Ea urmărește ADN-ul speciilor evazive care se ascund în locuri aspre

Tracie Seimon și-a descoperit devreme pasiunea pentru lumea naturală. În copilărie în Colorado, îi plăcea să „recolteze insecte” din curtea familiei ei și să țină o fermă de furnici. Când vedea copaci tăiați la televizor, era supărată. Ea și tatăl ei obișnuiau să studieze cerul nopții printr-un telescop până când curiozitatea ei a determinat-o să demonteze telescopul pentru a-și da seama cum funcționează. Ea nu a putut să-l recupereze niciodată. Când părinții ei i-au dat mai târziu cadou un microscop, ea a fost instruită să-l lase intact.

„M-am uitat la tot ce este dedesubt”, a spus ea.

În 2007, când Seimon era universitar la Universitatea Columbia și alegea o carieră, s-a simțit atrasă în două direcții opuse. Ea ar fi putut accepta o ofertă pentru un post de facultate pentru a-și continua cercetările medicale privind bolile cardiovasculare. Dar, în schimb, a luat un loc de muncă cu jumătate de normă pentru a ajuta la dezvoltarea unui laborator molecular pentru Societatea de Conservare a Faunei Sălbatice (WCS). Acest lucru s-a transformat în cele din urmă într-o ofertă unică pentru a ajuta la lansarea unui nou laborator la Grădina Zoologică din Bronx, în calitate de cercetător comun pentru WCS și Centrul pentru Infecție și Imunitate al Universității Columbia. „Mă antrenam în descoperirea agenților patogeni”, în timp ce „încercam încet să construiesc” noul laborator, a spus ea.

Astăzi, Seimon este directorul Laboratorului de Diagnostic Molecular al WCS cu sediul la Grădina Zoologică din Bronx. Ea a fost pionier în utilizarea tehnologiilor bazate pe ADN pentru detectarea și monitorizarea speciilor în sălbăticie, în special în medii provocatoare. Cercetările ei privind biodiversitatea au dus-o în Peru, Myanmar, Vietnam, Cambodgia, Rusia, Uganda și Rwanda.

Seimon a urcat chiar pe Muntele Everest, conducând echipa care a realizat primul ADN cuprinzător de mediu (eDNA) ancheta de biodiversitate Acolo. Această cercetare a făcut parte din 2019 national Geographic, și Rolex Expediția Perpetuă Planeta Everest, cea mai cuprinzătoare expediție științifică efectuată vreodată pe acel munte.

Înainte ca munca de teren a lui Seimon să o ducă pe Muntele Everest, ea a călătorit de multe ori în Anzii peruvieni. Accentul ei este bazinul hidrografic Sibinacocha din lanțul muntos glaciarizat Cordillera Vilcanota. Timp de aproape 20 de ani, ea a condus o inițiativă care studiază efectele schimbărilor climatice și ale ciupercii chitride (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) asupra amfibienilor care trăiesc în acel habitat.

Cuante a vorbit cu Seimon în cadrul unei videoconferințe despre călătoriile sale globale de cercetare. Interviul a fost condensat și editat pentru claritate.

Povestește-mi despre laboratorul tău de la Grădina Zoologică din Bronx.

Laboratorul nostru este mic. Cele mai multe dintre diagnosticele zilnice pe care le efectuăm sunt teste pentru agenți patogeni pe animalele din colecția noastră de la cele patru grădini zoologice ale WCS și Acvariul din New York. Avem, de asemenea, proiecte de cercetare în care ajutăm la dezvoltarea instrumentelor moleculare pentru conservare, tipul de instrumente pentru studiul ADN-ului pe care le poți arunca literalmente într-un rucsac și le poți duce pe teren. De exemplu, am dezvoltat testarea portabilă a virusului bolii canine și testarea eDNA pentru speciile pe cale de dispariție. Și pregătim cercetători de teren în multe dintre țările în care lucrăm cu privire la modul de a face acest test portabil ADN.

