Вона відстежує ДНК невловимих видів, які ховаються в суворих місцях

Трейсі Сеймон рано виявила свою пристрасть до світу природи. Будучи дитиною, яка росла в Колорадо, вона любила «збирати комах» у своєму сімейному подвір’ї та вести мурашину ферму. Коли вона бачила по телевізору, як вирубують дерева, вона збентежилася. Вона та її батько вивчали нічне небо через телескоп, поки її цікавість не спонукала її розібрати телескоп, щоб зрозуміти, як він працює. Вона ніколи не могла зібратися. Коли пізніше батьки подарували їй мікроскоп, їй наказали залишити його недоторканим.

«Я подивилася на все під ним», — сказала вона.

У 2007 році, коли Сеймон була молодшим викладачем Колумбійського університету і обирала кар’єру, вона відчула, що її тягне в двох протилежних напрямках. Вона могла б прийняти пропозицію зайняти посаду викладача, щоб продовжити свої медичні дослідження серцево-судинних захворювань. Але замість цього вона влаштувалася на неповний робочий день, щоб допомогти розробити молекулярну лабораторію для Товариства охорони дикої природи (WCS). Згодом це перетворилося на унікальну пропозицію допомогти відкрити нову лабораторію в зоопарку Бронкса як спільного наукового співробітника WCS і Центру інфекції та імунітету Колумбійського університету. «Я навчалася виявленню патогенів», а також «повільно намагалася створити» нову лабораторію, сказала вона.

сьогодні, Сеймон є директором лабораторії молекулярної діагностики WCS у зоопарку Бронкса. Вона стала піонером у використанні технологій на основі ДНК для виявлення та моніторингу видів у дикій природі, особливо в складних умовах. Дослідження біорізноманіття привело її до Перу, М’янми, В’єтнаму, Камбоджі, Росії, Уганди та Руанди.

Сеймон навіть піднявся на гору Еверест, очолюючи команду, яка зробила перше комплексне дослідження ДНК навколишнього середовища (eDNA) дослідження біорізноманіття там. Це дослідження було частиною 2019 року National Geographic і Rolex Експедиція Perpetual Planet Everest, найповніша наукова експедиція, яка коли-небудь проводилася на цій горі.

До того, як польова робота Сеймона привела її на гору Еверест, вона багато разів подорожувала до перуанських Анд. Її центром є вододіл Сібінакоча льодовикового хребта Кордильєра-Вільканота. Протягом майже 20 років вона очолювала ініціативу, яка вивчала наслідки зміни клімату та грибка хітрід (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) на амфібій, що живуть у цьому середовищі існування.

Quanta розмовляла з Сеймоном під час відеоконференції про свої глобальні дослідницькі подорожі. Інтерв’ю було скорочено та відредаговано для ясності.

Розкажіть мені про вашу лабораторію в зоопарку Бронкса.

Наша лабораторія невелика. Більшість повсякденних діагностичних заходів, які ми проводимо, — це тести на наявність патогенів у тварин у нашій колекції в чотирьох зоопарках WCS та Нью-Йоркському акваріумі. У нас також є дослідницькі проекти, де ми допомагаємо розробляти молекулярні інструменти для збереження, тип інструментів для вивчення ДНК, які можна буквально кинути в рюкзак і взяти з собою в поле. Наприклад, ми розробили портативне тестування на вірус чуми собак і тестування еДНК для видів, що знаходяться під загрозою зникнення. І ми навчаємо польових дослідників у багатьох країнах, де ми працюємо, тому, як робити це портативне тестування ДНК.

Як ви залучилися до дослідження еДНК?

Ще в 2015 році наші колеги запитали, чи можемо ми застосувати цю технологію для тестування рідкісного виду, що перебуває під загрозою зникнення: гігантської черепахи Янцзи (Rafetus swinhoei). Ми витратили багато часу, відвідуючи ставки нашого зоопарку Бронкса, збираючи воду, перевіряючи, які види там є, і дивлячись, чи можна взагалі провести тестування еДНК.

Коли я тільки починав, це здавалося майже науковою фантастикою. «Справді? Ми можемо виявити стільки видів лише з води?»

Як ви залучилися до вивчення eDNA на горі Еверест для експедиції Perpetual Planet?

