她追踪隐藏在恶劣地方的难以捉摸的物种的 DNA

Tracie Seimon 很早就发现了她对自然世界的热情。 作为一个在科罗拉多州长大的孩子，她喜欢在自家后院“收获昆虫”，并喜欢开一个蚂蚁农场。 当她在电视上看到树木被砍伐时，她会心烦意乱。 她和她的父亲过去常常通过望远镜研究夜空，直到她的好奇心促使她拆开望远镜以弄清楚它是如何工作的。 她再也无法恢复原状。 当她的父母后来送给她一台显微镜作为礼物时，她被告知要完好无损。

“我看了它下面的一切，”她说。

2007 年，当西蒙在哥伦比亚大学担任初级教员并选择职业道路时，她感到自己被拉向了两个相反的方向。 她本可以接受终身教职职位的邀请，继续她在心血管疾病方面的医学研究。 但相反，她找了一份兼职工作，帮助为野生动物保护协会 (WCS) 开发一个分子实验室。 这最终演变成一项独特的提议，帮助在布朗克斯动物园启动一个新实验室，作为 WCS 和哥伦比亚大学感染与免疫中心的联合研究员。 她说，“我正在接受病原体发现方面的培训”，同时也在“慢慢尝试建立”新实验室。

今天， 清门 是位于布朗克斯动物园的 WCS 分子诊断实验室的主任。 她率先使用基于 DNA 的技术检测和监测野外物种，尤其是在具有挑战性的环境中。 她的生物多样性研究将她带到了秘鲁、缅甸、越南、柬埔寨、俄罗斯、乌干达和卢旺达。

Seimon 甚至登上了珠穆朗玛峰，带领团队完成了第一个全面的环境 DNA (eDNA) 生物多样性调查 那里。 该研究是 2019 年的一部分 国家地理 和劳力士 永恒星球珠穆朗玛峰探险，有史以来最全面的科学考察在那座山上进行。

在 Seimon 的野外工作将她带到珠穆朗玛峰之前，她曾多次前往秘鲁安第斯山脉。 她关注的焦点是科迪勒拉维尔卡诺塔冰川化山脉的 Sibinacocha 分水岭。 近 20 年来，她领导了一项探索气候变化和壶菌影响的倡议（石斛藤壶菌 or Bd) 生活在该栖息地的两栖动物。

广达 通过视频会议与 Seimon 讨论了她的全球研究之旅。 为清楚起见，对访谈进行了压缩和编辑。

告诉我你在布朗克斯动物园的实验室。

我们的实验室很小。 我们进行的大部分日常诊断都是对我们在 WCS 的四个动物园和纽约水族馆收藏的动物进行病原体检测。 我们也有一些研究项目，我们正在帮助开发用于保护的分子工具，这种用于研究 DNA 的工具你可以直接扔进背包里带到野外。 例如，我们开发了便携式犬瘟热病毒检测和濒危物种的 eDNA 检测。 我们在我们工作的许多国家/地区培训现场研究人员如何进行这种便携式 DNA 测试。

您是如何参与 eDNA 研究的？

早在 2015 年，我们的同事就问我们是否可以将该技术应用于检测一种稀有、受威胁的物种：长江巨鳖 (白花鼠尾草). 我们花了很多时间去布朗克斯动物园的池塘，取水，测试看看里面有什么物种，看看我们是否可以进行 eDNA 测试。

当我刚开始的时候，它几乎就像科幻小说一样。 “真的吗？ 我们能从水中检测出这么多物种吗？”

您是如何参与研究珠穆朗玛峰上的 eDNA 以进行永久行星探险的？

保罗·梅耶斯基（Paul Mayewski），缅因大学一位备受推崇的气候研究员和冰川学家，正在组织一次珠穆朗玛峰科学探险，他邀请了我。 他问我，“你为什么不把一些你想在那里做什么的想法放在一起？” 我的想法是，“如果我们想弄清楚最高海拔的生命是什么，我们是否可以使用 eDNA 来评估珠穆朗玛峰的生物多样性？”

当时没有人对生物多样性了解太多，因为在那些高海拔地区工作非常困难。 空气稀薄。 你很快就会感到疲倦。 当暴风雨袭来时，有时您必须通过 GPS 返回帐篷，因为天气已经完全变白了。

我很想知道 eDNA 是否是一种更简单的方法。 我们可以收集水样，在现场进行过滤，将带有捕获 DNA 的过滤器带回实验室，然后仅使用 DNA 来评估其中的成分。

所以你去了珠穆朗玛峰并以这种方式收集了样本。 后来，你是怎么分析那些DNA样本的？

我们使用两种不同的技术分解数据，全基因组鸟枪法测序和元条形码。 然后我们使用四种不同的生物信息学管道来分析数据并确定我们检测到的生物体。

现在我们已经在珠穆朗玛峰完成了，我很想回到秘鲁。

关于您在珠穆朗玛峰上收集的 eDNA，您的主要收获是什么？

那里有数量惊人的生物多样性。 我们能够从整个生命之树中找到 187 个分类顺序：病毒、细菌、真菌、植物和动物。 在这座海拔4,500米以上的山峰上，几乎可以找到所有已知生物分类目的六分之一。 该海拔及以上的地形仅占全球陆地面积的 3%。

