Cô ấy theo dõi DNA của các loài khó nắm bắt ẩn náu ở những nơi khắc nghiệt

Tracie Seimon sớm phát hiện ra niềm đam mê của mình với thế giới tự nhiên. Khi còn là một đứa trẻ lớn lên ở Colorado, cô ấy thích “thu hoạch côn trùng” từ sân sau của gia đình mình và nuôi một trang trại nuôi kiến ​​theo sở thích. Khi cô ấy nhìn thấy cảnh cây cối bị chặt trên tivi, cô ấy sẽ phát điên lên. Cô và cha mình thường nghiên cứu bầu trời đêm qua kính viễn vọng cho đến khi trí tò mò thôi thúc cô tháo kính viễn vọng ra để tìm hiểu cách thức hoạt động của nó. Cô ấy không bao giờ có thể lấy lại được. Sau đó, khi cha mẹ cô tặng cô món quà là một chiếc kính hiển vi, cô đã được hướng dẫn để nó nguyên vẹn.

“Tôi đã xem xét mọi thứ bên dưới nó,” cô nói.

Năm 2007, khi Seimon đang là giảng viên cơ sở tại Đại học Columbia và đang lựa chọn con đường sự nghiệp, cô cảm thấy mình bị kéo theo hai hướng đối lập. Cô ấy có thể đã chấp nhận lời đề nghị cho một vị trí giảng viên theo nhiệm kỳ để tiếp tục nghiên cứu y học về bệnh tim mạch. Nhưng thay vào đó, cô nhận công việc bán thời gian để giúp phát triển phòng thí nghiệm phân tử cho Hiệp hội Bảo tồn Động vật Hoang dã (WCS). Điều đó cuối cùng đã trở thành một lời đề nghị độc đáo để giúp khởi động một phòng thí nghiệm mới tại Sở thú Bronx với tư cách là thành viên nghiên cứu chung của WCS và Trung tâm Nhiễm trùng và Miễn dịch của Đại học Columbia. “Tôi đang được đào tạo về phát hiện mầm bệnh” đồng thời “từ từ cố gắng xây dựng” phòng thí nghiệm mới, cô ấy nói.

Hôm nay, Seimon là giám đốc Phòng thí nghiệm chẩn đoán phân tử của WCS có trụ sở tại Sở thú Bronx. Cô đã đi tiên phong trong việc sử dụng các công nghệ dựa trên DNA để phát hiện và giám sát các loài trong tự nhiên, đặc biệt là trong môi trường đầy thách thức. Nghiên cứu đa dạng sinh học của cô đã đưa cô đến Peru, Myanmar, Việt Nam, Campuchia, Nga, Uganda và Rwanda.

Seimon thậm chí đã leo lên đỉnh Everest, dẫn đầu nhóm thực hiện DNA môi trường toàn diện đầu tiên (eDNA) khảo sát đa dạng sinh học ở đó. Nghiên cứu đó là một phần của năm 2019 National Geographic và Rolex Chuyến thám hiểm Everest của Hành tinh vĩnh viễn, cuộc thám hiểm khoa học toàn diện nhất từng được tiến hành trên ngọn núi đó.

Trước khi công việc điền dã của Seimon đưa cô đến đỉnh Everest, cô đã nhiều lần hành trình đến dãy núi Andes của Peru. Trọng tâm của cô là lưu vực sông Sibinacocha của dãy núi băng giá Cordillera Vilcanota. Trong gần 20 năm, cô đã lãnh đạo một sáng kiến ​​thăm dò tác động của biến đổi khí hậu và nấm chytrid (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) lên các loài lưỡng cư sống trong môi trường sống đó.

Quanta đã nói chuyện với Seimon qua hội nghị truyền hình về các chuyến nghiên cứu toàn cầu của cô ấy. Cuộc phỏng vấn đã được cô đọng và chỉnh sửa cho rõ ràng.

Hãy cho tôi biết về phòng thí nghiệm của bạn tại Sở thú Bronx.

