskop, poinstruowano ją, aby zostawiła go nietkniętym.

„Przyjrzałam się wszystkiemu, co się pod nią znajdowało” — powiedziała.

W 2007 roku, kiedy Seimon był młodszym wykładowcą na Uniwersytecie Columbia i wybierał ścieżkę kariery, poczuła, że ​​ciągnie ją w dwóch przeciwnych kierunkach. Mogła przyjąć ofertę stałego stażu na wydziale, aby kontynuować swoje badania medyczne nad chorobami układu krążenia. Ale zamiast tego podjęła pracę w niepełnym wymiarze godzin, aby pomóc w opracowaniu laboratorium molekularnego dla Wildlife Conservation Society (WCS). Ostatecznie przekształciło się to w wyjątkową ofertę pomocy w uruchomieniu nowego laboratorium w Bronx Zoo jako wspólny pracownik naukowy dla WCS i Centrum Zakażeń i Odporności Uniwersytetu Columbia. „Trenowałem w odkrywaniu patogenów”, jednocześnie „powoli próbując zbudować” nowe laboratorium, powiedziała.

Dziś Seimon jest dyrektorem Laboratorium Diagnostyki Molekularnej WCS w Bronx Zoo. Jest pionierem w wykorzystaniu technologii opartych na DNA do wykrywania i monitorowania gatunków w środowisku naturalnym, szczególnie w trudnych warunkach. Jej badania bioróżnorodności zaprowadziły ją do Peru, Myanmaru, Wietnamu, Kambodży, Rosji, Ugandy i Rwandy.

Seimon wspiął się nawet na Mount Everest, kierując zespołem, który wykonał pierwsze kompleksowe środowiskowe DNA (eDNA) badanie bioróżnorodności Tam. To badanie było częścią 2019 National Geographic i Rolexa Ekspedycja Perpetual Planet Everest, najbardziej wszechstronna ekspedycja naukowa, jaką kiedykolwiek przeprowadzono na tej górze.

Zanim badania terenowe Seimona zaprowadziły ją na Mount Everest, wielokrotnie podróżowała do peruwiańskich Andów. Skupia się na zlewni Sibinacocha w zlodowaciałym paśmie górskim Cordillera Vilcanota. Od prawie 20 lat prowadzi inicjatywę badającą skutki zmian klimatu i grzyba chytrid (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) na płazy żyjące w tym siedlisku.

Quanta rozmawiała z Seimonem podczas wideokonferencji na temat jej globalnych wypraw badawczych. Wywiad został skrócony i zredagowany dla przejrzystości.

Opowiedz mi o swoim laboratorium w Bronx Zoo.

Nasze laboratorium jest małe. Większość codziennej diagnostyki, którą przeprowadzamy, to testy na obecność patogenów na zwierzętach z naszej kolekcji w czterech ogrodach zoologicznych WCS i nowojorskim akwarium. Mamy też projekty badawcze, w ramach których pomagamy rozwijać narzędzia molekularne do konserwacji, takie narzędzia do badania DNA, które można dosłownie wrzucić do plecaka i zabrać w teren. Na przykład opracowaliśmy przenośne testy na obecność wirusa nosówki u psów i testy eDNA dla zagrożonych gatunków. W wielu krajach, w których pracujemy, szkolimy badaczy terenowych, jak przeprowadzać te przenośne testy DNA.

Jak zaangażowałeś się w badania eDNA?

W 2015 roku nasi koledzy zapytali, czy moglibyśmy zastosować tę technologię do testowania rzadkiego, zagrożonego gatunku: gigantycznego żółwia Jangcy (Rafetus Swinhoei). Spędziliśmy dużo czasu, odwiedzając stawy Bronx Zoo, zbierając wodę, badając, jakie gatunki tam są i sprawdzając, czy w ogóle możemy przeprowadzić testy eDNA.

Kiedy zaczynałem, wydawało mi się to niemal science fiction. "Naprawdę? Czy potrafimy wykryć tak wiele gatunków po prostu z wody?