Cum v-ați implicat în cercetarea eDNA?

În 2015, colegii noștri ne-au întrebat dacă am putea aplica tehnologia la testarea unei specii rare și amenințate: broasca țestoasă gigantică din Yangtze (Rafetus swinhoei). Am petrecut mult timp mergând la iazurile noastre din Zoo din Bronx, adunând apă, testând pentru a vedea ce specii sunt acolo și văzând dacă am putea testa eDNA.

Când am început, mi s-a părut aproape SF. "Într-adevăr? Putem detecta atât de multe specii doar din apă?”

Cum te-ai implicat în studiul eDNA pe Muntele Everest pentru expediția Perpetual Planet?

Paul Mayewski, un cercetător climatic și glaciolog foarte apreciat de la Universitatea din Maine, pregătea o expediție științifică pe Muntele Everest și m-a invitat. M-a întrebat: „De ce nu puneți cap la cap niște idei despre ce ați dori să faceți acolo?” Gândul meu a fost: „Dacă vrem să ne dăm seama care este viața la cea mai mare altitudine, putem folosi eDNA pentru a evalua biodiversitatea Muntelui Everest?”

Nimeni nu știa prea multe despre biodiversitate în acel moment, deoarece este foarte dificil să lucrezi la acele altitudini înalte. Aerul este subțire. Obosești foarte repede. Când suflă furtunile, uneori trebuie să vă GPS drumul înapoi la cort din cauza condițiilor de albire completă.

Eram interesat să văd dacă eDNA ar putea fi o modalitate mult mai ușoară. Am putea colecta mostre de apă, să le filtram la fața locului, să aducem acele filtre cu ADN-ul capturat înapoi în laborator și apoi să folosim ADN-ul pentru a evalua ce este acolo.

Așa că te-ai dus la Everest și ai colectat mostre așa. Mai târziu, cum ați analizat acele mostre de ADN?

Am defalcat datele folosind două tehnici diferite, secvențierea întregului genom și codarea metabarelor. Apoi am folosit patru conducte bioinformatice diferite pentru a analiza datele și a determina ce organisme am detectat.

Acum că am făcut-o la Everest, mi-ar plăcea să mă întorc și să o fac în Peru.

Care au fost concluziile tale cheie cu privire la eDNA-ul pe care l-ai colectat pe Muntele Everest?

Există o cantitate incredibilă de biodiversitate acolo sus. Am putut găsi 187 de ordine taxonomice din arborele vieții: viruși, bacterii, ciuperci, plante și animale. Aproape o șesime din toate ordinele taxonomice cunoscute ar putea fi găsite pe acest munte de peste 4,500 de metri. Terenul la acea altitudine și mai sus reprezintă doar 3% din masa terestră globală.

Sperăm că, pe măsură ce mai mulți oameni colectează date ADN, vom putea reanaliza secvențele și vom coborî identificările mai mult la nivelul genului și al speciilor. Unele dintre datele cu care am putut face asta deja, ceea ce a fost grozav. De exemplu, din ADN-ul din probele de excret, am găsit primele dovezi că pisica lui Pallas (Otocolobus manul), o specie rară de feline sălbatice, trăiește în estul Nepalului. A fost incitant. Dar, în prezent, există doar foarte puține secvențe de referință de la Everest cu care să comparați datele și asta este ceea ce aveți nevoie pentru a identifica ceva.

Au existat și alte limitări ale studiului?

Sigur. Studiul nostru este doar un instantaneu al diversității pe parcursul mai multor săptămâni din aprilie și mai 2019. Ne-am limitat la acea fereastră, deoarece expediția din care făceam parte includea proiecte care erau legate de sezonul de alpinism și când șerpașii puteau pune în practică frânghii pentru ridicarea și întoarcerea oamenilor în siguranță.

