Она отслеживает ДНК неуловимых видов, которые прячутся в суровых местах

Трейси Сеймон рано обнаружила свою страсть к миру природы. В детстве, когда она росла в Колорадо, ей нравилось «собирать насекомых» на заднем дворе своей семьи и содержать муравьиную ферму для хобби. Когда она видела по телевизору, как вырубают деревья, она сходила с ума. Она и ее отец изучали ночное небо в телескоп, пока ее любопытство не побудило ее разобрать телескоп, чтобы понять, как он работает. Она так и не смогла собраться снова. Когда ее родители позже подарили ей микроскоп, ей было приказано оставить его нетронутым.

«Я посмотрела на все под ним», — сказала она.

В 2007 году, когда Сеймон была младшим преподавателем Колумбийского университета и выбирала карьеру, она почувствовала, что ее тянет в два противоположных направления. Она могла бы принять предложение о постоянной должности преподавателя, чтобы продолжить свои медицинские исследования сердечно-сосудистых заболеваний. Но вместо этого она устроилась на неполный рабочий день, чтобы помочь создать молекулярную лабораторию для Общества охраны дикой природы (WCS). В конечном итоге это превратилось в уникальное предложение помочь открыть новую лабораторию в зоопарке Бронкса в качестве совместного научного сотрудника WCS и Центра инфекций и иммунитета Колумбийского университета. «Я тренировалась в обнаружении патогенов», а также «постепенно пыталась построить» новую лабораторию, сказала она.

Cегодня в Сеймон является директором лаборатории молекулярной диагностики WCS в зоопарке Бронкса. Она была пионером в использовании технологий на основе ДНК для обнаружения и мониторинга видов в дикой природе, особенно в сложных условиях. Ее исследования биоразнообразия привели ее в Перу, Мьянму, Вьетнам, Камбоджу, Россию, Уганду и Руанду.

Сеймон даже поднялся на гору Эверест, возглавив команду, которая создала первую комплексную экологическую ДНК (eDNA). обследование биоразнообразия там. Это исследование было частью программы 2019 года. National Geographic и Ролекс Вечная экспедиция на планету Эверест, самая обширная научная экспедиция, когда-либо проводившаяся на этой горе.

Прежде чем полевые исследования привели Сеймон на гору Эверест, она много раз путешествовала в перуанские Анды. Ее внимание сосредоточено на водоразделе Сибинакоча горного хребта Кордильера-Вильканота, покрытого ледниками. В течение почти 20 лет она возглавляла инициативу по изучению последствий изменения климата и хитридиевого грибка (Батрахохитрий дендробатидис or Bd) на земноводных, обитающих в этой среде обитания.

Quanta поговорила с Сеймон по видеоконференции о ее глобальных исследовательских поездках. Интервью было сокращено и отредактировано для ясности.

Расскажите мне о вашей лаборатории в зоопарке Бронкса.

Наша лаборатория маленькая. Большая часть ежедневной диагностики, которую мы проводим, — это тесты на наличие патогенов у животных из нашей коллекции в четырех зоопарках WCS и Нью-Йоркском аквариуме. У нас также есть исследовательские проекты, в рамках которых мы помогаем разрабатывать молекулярные инструменты для сохранения, типа инструментов для изучения ДНК, которые можно буквально бросить в рюкзак и взять с собой в поле. Например, мы разработали портативные тесты на вирус собачьей чумы и тесты eDNA для исчезающих видов. И мы обучаем полевых исследователей во многих странах, где мы работаем, тому, как проводить портативное тестирование ДНК.

Как вы стали участвовать в исследованиях эДНК?

Еще в 2015 году наши коллеги спросили, можем ли мы применить эту технологию для тестирования редких видов, находящихся под угрозой исчезновения: гигантской мягкотелой черепахи Янцзы (Рафетус Свинхой). Мы потратили много времени, посещая пруды в зоопарке Бронкса, собирая воду, проверяя, какие виды обитают там, и проверяя, можем ли мы вообще провести тестирование эДНК.

Когда я только начинал, это казалось почти научной фантастикой. "Действительно? Мы можем обнаружить столько видов только по воде?»

Как вы оказались вовлечены в изучение эДНК на горе Эверест для экспедиции Perpetual Planet?