希望随着越来越多的人收集 DNA 数据，我们将能够重新分析序列，并将鉴定结果进一步降低到属和种的水平。 我们已经能够使用一些数据来做到这一点，这很棒。 例如，从粪便样本的 DNA 中，我们发现了第一个证据表明 Pallas 的猫 (耳耳蝠)，一种稀有的野生猫科动物，生活在尼泊尔东部。 那是令人兴奋的。 但目前，只有极少数来自珠穆朗玛峰的参考序列可供比较数据，而这正是您需要识别的东西。

该研究还有其他局限性吗？

当然。 我们的研究只是 2019 年 XNUMX 月和 XNUMX 年 XNUMX 月几周期间多样性的一个快照。我们被限制在那个窗口，因为我们参与的探险包括与登山季节相关的项目，以及夏尔巴协作何时可以进行用于让人们安全起身和返回的绳索。

我们的采样也很有限，因为那年春季解冻来得很晚。 从往年的卫星图像来看，我们预计到达珠穆朗玛峰时，珠穆朗玛峰上的湖泊会完全融化，但其中有几个湖泊仍处于冰冻状态。 我们不得不砍入冰层以从其下采集水样。

如果我们将收集工作转移几个月，我们是否可以收集到更多的 DNA，生物多样性会更高吗？ 也许吧，但我们没有时间等待。 尽管如此，我们在那段时间从那里提取的数据量还是惊人的。

看看环境在一年中如何随季节变化，然后每五年回溯一次，看看它是如何随时间变化的，这将是一件令人惊奇的事情。 我们确定的一些生物体可作为气候变化和其他环境压力的指示物种。

为什么在喜马拉雅山等地进行生物测定很重要？ 这些极端环境只是世界上相对较小的一部分。 为什么仅仅从更容易接近的地方收集 eDNA 还不够？

我们有两个目标去那里。 首先，我们想回答这样的问题：什么是最高海拔的生活？ 什么物种生活在那里？ 什么生物可以忍受我们所说的极端环境？

仅从生物学角度了解这一点很重要。 例如，我们在那里发现的一些生物是缓步动物和轮虫。 这些生物几乎可以生活在任何地方，包括非常恶劣和极端的环境。 缓步动物甚至可以在太空的真空中生存。

其次，在高山环境中，您可以发现发生的变化比在低处发生的变化要快得多。 通常，那里的极端环境的微小扰动会迫使这些生物可以占据的范围或领土发生重大变化。 我们想了解这些变化的后果。

一个很好的例子是我们在秘鲁南部靠近 Sibinacocha 湖的 Cordillera Vilcanota 山区了解到的情况。 通过几十年的研究，我们发现两栖动物一直在向上扩展它们的活动范围，进入最近冰川消融的地区。 在消退的冰川后面形成了新的池塘。 这开辟了该物种可以向上迁移并占据的新栖息地。

但不仅仅是两栖动物。 我们也看到昆虫、植物和其他生物进入这些池塘区域。 在山区，整个生物圈都在响应气候变化而上升，正如我们在秘鲁安第斯山脉所记录的那样。

问题也变成了：我们能否衡量这些丰富的变化发生的速度有多快？ 我们发现两栖动物会根据栖息地的可用性进行大量移动。 当池塘形成时，他们会搬进去，但最终它不再由冰川供给。 当它干涸时，两栖动物移动到下一个池塘。 这是一个非常动态、快速变化的环境。

珠穆朗玛峰研究是建立用于记录这些变化的基线数据的好方法。 因为那里的物种生活在恶劣的环境中，所以它们更容易改变自己的行为。

eDNA 在不太极端的环境中是否是有用的工具？

我从不认为 eDNA 是主要工具。 eDNA 应与其他生物多样性监测方法结合使用。 然后我们可以更全面地和结合上下文来查看 eDNA 数据。

例如，我收集了粪便样本，我们在珠穆朗玛峰上进行了视觉遭遇调查。 我们在那里的新降雪中发现了雪豹足迹，但我们的 eDNA 样本中没有发现雪豹。 那是我们错过的事情。

eDNA 的问题在于，虽然它可以提供有关环境中很多内容的令人难以置信的信息，但您不能排除数据中不存在的内容。 因为您总是受到检测灵敏度的限制。

假设我们从一个湖中采集了 20 个水样，只有一个样本对海龟呈阳性反应。 如果我们只采集了 10 个样本，我们可能会错过那里的海龟。 因此，对于 eDNA，您对数据的解释始终必须基于采样策略。 当您将 eDNA 应用于生物监测等随时间变化的情况时，最好先了解系统的生态学，然后牢记所有注意事项。

其中有哪些注意事项？

仅仅因为您检测到 DNA 并不一定意味着您是从活生物体中收集它。 它可能来自脱落 eDNA 的死亡生物体。 如果你搅动水体的底部，也许你正在搅动古老的 DNA。 你真的必须考虑你想要回答的问题以及 eDNA 是否会回答这些问题。