Jak zaangażowałeś się w badanie eDNA na Mount Everest dla ekspedycji Perpetual Planet?

Paweł Majewski, ceniony badacz klimatu i glacjolog z University of Maine, organizował ekspedycję naukową na Mount Everest i zaprosił mnie. Zapytał mnie: „Dlaczego nie zebrałeś kilku pomysłów na to, co chciałbyś tam robić?” Pomyślałem: „Jeśli chcemy dowiedzieć się, czym jest życie na najwyższych wysokościach, czy możemy użyć eDNA do oceny różnorodności biologicznej Mount Everest?”

Nikt wtedy nie wiedział zbyt wiele o różnorodności biologicznej, ponieważ bardzo trudno jest pracować na tak dużych wysokościach. Powietrze jest rzadkie. Bardzo szybko się męczysz. Kiedy nadciągają burze, czasami musisz skorzystać z GPS, aby wrócić do namiotu z powodu całkowitej zamieci.

Chciałem zobaczyć, czy eDNA może być znacznie łatwiejszym sposobem. Moglibyśmy pobrać próbki wody, przefiltrować je na miejscu, przynieść te filtry z przechwyconym DNA z powrotem do laboratorium, a następnie po prostu użyć DNA do oceny, co tam jest.

Pojechałeś więc na Everest i w ten sposób zebrałeś próbki. Później, jak analizowałeś te próbki DNA?

Rozbiliśmy dane przy użyciu dwóch różnych technik, sekwencjonowania strzelby całego genomu i kodowania metapaskowego. Następnie wykorzystaliśmy cztery różne potoki bioinformatyczne do analizy danych i określenia, które organizmy wykryliśmy.

Teraz, kiedy zrobiliśmy to na Evereście, chciałbym wrócić i zrobić to w Peru.

Jakie były twoje najważniejsze wnioski dotyczące eDNA, które zebrałeś na Mount Everest?

Jest tam niesamowita różnorodność biologiczna. Udało nam się znaleźć 187 rzędów taksonomicznych z całego drzewa życia: wirusy, bakterie, grzyby, rośliny i zwierzęta. Prawie jedną szóstą wszystkich znanych rzędów taksonomicznych można znaleźć na tej jednej górze powyżej 4,500 metrów. Teren na tej wysokości i powyżej stanowi tylko 3% globalnej masy lądowej.

Miejmy nadzieję, że w miarę jak coraz więcej osób będzie zbierać dane DNA, będziemy w stanie ponownie przeanalizować sekwencje i uzyskać identyfikację bardziej do poziomu rodzaju i gatunku. Z niektórymi danymi byliśmy już w stanie to zrobić, co było świetne. Na przykład z DNA w próbkach odchodów znaleźliśmy pierwszy dowód na to, że kot Pallasa (Otocolobus manul), rzadki gatunek dzikiego kota, żyje we wschodnim Nepalu. To było ekscytujące. Ale obecnie istnieje bardzo niewiele sekwencji referencyjnych z Everestu, z którymi można porównać dane, i to jest to, czego potrzebujesz, aby coś zidentyfikować.

Czy były jakieś inne ograniczenia w badaniu?

Jasne. Nasze badanie to tylko jedno ujęcie różnorodności z kilku tygodni kwietnia i maja 2019 r. Ograniczyliśmy się do tego okna, ponieważ wyprawa, której byliśmy częścią, obejmowała projekty związane z sezonem wspinaczkowym i kiedy Szerpowie mogli postawić liny do bezpiecznego podnoszenia i powrotu ludzi.

Nasze próby były również ograniczone, ponieważ wiosenna odwilż przyszła tego roku bardzo późno. Na podstawie zdjęć satelitarnych z poprzednich lat spodziewaliśmy się, że jeziora na Mount Everest zostaną całkowicie rozmrożone, kiedy tam dotrzemy, ale kilka z nich nadal było zamarzniętych. Musieliśmy włamać się do lodu, aby pobrać próbkę wody spod niego.