Пол Маевски, уважаемый исследователь климата и гляциолог из Университета штата Мэн, готовил научную экспедицию на Эверест и пригласил меня. Он спросил меня: «Почему бы тебе не составить несколько идей о том, что ты хотел бы там делать?» Я подумал: «Если мы хотим выяснить, что представляет собой жизнь на самой большой высоте, можем ли мы использовать эДНК для оценки биоразнообразия горы Эверест?»

В то время мало кто знал о биоразнообразии, потому что очень трудно работать на таких больших высотах. Воздух тонкий. Вы очень быстро устаете. Когда дует шторм, иногда вам приходится возвращаться к палатке по GPS из-за полной белой мглы.

Мне было интересно посмотреть, может ли eDNA быть намного проще. Мы могли бы взять образцы воды, отфильтровать их на месте, принести эти фильтры с захваченной ДНК обратно в лабораторию, а затем просто использовать ДНК, чтобы оценить, что там.

Итак, вы отправились на Эверест и таким образом собрали образцы. Позже, как вы анализировали эти образцы ДНК?

Мы разбили данные, используя два разных метода: полногеномное секвенирование и метабаркодирование. Затем мы использовали четыре различных конвейера биоинформатики, чтобы проанализировать данные и определить, какие организмы мы обнаружили.

Теперь, когда мы сделали это на Эвересте, я хотел бы вернуться и сделать это в Перу.

Каковы ваши основные выводы относительно эДНК, которую вы собрали на горе Эверест?

Там невероятное количество биоразнообразия. Нам удалось найти 187 таксономических порядков со всего древа жизни: вирусы, бактерии, грибы, растения и животные. Почти шестая часть всех известных таксономических отрядов может быть найдена на этой одной горе выше 4,500 метров. Рельеф на этой высоте и выше составляет всего 3% мировой суши.

Будем надеяться, что по мере того, как все больше людей будут собирать данные ДНК, мы сможем повторно проанализировать последовательности и свести идентификацию к уровню рода и вида. С некоторыми данными мы уже смогли это сделать, и это было здорово. Например, из ДНК в образцах экскрементов мы нашли первое доказательство того, что кошка Палласа (Отоколобус манул), редкий вид диких кошачьих, обитает в восточной части Непала. Это было захватывающе. Но в настоящее время существует очень мало эталонных последовательностей с Эвереста, с которыми можно сравнивать данные, и это то, что вам нужно для идентификации чего-либо.

Были ли другие ограничения исследования?

Конечно. Наше исследование — лишь один снимок разнообразия за несколько недель апреля и мая 2019 года. Мы были ограничены этим окном, потому что экспедиция, в которой мы участвовали, включала в себя проекты, которые были привязаны к сезону восхождений и когда шерпы могли выставить веревки для безопасного подъема и возвращения людей.

Наши выборки также были ограничены, потому что весенние оттепели в том году наступили очень поздно. Судя по спутниковым снимкам в предыдущие годы, мы ожидали, что озера на горе Эверест полностью оттают, когда мы туда доберемся, но некоторые из них все еще были замерзшими. Нам пришлось прорубить лед, чтобы взять пробу воды из-под него.

Если бы мы сдвинули сбор на пару месяцев, смогли бы мы собрать еще больше ДНК, и биоразнообразие было бы еще выше? Возможно, но мы не могли позволить себе роскошь ждать. Тем не менее, объем данных, которые мы оттуда вытащили за это время, поразителен.

Было бы удивительно посмотреть, как окружающая среда меняется в зависимости от сезона в течение года, а затем возвращаться каждые пять лет, чтобы увидеть, как это меняется с течением времени. Некоторые из идентифицированных нами организмов служат в качестве видов-индикаторов изменения климата и других экологических стрессов.

Почему важно проводить биопробы в таких местах, как Гималаи? Эти экстремальные условия составляют относительно небольшую часть мира. Почему недостаточно просто собрать эДНК из более доступных мест?

Мы преследовали две цели, собираясь туда. Во-первых, мы хотели ответить на такие вопросы, как: Что такое самая высокогорная жизнь? Какие виды там обитают? Какие организмы могут переносить то, что мы называем экстремальными условиями?

Это важно знать только с биологической точки зрения. Например, среди обнаруженных нами организмов есть тихоходки и коловратки. Эти организмы могут жить практически где угодно, в том числе в очень суровых и экстремальных условиях. Тихоходки могут выжить даже в космическом вакууме.