Eșantionarea noastră a fost, de asemenea, limitată, deoarece dezghețul de primăvară a venit foarte târziu în acel an. Din imaginile prin satelit din anii precedenți, ne așteptam ca lacurile de pe Muntele Everest să fie complet dezghețate când am ajuns acolo, dar câteva dintre ele erau încă înghețate. A trebuit să pătrundem în gheață pentru a eșantiona apa de sub ea.

Dacă am fi schimbat colecția cu câteva luni, am fi putut colecta și mai mult ADN și ar fi biodiversitatea și mai mare? Poate, dar nu am avut luxul să așteptăm. Totuși, cantitatea de date pe care am scos-o de acolo în acea perioadă este uluitoare.

Ar fi uimitor să ne uităm la modul în care mediul se schimbă sezonier pe parcursul unui an și apoi să ne întoarcem la fiecare cinci ani pentru a vedea cum se schimbă acest lucru în timp. Unele dintre organismele pe care le-am identificat servesc ca specii indicator pentru schimbările climatice și alte stresuri de mediu.

De ce este important să se facă biotesturi în locuri precum Himalaya? Aceste medii extreme reprezintă o parte relativ mică a lumii. De ce nu este suficient să colectezi eDNA din locuri mai accesibile?

Aveam două obiective în minte să mergem acolo sus. În primul rând, am vrut să răspundem la întrebări precum: Care este viața la cea mai mare altitudine? Ce specii trăiesc acolo sus? Ce organisme pot tolera ceea ce numim medii extreme?

Este important de știut doar din perspectivă biologică. De exemplu, unele dintre organismele pe care le-am găsit acolo sunt tardigrade și rotifere. Aceste organisme pot trăi aproape oriunde, inclusiv în medii foarte dure și extreme. Tardigradele pot supraviețui chiar și vidului spațiului.

În al doilea rând, mediile de munte înalte sunt locuri în care poți căuta schimbări care au loc la ritmuri mult mai rapide decât se întâmplă mai jos. De obicei, micile perturbări ale mediilor extreme de acolo pot forța schimbări mari în intervalele sau teritoriile pe care aceste organisme le pot ocupa. Am vrut să înțelegem consecințele acestor schimbări.

Un exemplu grozav este ceea ce am învățat în munții din Cordillera Vilcanota din sudul Peru, lângă Lacul Sibinacocha. Prin studii de-a lungul a câteva decenii, am descoperit că amfibienii și-au extins raza de acțiune în sus în teren care a fost recent deglaciat. S-au format noi iazuri în spatele ghețarilor în retragere. Acest lucru a deschis noi habitate spre care specia poate migra în sus și le poate ocupa.

Dar nu sunt doar amfibieni. Vedem insecte, plante și alte organisme care se deplasează și în acele zone de iaz. În zonele muntoase, întreaga biosferă este în creștere ca răspuns la schimbările climatice, așa cum am documentat în Anzii peruvieni.

Întrebarea devine de asemenea: putem măsura cât de repede au loc aceste rate bogate de schimbare? Constatăm că amfibienii se mișcă mult în funcție de disponibilitatea habitatului. Când se formează un iaz, se vor muta în el, dar în cele din urmă nu mai este alimentat de ghețar. Pe măsură ce se usucă, amfibienii se mută la următorul iaz. Este un mediu foarte dinamic, în schimbare rapidă.

Studiul Everest este o modalitate excelentă de a stabili date de referință pentru documentarea acestor schimbări. Deoarece speciile de acolo trăiesc în medii dure, sunt mai predispuse să-și modifice comportamentul.

Este eDNA un instrument la fel de util în medii mai puțin extreme?

Nu mă gândesc niciodată la eDNA ca instrument principal. eDNA ar trebui utilizat în combinație cu alte moduri de monitorizare a biodiversității. Apoi putem privi datele eDNA mai holistic și în context.