Gdybyśmy przesunęli kolekcję o kilka miesięcy, czy moglibyśmy zebrać jeszcze więcej DNA i czy różnorodność biologiczna byłaby jeszcze większa? Być może, ale nie mieliśmy luksusu czekania. Mimo to ilość danych, które wyciągnęliśmy stamtąd w tym czasie, jest zdumiewająca.

Byłoby niesamowite patrzeć, jak zmienia się sezonowo środowisko w ciągu roku, a następnie co pięć lat, aby zobaczyć, jak zmienia się to w czasie. Niektóre ze zidentyfikowanych przez nas organizmów służą jako gatunki wskaźnikowe zmian klimatu i innych stresów środowiskowych.

Dlaczego ważne jest przeprowadzanie testów biologicznych w miejscach takich jak Himalaje? Te ekstremalne środowiska stanowią stosunkowo niewielką część świata. Dlaczego nie wystarczy po prostu zebrać eDNA z bardziej dostępnych miejsc?

Wychodząc tam mieliśmy dwa cele. Najpierw chcieliśmy odpowiedzieć na pytania takie jak: Czym jest życie na najwyższych wysokościach? Jakie gatunki tam żyją? Jakie organizmy tolerują to, co nazywamy środowiskami ekstremalnymi?

To ważne, aby wiedzieć tylko z biologicznego punktu widzenia. Na przykład niektóre organizmy, które tam znaleźliśmy, to niesporczaki i wrotki. Organizmy te mogą żyć praktycznie wszędzie, w tym w bardzo trudnych i ekstremalnych środowiskach. Niesporczaki mogą przetrwać nawet w próżni kosmicznej.

Po drugie, środowiska wysokogórskie to miejsca, w których można szukać zmian zachodzących w znacznie szybszym tempie niż w niższych partiach. Zazwyczaj niewielkie perturbacje w ekstremalnych środowiskach mogą wymusić duże zmiany w zasięgach lub terytoriach, które te organizmy mogą zajmować. Chcieliśmy zrozumieć konsekwencje tych zmian.

Doskonałym przykładem jest to, czego dowiedzieliśmy się w górach Cordillera Vilcanota w południowym Peru, w pobliżu jeziora Sibinacocha. Poprzez badania prowadzone przez kilka dziesięcioleci odkryliśmy, że płazy rozszerzają swój zasięg w górę na tereny, które niedawno uległy deglacjacji. Za cofającymi się lodowcami utworzyły się nowe stawy. To otworzyło nowe siedliska, do których gatunek może migrować w górę i zajmować.

Ale to nie tylko płazy. Widzimy, jak owady, rośliny i inne organizmy również przenoszą się na te obszary stawów. Na obszarach górskich cała biosfera podnosi się w odpowiedzi na zmiany klimatyczne, co udokumentowaliśmy w peruwiańskich Andach.

Powstaje również pytanie: czy możemy zmierzyć, jak szybko zachodzą te bogate tempo zmian? Odkrywamy, że płazy często się przemieszczają w zależności od dostępności siedlisk. Kiedy powstanie staw, przeniosą się do niego, ale w końcu nie będzie już zasilany przez lodowiec. Gdy wysycha, płazy przenoszą się do następnego stawu. To bardzo dynamiczne, szybko zmieniające się środowisko.

Badanie Everest to świetny sposób na ustalenie danych bazowych w celu udokumentowania tych zmian. Ponieważ tamtejsze gatunki żyją w trudnych warunkach, są bardziej podatne na zmianę swojego zachowania.

Czy eDNA jest równie użytecznym narzędziem w mniej ekstremalnych środowiskach?

Nigdy nie myślę o eDNA jako o podstawowym narzędziu. eDNA należy stosować w połączeniu z innymi sposobami monitorowania różnorodności biologicznej. Wtedy możemy spojrzeć na dane eDNA bardziej holistycznie iw kontekście.

Na przykład zebrałem próbki odchodów i przeprowadziliśmy badania wizualne, gdy byliśmy na Mount Everest. Znaleźliśmy ślady lamparta śnieżnego w świeżo opadłym śniegu, ale nie znaleźliśmy go w naszej próbce eDNA. To było coś, czego nam brakowało.

