Sledi DNK izmuzljivih vrst, ki se skrivajo na krutih krajih

Tracie Seimon je zgodaj odkrila svojo strast do naravnega sveta. Kot otrok, ki je odraščal v Koloradu, je uživala v "nabiranju žuželk" na družinskem dvorišču in obdržala hobi farmo mravelj. Ko je na televiziji videla, kako podirajo drevesa, ji je postalo zmešano. Z očetom sta preučevala nočno nebo skozi teleskop, dokler je njena radovednost ni spodbudila, da je razstavila teleskop, da bi ugotovila, kako deluje. Nikoli se ni mogla več zbrati. Ko so ji starši pozneje podarili mikroskop, so ji naročili, naj ga pusti nedotaknjenega.

"Pogledala sem vse pod njim," je rekla.

Leta 2007, ko je bila Seimon študentka na Univerzi Columbia in je izbirala karierno pot, je čutila, da jo vleče v dve nasprotujoči si smeri. Lahko bi sprejela ponudbo za stalno delovno mesto na fakulteti, da bi nadaljevala svoje medicinske raziskave o boleznih srca in ožilja. Toda namesto tega se je zaposlila s krajšim delovnim časom, da bi pomagala pri razvoju molekularnega laboratorija za Društvo za ohranjanje divjih živali (WCS). To se je sčasoma spremenilo v edinstveno ponudbo za pomoč pri ustanovitvi novega laboratorija v živalskem vrtu v Bronxu kot skupni raziskovalec za WCS in Center za okužbe in imunost univerze Columbia. "Urila sem se v odkrivanju patogenov", medtem ko sem "počasi poskušala zgraditi" nov laboratorij, je dejala.

Danes Seimon je direktor Laboratorija za molekularno diagnostiko WCS s sedežem v živalskem vrtu Bronx. Bila je začetnica uporabe tehnologij, ki temeljijo na DNK, za odkrivanje in spremljanje vrst v naravi, zlasti v zahtevnih okoljih. Raziskovanje biotske raznovrstnosti jo je vodilo v Peru, Mjanmar, Vietnam, Kambodžo, Rusijo, Ugando in Ruando.

Seimon se je celo povzpel na Mount Everest in vodil ekipo, ki je naredila prvo celovito okoljsko DNK (eDNA) raziskovanje biotske raznovrstnosti tam. Ta raziskava je bila del leta 2019 National Geographic in Rolex Odprava Perpetual Planet Everest, najobsežnejša znanstvena odprava, ki je bila kdaj izvedena na to goro.

Preden je Seimonovo terensko delo pripeljalo na Mount Everest, je velikokrat odpotovala v perujske Ande. Njen fokus je razvodje Sibinacocha v ledeniškem gorovju Cordillera Vilcanota. Skoraj 20 let je vodila pobudo za raziskovanje učinkov podnebnih sprememb in glive chytrid (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) na dvoživke, ki živijo v tem habitatu.

Quanta s Seimonom prek videokonference govorila o svojih svetovnih raziskovalnih poteh. Intervju je bil zgoščen in urejen zaradi jasnosti.

Povej mi o svojem laboratoriju v živalskem vrtu Bronx.

Naš laboratorij je majhen. Večina vsakodnevnih diagnostik, ki jih izvajamo, so testi za patogene na živalih v naši zbirki v štirih živalskih vrtovih WCS in newyorškem akvariju. Imamo tudi raziskovalne projekte, pri katerih pomagamo razviti molekularna orodja za ohranjanje, vrsto orodij za preučevanje DNK, ki jih lahko dobesedno vržete v nahrbtnik in odnesete na teren. Na primer, razvili smo prenosno testiranje virusa pasje kuge in testiranje eDNA za ogrožene vrste. Terenske raziskovalce v mnogih državah, kjer delamo, usposabljamo, kako narediti to prenosno testiranje DNK.

Kako ste se vključili v raziskave eDNK?