您还必须记住 eDNA 降解的速度有多快，这取决于温度或紫外线条件。 有很多因素会缩短 eDNA 的半衰期，您在设计研究时必须考虑所有这些因素。 它可能非常复杂。

除了生物多样性研究之外，您还使用 eDNA 来识别野生动物贸易中的物种。

是的。 我们的一个项目是开发一种 DNA 测试，可以识别在非法骨骼交易中贩运的所有大型猫科动物。 老虎的所有部分都用于野生动物贸易。 我们想开发一种测试，以便在没收点或国家入境点进行更好的预筛查。 一个非常易于使用的工具，这样你就可以建立一个便携式实验室并筛查可能通过人们的行李或包裹进入的骨头。 可以快速查看样本是否来自大型猫科动物的东西，因此可能会受到监管，以便随后可以将其送去进行确认性法医测试。

一个试点版本正在中国和美国试用。我们的想法是将其用作筛选工具，帮助执法部门打击非法贸易。

你在秘鲁领导了一项长期监测计划，重点关注两栖动物壶菌，这种真菌被视为摧毁了世界各地的许多两栖动物种群。 这种真菌如何影响两栖动物？

这种真菌攻击脆弱物种的皮肤。 受感染的青蛙随后会出现角化过度症，即皮肤角蛋白层增厚，抑制水和氧气的吸收。 所以它的电解质变得危险地不平衡并且它正在从皮肤上脱落。 青蛙最终心脏骤停。

它对某些物种来说可能是毁灭性的，但其他物种似乎对它更有弹性。 关于不同真菌菌株的致病性存在很多复杂的问题。 这是一个很大的领域。

我们一直在研究哪些青蛙被壶菌感染，然后，当它们处理它时，它们如何适应气候变暖的影响。

你发现了什么？

我们已经能够证明，当青蛙向上移动并扩大它们的活动范围时，它们会带来真菌。 我们在海拔 5,300 米的山口顶部附近发现的一些青蛙呈壶菌阳性。 当我们的研究人员进入该领域时，我们会采取很多预防措施，在我们的靴子上喷洒酒精，这样我们就不会将真菌传播到周围。

在安第斯山脉，我们看到了一个物种的消失，大理石纹水蛙， 斑马线虫. 2005年后，人口暴跌。 我们无法在多年来采样的任何站点中找到它们。 但到了 2013 年，他们似乎又回来了。 它们对真菌的抵抗力越来越强。 希望他们在继续适应那里快速变化的环境时会做得很好。

您有最喜欢的实地考察地点吗？

我最喜欢的永远是秘鲁的西比纳科查湖。 你有火烈鸟飞过冰川和安第斯蜂鸟在你身边飞舞。 青蛙和骆马。 对于这样的高山环境来说，它非常美丽，生物多样性也令人难以置信。

你是如何发现两个新的狼蛛物种的？

这很令人惊讶，我知道，因为我是蜘蛛恐惧症患者！

当我们翻过秘鲁的岩石寻找青蛙时，我发现一个毛茸茸的小流浪汉从洞里伸出来。 我在看 布朗文科内基，一位当时的学生兼合作者，当时我正在和他一起工作，他说，“你能抓住那个吗？” 她做过。

我们拍了很多照片，拿给狼蛛分类学家看，他说：“看来你发现了一个新物种。 有什么办法可以收集一些雄性和雌性？”

接下来发生了什么？

我不得不回去了。 那一次，只有我拿着一把长长的钳子，伸进洞里。 我会非常小心地把狼蛛捞出来，差点因为肾上腺素超载而昏倒。

更大的标本，我们的马队帮助收集。 我们将新标本存放在利马，并要求将它们送去进行分类学评估。 大约 10 年后，他们终于被分析并发表了结果。 有时需要很长时间，但科学确实出来了。

您下一步希望在哪里进行研究？ 有什么梦寐以求的地方吗？

我很想在喜马拉雅山做更多的工作。 我只是喜欢高山环境。 把我放在一起，我很高兴。 我喜欢从一块石头跳到另一块石头，把东西翻过来，寻找小动物。 我最喜欢做的事情是翻转石头，看看下面有什么。

在业余时间，您拍摄并研究了强风暴。 告诉我们这件事。

那是我的爱好。 我的老公， 安东西蒙，是龙卷风研究小组的科学负责人。 他从事龙卷风研究已有 20 年，自从我们认识以来，我一直和他一起追逐风暴，所以 XNUMX 年了。

每年 XNUMX 月到 XNUMX 月期间，我们都会带上我们的货车和我们的猎犬 Chase，然后前往大平原，以应对严重的风暴。 我们通常将风暴定位在破坏可能很少的地区，在那里我们可以不受干扰地看到这些风暴。 但即使我们看不到暴风雨，我也非常乐意拍摄野生动物和野花。 沉浸在大自然中，就像我外出野外一样，是我最喜欢做的事情。