Problem z eDNA polega na tym, że chociaż może być niezwykle pouczający o wielu elementach środowiska, nie można wykluczyć, czego nie ma w danych. Ponieważ zawsze ogranicza Cię czułość wykrywania.

Powiedzmy, że pobieramy 20 próbek wody z jeziora i tylko jedna próbka daje wynik pozytywny na obecność żółwia. Gdybyśmy pobrali tylko 10 próbek, moglibyśmy przegapić tamte żółwie. Tak więc w przypadku eDNA interpretacje danych zawsze muszą opierać się na strategii pobierania próbek. Kiedy stosujesz eDNA do czegoś takiego jak biomonitorowanie zmian w czasie, dobrze jest najpierw poznać ekologię swojego systemu, a następnie pamiętać o wszystkich zastrzeżeniach.

Jakie są niektóre z tych zastrzeżeń?

To, że wykryjesz DNA, niekoniecznie oznacza, że ​​pobierasz je z żywego organizmu. Może pochodzić z martwego organizmu wydalającego eDNA. Jeśli poruszysz dno zbiornika wodnego, być może poruszysz starożytne DNA. Naprawdę musisz pomyśleć o pytaniach, na które chcesz odpowiedzieć i czy eDNA na nie odpowie.

Trzeba też pamiętać, jak szybko eDNA ulega degradacji, w zależności od temperatury czy światła ultrafioletowego. Tak wiele rzeczy może skrócić okres półtrwania twojego eDNA i musisz wziąć pod uwagę wszystkie z nich podczas projektowania badania. To może być dość skomplikowane.

Oprócz badań bioróżnorodności używasz eDNA również do identyfikacji gatunków w handlu dzikimi zwierzętami.

Tak. Jednym z naszych projektów było opracowanie testu DNA, który mógłby zidentyfikować wszystkie gatunki dużych kotów, którymi handlowano w ramach nielegalnego handlu kośćmi. Wszystkie części tygrysa są wykorzystywane w handlu dzikimi zwierzętami. Chcieliśmy opracować test, który umożliwiłby lepszą wstępną kontrolę w punktach konfiskaty lub punktach wjazdu do krajów. Narzędzie, które byłoby bardzo łatwe w użyciu, dzięki czemu można było skonfigurować przenośne laboratorium i przeszukiwać kości, które mogą pochodzić z bagażu lub paczek. Coś, co mogłoby szybko sprawdzić, czy próbka pochodzi od gatunku dużego kota, a zatem może zostać uregulowana, tak aby mogła zostać wysłana do potwierdzających badań kryminalistycznych.

Wersja pilotażowa jest testowana w Chinach i tutaj, w Stanach Zjednoczonych. Chodzi o to, aby użyć jej jako narzędzia kontrolnego, które może pomóc organom ścigania w rozprawieniu się z nielegalnym handlem.

Kierowałeś długoterminową inicjatywą monitorowania w Peru, która koncentruje się na grzybie płazów chytrid, który jest postrzegany jako niszczący wiele populacji płazów na całym świecie. Jak ten grzyb wpływa na płazy?

Grzyb atakuje skórę wrażliwych gatunków. Zarażona żaba rozwija następnie hiperkeratozę, pogrubienie warstwy keratyny skóry, która hamuje wchłanianie wody i tlenu. Więc jego elektrolity stają się niebezpiecznie niezrównoważone i złuszczają się ze skóry. Żaby w końcu doznają zatrzymania akcji serca.

Może być niszczycielski dla niektórych gatunków, ale inne wydają się być na to znacznie bardziej odporne. Istnieje wiele złożonych pytań dotyczących patogenności różnych szczepów grzybów. To duże pole.

Badaliśmy, które żaby zarażają się grzybem chytridowym, a następnie, kiedy sobie z tym radzą, jak przystosowują się do skutków ocieplenia klimatu.

Co znalazłeś?