Phòng thí nghiệm của chúng tôi nhỏ. Hầu hết các chẩn đoán hàng ngày mà chúng tôi thực hiện là các xét nghiệm tìm mầm bệnh trên động vật trong bộ sưu tập của chúng tôi tại bốn sở thú của WCS và Thủy cung New York. Chúng tôi cũng có các dự án nghiên cứu giúp phát triển các công cụ phân tử để bảo tồn, loại công cụ nghiên cứu DNA mà bạn có thể ném vào ba lô và mang ra thực địa. Ví dụ: chúng tôi đã phát triển thử nghiệm vi-rút distemper ở chó và thử nghiệm eDNA cho các loài có nguy cơ tuyệt chủng. Và chúng tôi đào tạo các nhà nghiên cứu thực địa ở nhiều quốc gia nơi chúng tôi làm việc về cách thực hiện xét nghiệm DNA di động này.

Bạn đã tham gia vào nghiên cứu eDNA như thế nào?

Trở lại năm 2015, các đồng nghiệp của chúng tôi đã hỏi liệu chúng tôi có thể áp dụng công nghệ này để thử nghiệm một loài quý hiếm đang bị đe dọa: rùa mai mềm khổng lồ Dương Tử (Rafetus swinhoei). Chúng tôi đã dành rất nhiều thời gian để đến các ao của Sở thú Bronx, lấy nước, kiểm tra xem có loài nào trong đó và xem liệu chúng tôi có thể thực hiện xét nghiệm eDNA hay không.

Khi tôi mới bắt đầu, nó gần giống như khoa học viễn tưởng. "Thật sự? Chúng ta có thể phát hiện ra nhiều loài này chỉ từ nước không?”

Làm thế nào bạn tham gia vào việc nghiên cứu eDNA trên đỉnh Everest cho chuyến thám hiểm Hành tinh vĩnh cửu?

Paul Mayewski, một nhà nghiên cứu khí hậu và nhà băng học được đánh giá cao tại Đại học Maine, đang tổ chức một chuyến thám hiểm khoa học tới đỉnh Everest, và anh ấy đã mời tôi. Anh ấy hỏi tôi: “Tại sao bạn không tập hợp một số ý tưởng về những gì bạn muốn làm ở đó?” Suy nghĩ của tôi là, "Nếu chúng ta muốn tìm hiểu xem cuộc sống ở độ cao cao nhất là gì, liệu chúng ta có thể sử dụng eDNA để đánh giá tính đa dạng sinh học của đỉnh Everest không?"

Không ai biết nhiều về đa dạng sinh học vào thời điểm đó vì rất khó làm việc ở những độ cao đó. Không khí loãng. Bạn cảm thấy mệt mỏi rất nhanh. Khi bão thổi vào, đôi khi bạn phải định vị GPS để quay lại lều vì điều kiện mất điện hoàn toàn.

Tôi muốn biết liệu eDNA có thể là một cách dễ dàng hơn nhiều hay không. Chúng tôi có thể thu thập các mẫu nước, lọc chúng tại chỗ, mang các bộ lọc đó với DNA thu được trở lại phòng thí nghiệm, và sau đó chỉ cần sử dụng DNA để đánh giá những gì ở đó.

Vì vậy, bạn đã đến Everest và thu thập các mẫu theo cách đó. Sau này, ông đã phân tích những mẫu DNA đó như thế nào?

Chúng tôi đã chia nhỏ dữ liệu bằng hai kỹ thuật khác nhau, giải trình tự shotgun toàn bộ bộ gen và mã hóa siêu dữ liệu. Sau đó, chúng tôi sử dụng bốn đường dẫn tin sinh học khác nhau để phân tích dữ liệu và xác định những sinh vật mà chúng tôi đã phát hiện.

Bây giờ chúng tôi đã làm điều đó ở Everest, tôi rất muốn quay lại và làm điều đó ở Peru.

Những điểm chính của bạn liên quan đến eDNA mà bạn đã thu thập được trên đỉnh Everest là gì?

Có một lượng đa dạng sinh học đáng kinh ngạc ở đó. Chúng tôi có thể tìm thấy 187 bộ phân loại từ cây sự sống: vi rút, vi khuẩn, nấm, thực vật và động vật. Gần một phần sáu của tất cả các đơn đặt hàng phân loại đã biết có thể được tìm thấy trên một ngọn núi cao hơn 4,500 mét này. Địa hình ở độ cao đó trở lên chỉ chiếm 3% diện tích toàn cầu.