Leta 2015 so naši kolegi vprašali, ali bi lahko uporabili tehnologijo za testiranje redke, ogrožene vrste: velikanske mehkooklepane želve Jangce (Rafetus swinhoei). Veliko časa smo porabili za obisk naših ribnikov v živalskem vrtu v Bronxu, zbirali vodo, testirali, katere vrste so tam, in ugotavljali, ali bi sploh lahko opravili testiranje eDNK.

Ko sem prvič začel, se je zdelo skoraj kot znanstvena fantastika. »Res? Toliko vrst lahko odkrijemo samo iz vode?«

Kako ste se vključili v proučevanje eDNK na Mount Everestu za odpravo Perpetual Planet?

Paul Mayewski, zelo cenjen raziskovalec podnebja in glaciolog na Univerzi v Mainu, je sestavljal znanstveno odpravo na Mount Everest in me je povabil. Vprašal me je: "Zakaj ne zbereš nekaj idej o tem, kaj bi rad počel tam?" Moja misel je bila: "Če želimo ugotoviti, kakšno je življenje na najvišji nadmorski višini, ali lahko uporabimo eDNK za oceno biotske raznovrstnosti Mount Everesta?"

Takrat nihče ni vedel veliko o biotski raznovrstnosti, ker je zelo težko delati na teh visokih nadmorskih višinah. Zrak je redek. Zelo hitro se utrudiš. Ko zapihajo nevihte, se morate včasih vrniti do šotora z GPS-om zaradi popolne bele barve.

Zanimalo me je, ali je lahko eDNK veliko lažji način. Lahko bi zbrali vzorce vode, jih filtrirali na kraju samem, te filtre z zajeto DNK prinesli nazaj v laboratorij in nato samo z DNK ocenili, kaj je tam.

Torej ste šli na Everest in tam zbirali vzorce. Kako ste pozneje analizirali te vzorce DNK?

Podatke smo razčlenili z dvema različnima tehnikama, sekvenciranjem celotnega genoma in metačrtnim kodiranjem. Nato smo uporabili štiri različne bioinformatske cevovode, da smo analizirali podatke in ugotovili, katere organizme smo odkrili.

Zdaj, ko smo to storili na Everestu, bi se rad vrnil in to naredil v Peruju.

Kakšni so bili vaši ključni sklepi o eDNK, ki ste jo zbrali na Mount Everestu?

Tam zgoraj je neverjetna količina biotske raznovrstnosti. Uspelo nam je najti 187 taksonomskih redov z vsega drevesa življenja: virusi, bakterije, glive, rastline in živali. Skoraj ena šestina vseh znanih taksonomskih redov je bila na tej gori nad 4,500 metri. Teren na tej nadmorski višini in več predstavlja le 3 % svetovne kopenske mase.

Upajmo, da bomo lahko, ko bo več ljudi zbiralo podatke o DNK, ponovno analizirali zaporedja in identifikacijo spustili bolj na raven rodu in vrste. Z nekaterimi podatki smo to že lahko storili, kar je bilo odlično. Na primer, iz DNK v vzorcih iztrebkov smo našli prvi dokaz, da je Pallasova mačka (Otokolobus manul), redka vrsta divjih mačk, živi v vzhodnem Nepalu. To je bilo razburljivo. Toda trenutno je le zelo malo referenčnih zaporedij z Everesta, s katerimi bi lahko primerjali podatke, in to je tisto, kar morate nekaj identificirati.

Ali so bile študije druge omejitve?

seveda. Naša študija je le en posnetek raznolikosti v nekaj tednih v aprilu in maju 2019. Bili smo omejeni na to okno, ker je odprava, katere del smo bili, vključevala projekte, ki so bili vezani na plezalno sezono in čas, ko so šerpe lahko postavile vrvi za varno dviganje ljudi gor in nazaj.