Byliśmy w stanie wykazać, że gdy żaby poruszają się w górę i poszerzają swój zasięg, niosą ze sobą grzyby. Niektóre żaby, które znaleźliśmy w pobliżu szczytu przełęczy, na wysokości 5,300 metrów, były chytrid-dodatnie. Kiedy my, badacze, wyruszamy w teren, podejmujemy wiele środków ostrożności, aby spryskać nasze buty alkoholem, aby nie rozprzestrzenić grzyba.

W Andach widzieliśmy zniknięcie gatunku, marmurkowej żaby wodnej, Telmatobius marmoratus. Po 2005 roku liczba ludności spadła. Nie mogliśmy ich znaleźć w żadnej z witryn, z których próbowaliśmy przez lata. Ale do 2013 roku wydawało się, że wracają. Stają się bardziej odporne na grzyby. Jest nadzieja, że ​​poradzą sobie całkiem dobrze, gdy będą nadal dostosowywać się do szybko zmieniającego się środowiska.

Czy masz ulubione miejsce do pracy w terenie?

Moim ulubionym zawsze będzie jezioro Sibinacocha w Peru. Masz flamingi latające nad lodowcami i andyjskie kolibry fruwające wokół ciebie. Żaby i wikunia. Jest po prostu niesamowicie piękna i niesamowicie bioróżnorodna jak na tak wysokogórskie środowisko.

Jak odkryłeś dwa nowe gatunki tarantuli?

To zaskakujące, wiem, bo jestem arachnofobem!

Kiedy w Peru przewracaliśmy skały w poszukiwaniu żab, zauważyłem małego puchatego tyłka wystającego z dziury. spojrzałem na Bronwen Konecky, ówczesny student i współpracownik, z którym pracowałem, i powiedział: „Czy możesz to złapać?” Ona zrobiła.

Zrobiliśmy wiele zdjęć i pokazaliśmy je ekspertowi w dziedzinie taksonomii tarantuli, który powiedział: „Wygląda na to, że masz nowy gatunek. Czy jest jakiś sposób na zebranie kilku samców i samic?

Co stało się potem?

Musiałem wrócić. Tym razem tylko ja z długimi szczypcami sięgałem do otworów. Próbowałem bardzo ostrożnie wyłowić ptaszniki i prawie zemdleć z powodu nadmiaru adrenaliny.

Większe okazy pomagał zbierać nasz zespół koni. Złożyliśmy nowe okazy w Limie i poprosiliśmy o wysłanie ich do oceny taksonomicznej. Około 10 lat później zostały one ostatecznie przeanalizowane, a wyniki opublikowane. Czasami zajmuje to dużo czasu, ale nauka wychodzi na jaw.

Gdzie masz nadzieję przeprowadzić badania w następnej kolejności? Jakieś wymarzone lokacje?

Chciałbym więcej pracować w Himalajach. Po prostu uwielbiam środowiska wysokogórskie. Umieść mnie w jednym, a będę szczęśliwy. Uwielbiam skakać ze skały na skałę, przewracać rzeczy, szukać stworzeń. Moim ulubionym zajęciem jest przewracanie kamieni i sprawdzanie, co jest pod nimi.

W wolnym czasie fotografowałeś i studiowałeś gwałtowne burze. Opowiedz nam o tym.

To moje hobby. Mój mąż, Antoni Seimon, jest naukowym liderem zespołu badawczego tornada. Jest zaangażowany w badania nad tornadami od trzech dekad, a ja ścigam z nim burze odkąd się poznaliśmy, czyli od 20 lat.

Co roku między majem a czerwcem pakujemy naszą furgonetkę i psa gończego Chase'a i wyruszamy na Wielkie Równiny, by śledzić gwałtowne burze. Zazwyczaj skupiamy się na burzach w obszarach, w których prawdopodobnie nastąpi bardzo mało zniszczeń, gdzie możemy uzyskać niezakłócony widok tych burz. Ale nawet jeśli nie widzimy burz, z przyjemnością fotografuję dziką przyrodę i polne kwiaty. Zanurzanie się w naturze, na przykład kiedy wychodzę w teren, to moje ulubione zajęcie.