De exemplu, am colectat mostre de dispersoare și am făcut sondaje vizuale în timp ce eram pe Muntele Everest. Am găsit urme de leopard de zăpadă în zăpadă proaspăt căzută acolo, dar nu am găsit leopard de zăpadă în proba noastră de eDNA. Asta a fost ceva ce ne-a ratat.

Chestia cu eDNA este că, deși poate fi incredibil de informativ despre o mulțime de ceea ce se află într-un mediu, nu poți exclude ce nu este în datele tale. Pentru că ești întotdeauna limitat de sensibilitatea detectării tale.

Să presupunem că luăm 20 de probe de apă dintr-un lac și doar o probă iese pozitivă pentru broasca testoasă. Dacă am fi luat doar 10 mostre, s-ar fi putut scăpa țestoasele de acolo. Deci, cu eDNA, interpretările dvs. ale datelor trebuie să se bazeze întotdeauna pe strategia de eșantionare. Când aplicați eDNA la ceva precum biomonitorizarea pentru schimbări în timp, este bine să cunoașteți mai întâi ecologia sistemului dvs. și apoi să aveți în vedere toate avertismentele.

Care sunt unele dintre aceste avertismente?

Doar pentru că detectezi ADN-ul nu înseamnă neapărat că îl colectezi de la un organism viu. Ar putea fi de la un organism mort care aruncă eADN. Dacă agitați fundul unui corp de apă, poate că agitați ADN-ul antic. Chiar trebuie să vă gândiți la întrebările la care doriți să răspundeți și dacă eDNA va răspunde la acestea.

De asemenea, trebuie să vă amintiți cât de rapid se degradează eDNA, în funcție de temperatură sau de condițiile de lumină ultravioletă. Atât de multe lucruri pot scădea timpul de înjumătățire al eDNA-ului și trebuie să le luați în considerare pe toate atunci când proiectați un studiu. Poate fi destul de complicat.

Pe lângă studiile dvs. de biodiversitate, utilizați și eDNA pentru a identifica speciile din comerțul cu animale sălbatice.

Da. Unul dintre proiectele noastre a fost dezvoltarea unui test ADN care ar putea identifica toate speciile de pisici mari traficate în comerțul ilegal cu oase. Toate părțile tigrului sunt utilizate în comerțul cu animale sălbatice. Am vrut să dezvoltăm un test care să permită o mai bună pre-screening în punctele de confiscare sau punctele de intrare în țări. Un instrument care ar fi foarte ușor de utilizat, astfel încât să puteți configura un laborator portabil și un ecran pentru oasele care ar putea intra prin bagajele sau pachetele oamenilor. Ceva care ar putea vedea rapid dacă o probă provine dintr-o specie de pisici mari și, prin urmare, ar putea fi reglementată, astfel încât să poată fi apoi trimisă pentru teste criminalistice de confirmare.

O versiune pilot este încercată în China și aici în SUA. Ideea este să o folosești ca instrument de screening care poate ajuta forțele de ordine să reprime comerțul ilegal.

Ați condus o inițiativă de monitorizare pe termen lung în Peru, care se concentrează pe ciuperca amfibienă chitridă, care este văzută ca distrugând multe populații de amfibieni din întreaga lume. Cum afectează acea ciupercă amfibienii?

Ciuperca atacă pielea speciilor vulnerabile. O broasca infectata dezvolta apoi hiperkeratoza, o ingrosare a stratului de keratina al pielii care inhiba absorbtia apei si a oxigenului. Deci, electroliții săi se dezechilibrează periculos și se desprinde de pe piele. Broaștele intră în cele din urmă în stop cardiac.

Poate fi devastator pentru anumite specii, dar altele par a fi mult mai rezistente la ea. Există o mulțime de întrebări complexe cu privire la patogenitatea diferitelor tulpini de ciuperci. Este un câmp mare.

Am studiat ce broaște se infectează cu ciuperca chitridă și apoi, în timp ce se confruntă cu ea, cum se adaptează și la efectele încălzirii climatice.

ce ai gasit?