Naše vzorčenje je bilo omejeno tudi zato, ker je tisto leto spomladanska otoplitev prišla zelo pozno. Glede na satelitske posnetke prejšnjih let smo pričakovali, da bodo jezera na Mount Everestu popolnoma odmrznjena, ko bomo prispeli tja, vendar jih je bilo več še vedno zamrznjenih. Morali smo vdreti v led, da smo vzorčili vodo izpod njega.

Če bi zbiranje premaknili za nekaj mesecev, bi lahko zbrali še več DNK in bi bila biodiverziteta še večja? Morda, vendar nismo imeli razkošja, da bi čakali. Kljub temu je količina podatkov, ki smo jih v tem času potegnili od tam, osupljiva.

Čudovito bi bilo pogledati, kako se okolje spreminja sezonsko skozi eno leto, in se nato vsakih pet let vrniti nazaj, da bi videli, kako se to spreminja skozi čas. Nekateri organizmi, ki smo jih identificirali, služijo kot indikatorske vrste za podnebne spremembe in druge okoljske obremenitve.

Zakaj je pomembno izvajati biološke teste na mestih, kot je Himalaja? Ta ekstremna okolja so razmeroma majhen del sveta. Zakaj ni dovolj samo zbiranje eDNK na bolj dostopnih mestih?

Tam gor smo si zadali dva cilja. Najprej smo želeli odgovoriti na vprašanja, kot je: Kakšno je življenje na najvišji nadmorski višini? Katere vrste živijo tam zgoraj? Kateri organizmi lahko prenesejo tako imenovana ekstremna okolja?

To je pomembno vedeti le z biološkega vidika. Na primer, nekateri organizmi, ki smo jih našli tam zgoraj, so tardigradke in kolobarji. Ti organizmi lahko živijo skoraj povsod, vključno z zelo težkimi in ekstremnimi okolji. Tardigrade lahko preživijo celo vesoljski vakuum.

Drugič, visokogorska okolja so kraji, kjer lahko iščete spremembe, ki se dogajajo veliko hitreje, kot se dogajajo nižje. Običajno lahko majhne motnje ekstremnih okolij tam zgoraj povzročijo velike spremembe v obsegih ali ozemljih, ki jih ti organizmi lahko zasedejo. Želeli smo razumeti posledice teh sprememb.

Odličen primer je tisto, kar smo se naučili v gorah Cordillera Vilcanota v južnem Peruju blizu jezera Sibinacocha. S študijami, ki so trajale nekaj desetletij, smo ugotovili, da dvoživke širijo svoje območje navzgor na terene, ki so bili pred kratkim deglaciirani. Za umikajočimi se ledeniki so nastali novi ribniki. To je odprlo nove habitate, kamor se vrsta lahko seli navzgor in jih zasede.

Vendar ne gre samo za dvoživke. Opažamo, da se žuželke, rastline in drugi organizmi selijo tudi v ta območja ribnikov. V gorskih območjih se celotna biosfera dviguje kot odgovor na podnebne spremembe, kot smo dokumentirali v perujskih Andih.

Postavlja se tudi vprašanje: Ali lahko izmerimo, kako hitro se dogajajo te bogate stopnje sprememb? Ugotavljamo, da se dvoživke veliko gibljejo glede na razpoložljivost habitata. Ko nastane ribnik, se bodo preselili vanj, vendar ga sčasoma ne napaja več ledenik. Ko presahne, se dvoživke preselijo v naslednji ribnik. To je zelo dinamično okolje, ki se hitro spreminja.

Študija Everest je odličen način za določitev osnovnih podatkov za dokumentiranje teh sprememb. Ker vrste tam zgoraj živijo v težkih okoljih, so bolj nagnjene k spreminjanju svojega vedenja.

Ali je eDNA tako uporabno orodje v manj ekstremnih okoljih?