Павло Маєвський, високоповажний дослідник клімату та гляціолог з Університету Мен, збирав наукову експедицію на гору Еверест і запросив мене. Він запитав мене: «Чому б тобі не зібрати кілька ідей, що б ти хотів там робити?» Я подумав: «Якщо ми хочемо з’ясувати, що таке життя на найвищій висоті, чи можемо ми використати еДНК для оцінки біорізноманіття гори Еверест?»

На той момент ніхто не знав багато про біорізноманіття, тому що працювати на таких високих висотах дуже важко. Повітря розріджене. Дуже швидко втомлюєшся. Коли насувається шторм, іноді вам доводиться повертатися до намету через GPS через повну білизну.

Мені було цікаво побачити, чи eDNA може бути набагато простішим шляхом. Ми могли б зібрати зразки води, відфільтрувати їх на місці, принести ці фільтри із захопленою ДНК назад у лабораторію, а потім просто використати ДНК, щоб оцінити, що там.

Отже, ви відправилися на Еверест і зібрали там зразки. Пізніше, як ви аналізували ці зразки ДНК?

Ми розділили дані за допомогою двох різних методів: секвенування цілого генома та меташтрихового кодування. Потім ми використали чотири різні конвеєри біоінформатики, щоб проаналізувати дані та визначити, які організми ми виявили.

Тепер, коли ми зробили це на Евересті, я хотів би повернутися і зробити це в Перу.

Якими були ваші ключові висновки щодо еДНК, яку ви зібрали на горі Еверест?

Там неймовірна кількість біорізноманіття. Ми змогли знайти 187 таксономічних порядків з усього дерева життя: віруси, бактерії, гриби, рослини та тварини. Майже одну шосту частину всіх відомих таксономічних груп можна знайти на одній горі вище 4,500 метрів. Рельєф на цій висоті і вище становить лише 3% світової суші.

Сподіваюся, що більше людей будуть збирати дані ДНК, ми зможемо повторно проаналізувати послідовності та знизити ідентифікацію до рівня роду та виду. З деякими даними ми вже змогли це зробити, і це було чудово. Наприклад, на основі ДНК у зразках помету ми знайшли перші докази того, що кіт Палласа (Отоколобус манул), рідкісний вид диких котячих, мешкає в східному Непалі. Це було хвилююче. Але наразі існує дуже мало еталонних послідовностей з Евересту, з якими можна порівняти дані, і це те, що вам потрібно ідентифікувати.

Чи були інші обмеження для дослідження?

звичайно Наше дослідження — це лише один знімок різноманітності протягом кількох тижнів у квітні та травні 2019 року. Ми обмежилися цим вікном, тому що експедиція, у якій ми брали участь, включала проекти, які були прив’язані до сезону сходження та коли шерпи могли поставити мотузки для безпечного підйому та повернення людей.

Наш відбір проб також був обмеженим, оскільки того року весняна відлига настала дуже пізно. Судячи з супутникових знімків попередніх років, ми очікували, що озера на горі Еверест повністю розтануть, коли ми туди прибудемо, але деякі з них все ще були замерзлими. Нам довелося врубати лід, щоб взяти з-під нього проби води.

Якби ми перенесли збір на пару місяців, чи могли б ми зібрати ще більше ДНК, і чи біорізноманіття було б ще вищим? Можливо, але ми не мали розкоші чекати. Тим не менш, кількість даних, яку ми звідти витягли за цей час, вражає.

Було б дивовижно спостерігати, як навколишнє середовище змінюється сезонно протягом року, а потім кожні п’ять років повертатися назад, щоб побачити, як це змінюється з часом. Деякі з організмів, які ми ідентифікували, служать видами-індикаторами зміни клімату та інших екологічних стресів.

Чому важливо проводити біотести в таких місцях, як Гімалаї? Ці екстремальні середовища є відносно невеликою частиною світу. Чому недостатньо просто зібрати еДНК у більш доступних місцях?

Піднявшись туди, ми ставили перед собою дві мети. По-перше, ми хотіли відповісти на такі запитання: що таке життя на найвищій висоті? Які види живуть там нагорі? Які організми можуть переносити те, що ми називаємо екстремальними середовищами?

Це важливо знати лише з біологічної точки зору. Наприклад, деякі організми, які ми знайшли там, це тихохідні та коловертки. Ці організми можуть жити майже будь-де, включаючи дуже суворі та екстремальні умови. Тихохідні можуть навіть виживати в космічному вакуумі.