Во-вторых, высокогорная среда — это места, где вы можете наблюдать за изменениями, происходящими с гораздо большей скоростью, чем внизу. Как правило, небольшие возмущения экстремальных условий наверху могут вызвать большие изменения в ареалах или территориях, которые могут занимать эти организмы. Мы хотели понять последствия этих изменений.

Отличным примером является то, что мы узнали в горах Кордильера Вильканота на юге Перу, недалеко от озера Сибинакоча. В ходе исследований, проводившихся в течение нескольких десятилетий, мы обнаружили, что амфибии расширяют свой ареал вверх, забираясь в местность, которая недавно подверглась дегляциации. За отступающими ледниками образовались новые водоемы. Это открыло новые места обитания, которые виды могут мигрировать вверх и занимать.

Но дело не только в амфибиях. Мы видим, как насекомые, растения и другие организмы перемещаются в эти водоемы. В горных районах вся биосфера поднимается в ответ на изменение климата, как мы зафиксировали в перуанских Андах.

Также возникает вопрос: можем ли мы измерить, насколько быстро происходят эти высокие темпы изменений? Мы обнаружили, что земноводные много перемещаются в зависимости от наличия среды обитания. Когда образуется пруд, они переселяются в него, но в конце концов он больше не питается ледником. По мере высыхания земноводные переходят к следующему водоему. Это очень динамичная, быстро меняющаяся среда.

Исследование Эвереста — отличный способ установить исходные данные для документирования этих изменений. Поскольку виды там живут в суровых условиях, они более склонны к изменению своего поведения.

Является ли eDNA таким же полезным инструментом в менее экстремальных условиях?

Я никогда не рассматривал eDNA как основной инструмент. эДНК следует использовать в сочетании с другими способами мониторинга биоразнообразия. Затем мы можем рассматривать данные эДНК более целостно и в контексте.

Например, я собирал образцы экскрементов, и мы проводили визуальные исследования встреч, пока были на горе Эверест. Там на свежевыпавшем снегу мы нашли следы снежного барса, но в нашем образце эДНК снежного барса не было. Это было то, что мы пропустили.

Суть eDNA в том, что, хотя она может быть невероятно информативной о многом из того, что находится в окружающей среде, вы не можете исключить то, чего нет в ваших данных. Потому что вы всегда ограничены чувствительностью вашего обнаружения.

Допустим, мы взяли 20 проб воды из озера, и только одна проба оказалась положительной на черепаху. Если бы мы взяли только 10 образцов, мы могли бы пропустить там черепах. Таким образом, с eDNA ваши интерпретации данных всегда должны основываться на стратегии выборки. Когда вы применяете eDNA к чему-то вроде биомониторинга изменений с течением времени, хорошо сначала знать экологию вашей системы, а затем помнить обо всех предостережениях.

Каковы некоторые из этих предостережений?

То, что вы обнаруживаете ДНК, не обязательно означает, что вы собираете ее из живого организма. Это может быть от мертвого организма, сбрасывающего эДНК. Если вы всколыхнете дно водоема, возможно, вы всколыхнете древнюю ДНК. Вам действительно нужно подумать о вопросах, на которые вы хотите ответить, и собирается ли eDNA ответить на них.

Вы также должны помнить, как быстро деградирует эДНК в зависимости от температуры или условий ультрафиолетового освещения. Так много вещей могут сократить период полураспада вашей эДНК, и вы должны учитывать их все, когда планируете исследование. Это может быть довольно сложно.

В дополнение к вашим исследованиям биоразнообразия вы также используете eDNA для идентификации видов в торговле дикими животными.

Да. Один из наших проектов заключался в разработке ДНК-теста, который мог бы идентифицировать все виды крупных кошек, которые продаются в нелегальной торговле костями. Все части тигра используются в торговле дикими животными. Мы хотели разработать тест, который позволил бы улучшить предварительную проверку в пунктах конфискации или в пунктах въезда в страны. Инструмент, который был бы очень прост в использовании, чтобы вы могли настроить портативную лабораторию и проверять кости, которые могут попасть через багаж или пакеты людей. Что-то, что могло бы быстро определить, принадлежит ли образец крупной кошке, и, следовательно, могло бы регулироваться, чтобы затем его можно было отправить на подтверждающую судебно-медицинскую экспертизу.

Пилотная версия тестируется в Китае и здесь, в США. Идея состоит в том, чтобы использовать ее в качестве инструмента проверки, который может помочь правоохранительным органам расправиться с нелегальной торговлей.