Hy vọng rằng khi có nhiều người thu thập dữ liệu DNA hơn, chúng tôi sẽ có thể phân tích lại các trình tự và nhận dạng nhiều hơn ở cấp độ chi và loài. Một số dữ liệu chúng tôi đã có thể làm điều đó rồi, điều đó thật tuyệt. Ví dụ: từ DNA trong các mẫu cá vụn, chúng tôi đã tìm thấy bằng chứng đầu tiên rằng mèo của Pallas (Otocolobus manul), một loài mèo hoang quý hiếm, sống ở miền đông Nepal. Điều đó thật thú vị. Nhưng hiện tại, chỉ có rất ít chuỗi tham chiếu từ Everest để so sánh dữ liệu và đó là thứ bạn cần để xác định thứ gì đó.

Có những hạn chế khác đối với nghiên cứu không?

Chắc chắn. Nghiên cứu của chúng tôi chỉ là một ảnh chụp nhanh về sự đa dạng trong vài tuần vào tháng 2019 và tháng XNUMX năm XNUMX. Chúng tôi bị giới hạn trong khoảng thời gian đó vì chuyến thám hiểm mà chúng tôi tham gia bao gồm các dự án gắn liền với mùa leo núi và thời điểm người Sherpa có thể trang bị dây thừng để đưa mọi người lên và trở lại an toàn.

Việc lấy mẫu của chúng tôi cũng bị hạn chế vì mùa xuân năm đó tan băng rất muộn. Từ hình ảnh vệ tinh trong những năm trước, chúng tôi đã dự đoán rằng các hồ trên đỉnh Everest sẽ tan băng hoàn toàn khi chúng tôi đến đó, nhưng một số trong số chúng vẫn bị đóng băng. Chúng tôi phải đột nhập vào băng để lấy mẫu nước từ bên dưới nó.

Nếu chúng tôi thay đổi bộ sưu tập trong vài tháng, liệu chúng tôi có thể thu thập được nhiều DNA hơn nữa không và tính đa dạng sinh học có cao hơn nữa không? Có lẽ, nhưng chúng tôi không có đủ thời gian để chờ đợi. Tuy nhiên, lượng dữ liệu chúng tôi lấy ra từ đó trong thời gian đó thật đáng kinh ngạc.

Sẽ thật tuyệt vời khi quan sát cách môi trường thay đổi theo mùa trong suốt một năm, và sau đó cứ XNUMX năm lại quay lại để xem điều đó thay đổi như thế nào theo thời gian. Một số sinh vật mà chúng tôi đã xác định đóng vai trò là loài chỉ thị cho biến đổi khí hậu và các áp lực môi trường khác.

Tại sao việc thực hiện xét nghiệm sinh học ở những nơi như dãy Himalaya lại quan trọng? Những môi trường khắc nghiệt này là một phần tương đối nhỏ của thế giới. Tại sao chỉ thu thập eDNA từ những nơi dễ tiếp cận hơn là không đủ?

Chúng tôi đã có hai mục tiêu trong đầu khi đi lên đó. Đầu tiên, chúng tôi muốn trả lời những câu hỏi như: Cuộc sống ở độ cao cao nhất là gì? Loài nào sống trên đó? Những sinh vật nào có thể chịu đựng được cái mà chúng ta gọi là môi trường khắc nghiệt?

Điều quan trọng cần biết chỉ từ góc độ sinh học. Ví dụ, một số sinh vật chúng tôi tìm thấy ở đó là gấu nước và luân trùng. Những sinh vật đó có thể sống ở hầu hết mọi nơi, kể cả những môi trường rất khắc nghiệt và khắc nghiệt. Tardigrades thậm chí có thể tồn tại trong chân không vũ trụ.

Thứ hai, môi trường trên núi cao là nơi bạn có thể tìm kiếm những thay đổi xảy ra với tốc độ nhanh hơn nhiều so với những thay đổi xảy ra ở phía dưới. Thông thường, những nhiễu loạn nhỏ của môi trường khắc nghiệt ở trên đó có thể tạo ra những thay đổi lớn trong phạm vi hoặc lãnh thổ mà những sinh vật này có thể chiếm giữ. Chúng tôi muốn hiểu hậu quả của những thay đổi đó.