По-друге, високогірне середовище є місцем, де ви можете спостерігати за змінами, які відбуваються набагато швидше, ніж відбуваються нижче. Як правило, невеликі збурення екстремальних середовищ нагорі можуть спричинити великі зміни в ареалах або територіях, які можуть займати ці організми. Ми хотіли зрозуміти наслідки цих змін.

Чудовим прикладом є те, чого ми навчилися в горах Кордильєра-Вільканота на півдні Перу біля озера Сібінакоча. Досліджуючи протягом кількох десятиліть, ми виявили, що амфібії розширюють свій ареал угору, до місцевості, яка нещодавно зникла. За відступаючими льодовиками утворилися нові ставки. Це відкрило нові середовища існування, куди цей вид може мігрувати вгору та займати їх.

Але справа не тільки в амфібіях. Ми також бачимо, як комахи, рослини та інші організми переміщуються в ці водойми. У гірських районах вся біосфера піднімається у відповідь на зміну клімату, як ми задокументували в перуанських Андах.

Також постає питання: чи можемо ми виміряти, наскільки швидко відбуваються ці значні темпи змін? Ми виявили, що амфібії багато пересуваються залежно від наявності середовища проживання. Коли формується ставок, вони переміщаються в нього, але згодом він більше не живиться льодовиком. У міру висихання амфібії переходять до наступної водойми. Це дуже динамічне середовище, яке швидко змінюється.

Дослідження Евересту є чудовим способом встановити базові дані для документування цих змін. Оскільки види там живуть у суворих умовах, вони більш схильні до зміни своєї поведінки.

Чи є eDNA таким же корисним інструментом у менш екстремальних умовах?

Я ніколи не вважаю eDNA основним інструментом. eDNA слід використовувати в поєднанні з іншими способами моніторингу біорізноманіття. Тоді ми зможемо дивитися на дані еДНК більш цілісно та в контексті.

Наприклад, я збирав зразки відходів, і ми проводили візуальні опитування зустрічей, коли були на горі Еверест. Ми знайшли там сліди снігового барса в щойно випав снігу, але ми не знайшли снігового барса в нашому зразку еДНК. Цього нам не вистачало.

Справа в тому, що eDNA може бути неймовірно інформативною про багато чого в навколишньому середовищі, ви не можете виключити те, чого немає у ваших даних. Тому що ви завжди обмежені чутливістю вашого виявлення.

Скажімо, ми беремо 20 проб води з озера, і лише одна проба виявляється позитивною на черепаху. Якби ми взяли лише 10 зразків, ми могли б пропустити черепах. Отже, з eDNA ваша інтерпретація даних завжди має базуватися на стратегії вибірки. Коли ви застосовуєте eDNA для чогось на кшталт біомоніторингу змін з часом, добре спершу знати екологію вашої системи, а потім пам’ятати про всі застереження.

Які з цих застережень?

Те, що ви виявляєте ДНК, не обов’язково означає, що ви збираєте її з живого організму. Це може бути від мертвого організму, що виділяє еДНК. Якщо ви збурюєте дно водойми, можливо, ви збурюєте стародавню ДНК. Ви дійсно повинні подумати про питання, на які ви хочете відповісти, і про те, чи зможе eDNA відповісти на них.

Ви також повинні пам’ятати, як швидко руйнується еДНК залежно від температури або умов ультрафіолетового освітлення. Так багато речей може зменшити період напіврозпаду вашої eDNA, і ви повинні враховувати все це, коли плануєте дослідження. Це може бути досить складно.

На додаток до ваших досліджень біорізноманіття, ви також використовуєте eDNA для ідентифікації видів у торгівлі дикими тваринами.

Так. Один із наших проектів полягав у розробці ДНК-тесту, який міг би ідентифікувати всі види великих котів, які потрапляють у незаконну торгівлю кістками. Усі частини тигра використовуються в торгівлі дикими тваринами. Ми хотіли розробити тест, який дозволив би краще проводити попередню перевірку в пунктах конфіскації або пунктах в’їзду в країни. Інструмент, який був би дуже простим у використанні, щоб ви могли створити портативну лабораторію та екран для кісток, які могли надходити через багаж чи пакунки людей. Щось, що могло б швидко визначити, чи походить зразок від великого кота, і, отже, могло б регулюватися, щоб потім його можна було відправити на підтверджувальне судово-медичне дослідження.

Пілотна версія випробовується в Китаї та тут, у США. Ідея полягає в тому, щоб використовувати її як інструмент перевірки, який може допомогти правоохоронним органам боротися з незаконною торгівлею.