Вы возглавили долгосрочную инициативу по мониторингу в Перу, которая была сосредоточена на земноводном хитридом грибке, который, как считается, уничтожает многие популяции земноводных по всему миру. Как этот гриб влияет на земноводных?

Грибок поражает кожу уязвимых видов. Затем у инфицированной лягушки развивается гиперкератоз — утолщение кератинового слоя кожи, препятствующее поглощению воды и кислорода. Таким образом, его электролиты становятся опасно дисбалансными, и он отслаивается от кожи. У лягушек в конечном итоге происходит остановка сердца.

Это может быть разрушительным для некоторых видов, но другие кажутся гораздо более устойчивыми к нему. Существует много сложных вопросов о патогенности различных штаммов грибов. Это большое поле.

Мы изучали, какие лягушки заражаются хитридиозом, а затем, пока они борются с ним, как они также приспосабливаются к воздействию потепления климата.

Что вы нашли?

Нам удалось показать, что по мере того, как лягушки продвигаются вверх и расширяют свой ареал, они приносят с собой грибок. Некоторые из лягушек, которых мы нашли у вершины перевала на высоте 5,300 метров, оказались хитрид-позитивными. Когда мы, исследователи, выезжаем в поле, мы принимаем много мер предосторожности и обрызгиваем ботинки спиртом, чтобы не распространять грибок вокруг.

В Андах исчезли мраморные водяные лягушки. Тельматобиус мраморный. После 2005 года популяция рухнула. Мы не могли найти их ни на одном из сайтов, которые мы пробовали в течение многих лет. Но к 2013 году они, похоже, вернулись. Они становятся более устойчивыми к грибку. Есть надежда, что у них все будет хорошо, поскольку они продолжат адаптироваться к быстро меняющейся окружающей среде.

Есть ли у вас любимое место для полевых работ?

Моим фаворитом всегда будет озеро Сибинакоча в Перу. Над ледниками летают фламинго, а вокруг порхают андские колибри. Лягушки и викуньи. Это просто удивительно красиво и невероятно биоразнообразно для такой высокогорной среды.

Как вы открыли два новых вида тарантулов?

Удивительно, я знаю, ведь я арахнофоб!

Пока мы переворачивали камни в Перу в поисках лягушек, я заметил маленькую пушистую задницу, торчащую из норы. я посмотрел на Бронвен Конеки, тогдашнего студента и соавтора, с которым я работал, и сказал: «Вы можете это уловить?» Она сделала.

Мы сделали много фотографий и показали их опытному систематику тарантулов, который сказал: «Похоже, у вас может быть новый вид. Ты можешь как-нибудь собрать самцов и самок?

Что произошло дальше?

Я должен был вернуться. В тот раз это был только я с парой длинных щипцов, проникающих в отверстия. Я очень осторожно пытался выловить тарантулов и чуть не потерял сознание от перегрузки адреналином.

Наши лошади помогали собирать более крупные экземпляры. Мы отправили новые образцы в Лиму и попросили отправить их для таксономической оценки. Примерно через 10 лет они были наконец проанализированы, и результаты были опубликованы. Иногда это занимает много времени, но наука выходит.

Где вы надеетесь проводить исследования дальше? Любые локации мечты?

Я хотел бы больше работать в Гималаях. Я просто люблю высокогорную среду. Поставьте меня в один, и я счастлив. Я люблю прыгать с камня на камень, переворачивая вещи в поисках тварей. Я больше всего люблю переворачивать камни и смотреть, что под ними.

В свободное время вы фотографировали и изучали сильные штормы. Расскажите нам об этом.

Это мое хобби. Мой муж, Антон Сеймон, научный руководитель исследовательской группы торнадо. Он занимается исследованиями торнадо уже три десятилетия, а я гоняюсь за ним с тех пор, как мы встретились, то есть уже 20 лет.

Каждый год в период с мая по июнь мы упаковываем наш фургон и нашу гончую собаку Чейза и отправляемся на Великие равнины, чтобы преследовать сильные штормы. Обычно мы нацеливаемся на штормы в районах, где, вероятно, будет очень мало разрушений, где мы можем непрерывно видеть эти штормы. Но даже если мы не видим штормов, я совершенно счастлив фотографировать дикую природу и полевые цветы. Погружаться в природу, например, когда я выхожу в поле, — мое любимое занятие.