Một ví dụ tuyệt vời là những gì chúng tôi đã học được ở vùng núi Cordillera Vilcanota ở miền nam Peru gần Hồ Sibinacocha. Thông qua các nghiên cứu trong vài thập kỷ, chúng tôi phát hiện ra rằng các loài lưỡng cư đang mở rộng phạm vi của chúng lên các địa hình gần đây đã bị đóng băng. Các ao mới đã hình thành phía sau các sông băng đang rút dần. Điều đó đã mở ra những môi trường sống mới mà loài này có thể di cư lên trên và chiếm giữ.

Nhưng nó không chỉ là động vật lưỡng cư. Chúng tôi đang thấy côn trùng, thực vật và các sinh vật khác cũng di chuyển vào các khu vực ao đó. Ở các khu vực miền núi, toàn bộ sinh quyển đang tăng lên để đối phó với biến đổi khí hậu, như chúng tôi đã ghi nhận ở dãy núi Andes của Peru.

Câu hỏi cũng trở thành: Liệu chúng ta có thể đo lường tốc độ thay đổi của những người giàu có này diễn ra nhanh như thế nào không? Chúng tôi nhận thấy rằng động vật lưỡng cư di chuyển rất nhiều dựa trên sự sẵn có của môi trường sống. Khi một cái ao hình thành, chúng sẽ di chuyển vào đó, nhưng cuối cùng nó không còn được cung cấp nước bởi sông băng nữa. Khi nó khô cạn, các loài lưỡng cư di chuyển sang ao tiếp theo. Đó là một môi trường rất năng động, thay đổi nhanh chóng.

Nghiên cứu Everest là một cách tuyệt vời để thiết lập dữ liệu cơ bản để ghi lại những thay đổi này. Vì các loài trên đó sống trong môi trường khắc nghiệt nên chúng dễ thay đổi hành vi hơn.

eDNA có hữu ích như một công cụ trong môi trường ít khắc nghiệt hơn không?

Tôi chưa bao giờ nghĩ eDNA là công cụ chính. eDNA nên được sử dụng kết hợp với các cách giám sát đa dạng sinh học khác. Sau đó, chúng ta có thể xem xét dữ liệu eDNA một cách tổng thể và theo ngữ cảnh hơn.

Ví dụ: tôi đã thu thập các mẫu phân và chúng tôi đã thực hiện các cuộc khảo sát trực quan khi chúng tôi ở trên đỉnh Everest. Chúng tôi đã tìm thấy dấu vết của báo tuyết trong tuyết mới rơi ở đó, nhưng chúng tôi không tìm thấy báo tuyết trong mẫu eDNA của mình. Đó là điều chúng tôi đã bỏ lỡ.

Vấn đề với eDNA là mặc dù nó có thể cung cấp nhiều thông tin đáng kinh ngạc về rất nhiều thứ trong một môi trường, nhưng bạn không thể loại trừ những gì không có trong dữ liệu của mình. Bởi vì bạn luôn bị giới hạn bởi độ nhạy phát hiện của mình.

Giả sử chúng ta lấy 20 mẫu nước từ một cái hồ và chỉ có một mẫu cho kết quả dương tính với rùa. Nếu chúng tôi chỉ lấy 10 mẫu, chúng tôi có thể đã bỏ sót những con rùa trong đó. Vì vậy, với eDNA, việc diễn giải dữ liệu của bạn luôn phải dựa trên chiến lược lấy mẫu. Khi bạn đang áp dụng eDNA cho một thứ gì đó như giám sát sinh học để thay đổi theo thời gian, trước tiên bạn nên biết hệ sinh thái của hệ thống của mình và sau đó ghi nhớ tất cả các cảnh báo.

Một số cảnh báo đó là gì?

Chỉ vì bạn phát hiện ra DNA không nhất thiết có nghĩa là bạn đang thu thập nó từ một sinh vật sống. Nó có thể là do một sinh vật chết thải ra eDNA. Nếu bạn khuấy động đáy của một vùng nước, có thể bạn đang khuấy động DNA cổ đại. Bạn thực sự phải suy nghĩ về những câu hỏi mà bạn muốn trả lời và liệu eDNA có trả lời những câu hỏi đó hay không.