Nikoli ne razmišljam o eDNK kot o primarnem orodju. eDNA je treba uporabljati v kombinaciji z drugimi načini spremljanja biotske raznovrstnosti. Potem lahko na podatke eDNK pogledamo bolj celostno in v kontekstu.

Na primer, zbiral sem vzorce iztrebkov in izvajali smo vizualne raziskave srečanj, ko smo bili na Mount Everestu. Tam zgoraj smo našli sledi snežnega leoparda v sveže zapadlem snegu, vendar ga v našem vzorcu eDNK nismo našli. To je bilo nekaj, kar smo pogrešali.

Pri eDNA je tako, da čeprav je lahko neverjetno informativen o tem, kar je v okolju, ne morete izključiti tistega, kar ni v vaših podatkih. Ker ste vedno omejeni z občutljivostjo svojega zaznavanja.

Recimo, da vzamemo 20 vzorcev vode iz jezera in samo en vzorec je pozitiven na želvo. Če bi vzeli samo 10 vzorcev, bi morda zgrešili želve. Pri eDNA morajo torej vaše interpretacije podatkov vedno temeljiti na strategiji vzorčenja. Ko uporabljate eDNK za nekaj, kot je biomonitoring za spremembe skozi čas, je dobro, da najprej poznate ekologijo svojega sistema in nato upoštevate vsa opozorila.

Katera so nekatera od teh opozoril?

Samo zato, ker zaznate DNK, ne pomeni nujno, da jo zbirate iz živega organizma. Lahko je iz mrtvega organizma, ki izloča eDNK. Če razburkate dno vodnega telesa, morda razburkate starodavno DNK. Resnično morate razmisliti o vprašanjih, na katera želite odgovoriti, in o tem, ali bo eDNA nanje odgovorila.

Prav tako se morate spomniti, kako hitro se eDNA razgradi, odvisno od temperature ali pogojev ultravijolične svetlobe. Toliko stvari lahko skrajša razpolovno dobo vaše eDNK in vse jih morate upoštevati, ko načrtujete študijo. Lahko je precej zapleteno.

Poleg vaših študij biotske raznovrstnosti uporabljate tudi eDNK za prepoznavanje vrst v trgovini s prosto živečimi živalmi.

ja Eden od naših projektov je bil razviti test DNK, s katerim bi lahko identificirali vse vrste velikih mačk, ki so predmet nezakonite trgovine s kostmi. Vsi deli tigra se uporabljajo v trgovini z divjimi živalmi. Želeli smo razviti test, ki bi omogočil boljši predhodni pregled na točkah zaplembe ali vstopnih točkah v države. Orodje, ki bi bilo zelo enostavno za uporabo, tako da bi lahko postavili prenosni laboratorij in zaslon za kosti, ki bi lahko prihajale skozi prtljago ali pakete ljudi. Nekaj, kar bi lahko hitro ugotovilo, ali je vzorec iz vrste velikih mačk, in bi bilo zato mogoče regulirati, tako da bi ga lahko nato poslali v potrditveno forenzično testiranje.

Pilotno različico preizkušajo na Kitajskem in tukaj v ZDA. Ideja je, da bi jo uporabili kot orodje za pregledovanje, ki bi lahko pomagalo organom pregona pri zatiranju nezakonite trgovine.

Vodili ste pobudo za dolgoročno spremljanje v Peruju, ki se osredotoča na dvoživko chytrid glivo, za katero velja, da uničuje številne populacije dvoživk po vsem svetu. Kako ta gliva vpliva na dvoživke?

Glivice napadajo kožo ranljivih vrst. Okužena žaba nato razvije hiperkeratozo, odebelitev keratinskega sloja kože, ki zavira absorpcijo vode in kisika. Zato pride do nevarnega neravnovesja njegovih elektrolitov in se lušči s kože. Žabam na koncu zastane srce.

Za nekatere vrste je lahko uničujoče, druge pa se zdijo veliko bolj odporne nanj. Obstaja veliko zapletenih vprašanj o patogenosti različnih sevov gliv. To je veliko polje.