Am fost capabili să arătăm că, pe măsură ce broaștele avansează în sus și își extind raza de acțiune, aduc ciuperca cu ele. Unele dintre broaștele pe care le-am găsit în apropierea vârfului trecătoarei, la o altitudine de 5,300 de metri, au fost pozitive pentru chitrid. Când noi, cercetătorii, mergem pe teren, luăm o mulțime de măsuri de precauție pentru a ne stropi cizmele cu alcool, astfel încât să nu răspândim ciuperca în jur.

În Anzi, am văzut dispariția unei specii, broasca de apă marmorată, Telmatobius marmoratus. După 2005, populația s-a prăbușit. Nu le-am putut găsi în niciunul dintre site-urile pe care le-am testat ani de zile. Dar până în 2013, păreau să se întoarcă. Ele devin din ce în ce mai rezistente la ciupercă. Există speranță că se vor descurca destul de bine în timp ce continuă să se adapteze la mediul aflat în schimbare rapidă de acolo.

Ai un loc preferat pentru a face munca de teren?

Preferatul meu va fi întotdeauna lacul Sibinacocha din Peru. Aveți flamingi care zboară peste ghețari și păsări colibri andine fluturând în jurul tău. Broaște și vicuña. Este pur și simplu uimitor de frumos și incredibil de biodivers pentru un mediu atât de montan înalt.

Cum ai descoperit două noi specii de tarantule?

E surprinzător, știu, pentru că sunt arahnofob!

În timp ce răsturnam stâncile în Peru, căutând broaște, am văzut un mic vagabond neclar ieșit dintr-o gaură. M-am uitat la Bronwen Konecky, un student și colaborator de atunci cu care lucram și mi-a spus: „Poți să înțelegi asta?” Ea a facut.

Am făcut o mulțime de fotografii și le-am arătat unui expert taxonom de tarantule care a spus: „Se pare că ați putea avea o nouă specie. Cum ai putea aduna niște masculi și femele?”

Ce sa întâmplat mai departe?

A trebuit să mă întorc. Acea dată, eram doar eu, cu o pereche lungă de clești, care întindea mâna în găuri. Aș încerca să pescuiesc tarantulele cu mare atenție și aproape să leșin de supraîncărcare de adrenalină.

Specimenele mai mari, echipa noastră de cai a ajutat să colecteze. Am depus noile exemplare la Lima și am cerut ca acestea să fie trimise pentru evaluare taxonomică. Aproximativ 10 ani mai târziu, acestea au fost în sfârșit analizate și rezultate publicate. Uneori durează mult, dar știința iese la iveală.

Unde sperați să faceți mai departe cercetările? Ceva locații de vis?

Mi-ar plăcea să lucrez mai mult în Himalaya. Îmi plac doar mediile de munte înalt. Pune-mă într-una și sunt fericită. Îmi place să sar din stâncă în stâncă, răsturnând lucrurile, căutând creaturi. Lucrul meu preferat este să răsturn pietrele și să văd ce se află sub ele.

În timpul liber, ați fotografiat și studiat furtunile puternice. Povestește-ne despre asta.

Acesta este hobby-ul meu. Soțul meu, Anton Seimon, este liderul științific al unei echipe de cercetare a tornadelor. El a fost implicat în cercetarea tornadelor de trei decenii, iar eu am fost în urmărirea furtunilor cu el de când ne-am cunoscut, deci de 20 de ani.

În fiecare an, între mai și iunie, ne împachetăm duba și câinele nostru Chase și ieșim în Great Plains pentru a urmări furtunile puternice. În general, țintăm furtunile în zone în care probabil că vor fi foarte puține distrugeri, unde putem obține vederi neîntrerupte ale acestor furtuni. Dar chiar dacă nu vedem furtuni, sunt perfect fericit să fotografiez animale sălbatice și flori sălbatice. Cufundarea în natură, ca atunci când ies pe câmp, este lucrul meu preferat de făcut.