Bạn cũng phải nhớ eDNA phân hủy nhanh như thế nào, tùy thuộc vào nhiệt độ hoặc điều kiện ánh sáng cực tím. Rất nhiều thứ có thể làm giảm thời gian bán hủy của eDNA của bạn và bạn phải xem xét tất cả những thứ đó khi thiết kế một nghiên cứu. Nó có thể khá phức tạp.

Ngoài các nghiên cứu về đa dạng sinh học, bạn cũng đang sử dụng eDNA để xác định các loài trong buôn bán động vật hoang dã.

Đúng. Một trong những dự án của chúng tôi là phát triển xét nghiệm DNA có thể xác định tất cả các loài mèo lớn bị buôn bán trong hoạt động buôn bán xương bất hợp pháp. Tất cả các bộ phận của hổ đều được sử dụng trong buôn bán động vật hoang dã. Chúng tôi muốn phát triển một thử nghiệm cho phép sàng lọc trước tốt hơn tại các điểm tịch thu hoặc điểm nhập cảnh vào các quốc gia. Một công cụ sẽ rất dễ sử dụng, để bạn có thể thiết lập một phòng thí nghiệm di động và sàng lọc xương có thể lọt qua hành lý hoặc gói hàng của mọi người. Thứ gì đó có thể nhanh chóng xác định xem một mẫu có phải của một loài mèo lớn hay không, và do đó có thể được quy định để sau đó có thể gửi mẫu đi xét nghiệm pháp y xác nhận.

Một phiên bản thử nghiệm đang được thử nghiệm ở Trung Quốc và tại Hoa Kỳ. Ý tưởng là sử dụng nó như một công cụ sàng lọc có thể giúp cơ quan thực thi pháp luật trấn áp hoạt động buôn bán bất hợp pháp.

Bạn đã lãnh đạo một sáng kiến ​​giám sát dài hạn ở Peru, tập trung vào loại nấm chytrid lưỡng cư, loại nấm này được coi là đang tiêu diệt nhiều quần thể lưỡng cư trên khắp thế giới. Loại nấm đó ảnh hưởng đến động vật lưỡng cư như thế nào?

Nấm tấn công da của các loài dễ bị tổn thương. Sau đó, một con ếch bị nhiễm bệnh sẽ phát triển chứng tăng sừng hóa, lớp sừng dày lên của da ngăn cản quá trình hấp thụ nước và oxy. Vì vậy, chất điện giải của nó bị mất cân bằng một cách nguy hiểm và nó bong ra khỏi da. Những con ếch cuối cùng bị ngừng tim.

Nó có thể tàn phá đối với một số loài nhất định, nhưng những loài khác dường như kiên cường hơn nhiều đối với nó. Có rất nhiều câu hỏi phức tạp về khả năng gây bệnh của các chủng nấm khác nhau. Đó là một lĩnh vực lớn.

Chúng tôi đã nghiên cứu những con ếch nào đang bị nhiễm nấm chytrid và sau đó, trong khi chúng đang đối phó với nó, chúng cũng thích nghi với tác động của khí hậu ấm lên như thế nào.

Bạn đã tìm thấy gì?

Chúng tôi đã có thể chỉ ra rằng khi những con ếch tiến lên và mở rộng phạm vi của chúng, chúng sẽ mang theo loại nấm này. Một số loài ếch mà chúng tôi tìm thấy gần đỉnh đèo, ở độ cao 5,300 mét, đã dương tính với chytrid. Khi các nhà nghiên cứu của chúng tôi đi vào lĩnh vực này, chúng tôi thực hiện rất nhiều biện pháp phòng ngừa bằng cách xịt cồn vào ủng để chúng tôi không lây lan nấm ra xung quanh.