Preučevali smo, katere žabe se okužijo z glivico chytrid in nato, medtem ko se spopadajo z njo, kako se prilagajajo tudi vplivom segrevanja podnebja.

Kaj si našel?

Pokazali smo lahko, da žabe, ko napredujejo navzgor in širijo svoj obseg, s seboj prinašajo glive. Nekatere žabe, ki smo jih našli blizu vrha prelaza, na nadmorski višini 5,300 metrov, so bile hitridno pozitivne. Ko gremo raziskovalci na teren, sprejmemo veliko varnostnih ukrepov, da svoje škornje poškropimo z alkoholom, da ne širimo glivic naokrog.

V Andih smo videli izginotje vrste, marmorirane vodne žabe, Telmatobius marmoratus. Po letu 2005 je število prebivalcev strmoglavilo. Več let jih nismo mogli najti na nobenem mestu, ki smo ga vzorčili. Toda do leta 2013 se je zdelo, da se vračajo. Postajajo bolj odporni na glive. Obstaja upanje, da jim bo šlo precej dobro, ko se bodo še naprej prilagajali hitro spreminjajočemu se okolju tam zgoraj.

Imate najljubše mesto za terensko delo?

Moje najljubše bo vedno jezero Sibinacocha v Peruju. Imate flaminge, ki letijo nad ledeniki, okoli vas pa frfotajo andski kolibriji. Žabe in vikunja. Je neverjetno lepo in neverjetno biotsko raznovrstno za tako visokogorsko okolje.

Kako ste odkrili dve novi vrsti tarantele?

Presenetljivo je, vem, ker sem arahnofob!

Medtem ko smo v Peruju prevračali kamenje in iskali žabe, sem opazil majhno mehko zadnico, ki je štrlela iz luknje. pogledal sem Bronwen Konecky, takratni študent in sodelavec, s katerim sem delal, in rekel: "Ali to razumeš?" Ona je.

Posneli smo veliko fotografij in jih pokazali strokovnjaku za taksonome tarantel, ki je rekel: »Kaže, da imate morda novo vrsto. Kako lahko zbereš nekaj samcev in samic?«

Kaj se je zgodilo potem?

Moral sem nazaj. Takrat sem bil samo jaz z dolgimi kleščami, ki sem segal v luknje. Zelo previdno bi poskušal loviti tarantele in se skoraj onesvestil od preobremenjenosti z adrenalinom.

Večje primerke je pomagala zbrati naša konjska ekipa. Nove primerke smo deponirali v Limi in zahtevali, da se pošljejo v taksonomsko oceno. Približno 10 let kasneje so jih končno analizirali in rezultate objavili. Včasih traja veliko časa, a znanost pride na dan.

Kje nameravate nadaljevati raziskavo? Kakšne sanjske lokacije?

V Himalaji bi rad opravljal več dela. Preprosto obožujem visokogorska okolja. Daj me v eno in srečna sem. Rad skačem s skale na skalo, prevračam stvari in iščem bitja. Najraje obračam kamne in vidim, kaj je pod njimi.

V prostem času ste fotografirali in preučevali huda neurja. Povej nam o tem.

To je moj hobi. Moj mož, Anton Seimon, je znanstveni vodja skupine za raziskovanje tornada. Tri desetletja se ukvarja z raziskovanjem tornadov, jaz pa skupaj z njim lovim nevihte, odkar sva se spoznala, torej že 20 let.

Vsako leto med majem in junijem spakiramo svoj kombi in psa Chase ter gremo na Great Plains, da bi spremljali hude nevihte. Na splošno ciljamo na nevihte na območjih, kjer bo verjetno zelo malo uničenja, kjer lahko dobimo nemoten pogled na te nevihte. Toda tudi če ne vidimo neviht, z veseljem fotografiram divje živali in divje rože. Najraje se potopim v naravo, ko grem na teren.