Ви очолили ініціативу довгострокового моніторингу в Перу, яка зосереджена на грибі амфібії chytrid, який, як вважають, знищує багато популяцій земноводних у всьому світі. Як цей гриб впливає на земноводних?

Грибок атакує шкіру вразливих видів. Потім у інфікованої жаби розвивається гіперкератоз, потовщення кератинового шару шкіри, що перешкоджає поглинанню води та кисню. Таким чином, його електроліти отримують небезпечний дисбаланс, і він злущується зі шкіри. Згодом у жаб зупиняється серце.

Це може бути руйнівним для певних видів, але інші виявляються набагато стійкішими до нього. Існує багато складних питань щодо патогенності різних штамів грибів. Це велике поле.

Ми вивчали, які жаби заражаються хітридним грибком, а потім, поки вони борються з цим, як вони також пристосовуються до наслідків потепління клімату.

Що ви знайшли?

Ми змогли показати, що коли жаби просуваються вгору та розширюють свій ареал, вони приносять із собою гриб. Деякі з жаб, яких ми знайшли біля вершини перевалу, на висоті 5,300 метрів, були хітрід-позитивними. Коли ми, дослідники, вирушаємо в поле, ми вживаємо значних запобіжних заходів, щоб обприскувати наші черевики спиртом, щоб не поширювати грибок.

В Андах ми спостерігали зникнення виду, мармурової водяної жаби, Telmatobius marmoratus. Після 2005 року населення впало. Ми не могли знайти їх на жодному з сайтів, які ми перевіряли роками. Але до 2013 року вони, здається, повернулися. Вони стають більш стійкими до грибка. Є надія, що у них все буде добре, оскільки вони продовжуватимуть адаптуватися до середовища, яке швидко змінюється.

У вас є улюблене місце для польових робіт?

Моїм улюбленим завжди буде озеро Сібінакоча в Перу. У вас є фламінго, що літають над льодовиками, і андські колібрі пурхають навколо вас. Жаби і вікунья. Це просто дивовижно красиво та неймовірно різноманітне для такого високогірного середовища.

Як ви знайшли два нових види тарантулів?

Це дивно, я знаю, тому що я арахнофоб!

Поки ми перекидали каміння в Перу в пошуках жаб, я помітив маленького пухнастого задника, який стирчав з нори. Я подивився Бронвен Конекі, тодішній студент і співавтор, з яким я працював, і сказав: «Ти можеш це зрозуміти?» Вона зробила.

Ми зробили багато фотографій і показали їх експерту з систематики тарантулів, який сказав: «Схоже, у вас може бути новий вид. Чи можна якось зібрати самців і самок?»

Що сталося далі?

Мені довелося повернутися. Того разу це був тільки я з довгою парою щипців, що лізла в дірки. Я намагався б дуже обережно виловити тарантулів і ледь не втратив свідомість від надлишку адреналіну.

Більші екземпляри допомогла зібрати наша кінна команда. Ми передали нові зразки в Ліму та попросили відправити їх для таксономічної оцінки. Приблизно через 10 років їх нарешті проаналізували та опублікували результати. Іноді це займає багато часу, але наука виходить.

Де ви сподіваєтесь провести дослідження далі? Є місця мрії?

Я хотів би більше працювати в Гімалаях. Я просто люблю високогірне середовище. Помістіть мене в одну, і я буду щасливий. Я люблю стрибати зі скелі на скелю, перевертати речі, шукати тваринок. Моя улюблена справа — перевертати каміння та дивитися, що під ним.

У вільний час ви фотографували та вивчали сильні шторми. Розкажіть нам про це.

Це моє хобі. Мій чоловік, Антон Сеймон, є науковим керівником дослідницької групи торнадо. Він брав участь у дослідженні торнадо протягом трьох десятиліть, і я гонилася за штормами з ним з моменту нашого знайомства, тобто протягом 20 років.

Щороку між травнем і червнем ми пакуємо свій фургон і нашу гончу собаку Чейз і вирушаємо на Великі рівнини, щоб слідкувати за сильними штормами. Зазвичай ми націлюємося на шторми в областях, де, ймовірно, буде дуже мало руйнувань, де ми можемо бачити ці шторми безперервно. Але навіть якщо ми не бачимо штормів, я із задоволенням фотографую дику природу та польові квіти. Поринути в природу, як і в поле, це моя улюблена справа.