Ở dãy Andes, chúng tôi đã chứng kiến ​​sự biến mất của một loài ếch nước cẩm thạch, Telmatobius marmoratus. Sau năm 2005, dân số sụp đổ. Chúng tôi không thể tìm thấy chúng ở bất kỳ trang web nào mà chúng tôi đã lấy mẫu trong nhiều năm. Nhưng đến năm 2013, họ dường như đang quay trở lại. Chúng đang trở nên kháng nấm hơn. Có hy vọng rằng họ sẽ làm khá tốt khi tiếp tục thích nghi với môi trường thay đổi nhanh chóng ở đó.

Bạn có một địa điểm yêu thích để làm nghiên cứu thực địa không?

Sở thích của tôi luôn là Hồ Sibinacocha ở Peru. Bạn có những con hồng hạc bay trên sông băng và những con chim ruồi Andean bay xung quanh bạn. Ếch và vicuña. Nó đẹp một cách đáng kinh ngạc và đa dạng sinh học vô cùng đối với một môi trường núi cao như vậy.

Làm thế nào bạn phát hiện ra hai loài tarantula mới?

Thật đáng ngạc nhiên, tôi biết, bởi vì tôi là một kẻ sợ nhện!

Trong khi chúng tôi lật những tảng đá ở Peru để tìm ếch, tôi phát hiện ra một con bọ nhỏ lông xù thò ra khỏi một cái lỗ. Tôi đã nhìn Bronwen Konecky, một sinh viên và cộng tác viên lúc bấy giờ mà tôi đang làm việc cùng, và nói, "Bạn có thể nắm bắt được điều đó không?" Cô ấy đã làm.

Chúng tôi đã chụp rất nhiều ảnh và đưa chúng cho một chuyên gia phân loại tarantula, người này nói: “Có vẻ như bạn có thể có một loài mới. Có cách nào bạn có thể thu thập một số con đực và con cái không?”

Những gì đã xảy ra tiếp theo?

Tôi phải quay lại. Lần đó, chỉ có một mình tôi với chiếc kẹp dài thò tay vào lỗ. Tôi sẽ cố gắng bắt những con nhện tarantote thật cẩn thận và gần như bất tỉnh vì quá tải adrenalin.

Các mẫu vật lớn hơn, nhóm ngựa của chúng tôi đã giúp thu thập. Chúng tôi gửi các mẫu vật mới ở Lima và yêu cầu chúng được gửi đi để đánh giá phân loại. Khoảng 10 năm sau, chúng cuối cùng đã được phân tích và kết quả được công bố. Đôi khi phải mất một thời gian dài, nhưng khoa học sẽ đưa ra.

Bạn hy vọng sẽ tiến hành nghiên cứu tiếp theo ở đâu? Bất kỳ địa điểm mơ ước?

Tôi rất thích làm nhiều việc hơn ở Himalayas. Tôi chỉ thích môi trường núi cao. Đặt tôi vào một và tôi hạnh phúc. Tôi thích nhảy từ tảng đá này sang tảng đá khác, lật tung mọi thứ, tìm kiếm các sinh vật. Điều yêu thích của tôi là lật những tảng đá và xem có gì bên dưới chúng.

Trong thời gian rảnh rỗi, bạn đã chụp ảnh và nghiên cứu những cơn bão nghiêm trọng. Hãy cho chúng tôi biết về điều đó.

Đó là sở thích của tôi. Chồng của tôi, Anton Seimon, là trưởng khoa học của một nhóm nghiên cứu lốc xoáy. Anh ấy đã tham gia nghiên cứu lốc xoáy trong ba thập kỷ, và tôi đã cùng anh ấy đuổi theo bão kể từ khi chúng tôi gặp nhau, vậy là đã 20 năm.

Hàng năm từ tháng XNUMX đến tháng XNUMX, chúng tôi đóng gói chiếc xe tải và chú chó săn Chase của mình, và chúng tôi đi ra ngoài Great Plains để theo dõi những cơn bão nghiêm trọng. Chúng tôi thường nhắm mục tiêu các cơn bão ở những khu vực có khả năng bị tàn phá rất ít, nơi chúng tôi có thể xem liên tục các cơn bão này. Nhưng ngay cả khi chúng ta không nhìn thấy bão, tôi vẫn rất vui khi chụp ảnh động vật hoang dã và hoa dại. Hòa mình vào thiên nhiên, giống như khi tôi ra đồng, là điều tôi thích làm nhất.