Tracie Seimon oppdaget sin lidenskap for den naturlige verden tidlig. Som barn som vokste opp i Colorado, likte hun å "høste insekter" fra familiens bakgård og holde en hobbymaurfarm. Når hun så trær bli hugget ned på TV, ble hun fortvilet. Hun og faren pleide å studere nattehimmelen gjennom et teleskop inntil nysgjerrigheten hennes fikk henne til å demontere teleskopet for å finne ut hvordan det fungerte. Hun kunne aldri få det sammen igjen. Da foreldrene hennes senere ga henne et mikroskop i gave, ble hun bedt om å la det være intakt.

"Jeg så på alt under den," sa hun.

I 2007, da Seimon var junior fakultet ved Columbia University og valgte en karrierevei, følte hun at hun ble trukket i to motsatte retninger. Hun kunne ha akseptert et tilbud om en fast fakultetsstilling for å fortsette sin medisinske forskning på hjerte- og karsykdommer. Men i stedet tok hun en deltidsjobb for å hjelpe til med å utvikle et molekylært laboratorium for Wildlife Conservation Society (WCS). Det ble til slutt omgjort til et unikt tilbud for å hjelpe til med å lansere et nytt laboratorium ved Bronx Zoo som en felles stipendiat for WCS og Columbia Universitys senter for infeksjon og immunitet. "Jeg trente på å oppdage patogener" mens jeg også "sakte prøvde å bygge opp" det nye laboratoriet, sa hun.

I dag, Seimon er direktør for WCSs Molecular Diagnostics Laboratory basert på Bronx Zoo. Hun har vært banebrytende i bruken av DNA-baserte teknologier for å oppdage og overvåke arter i naturen, spesielt i utfordrende miljøer. Forskningen hennes om biologisk mangfold har ført henne til Peru, Myanmar, Vietnam, Kambodsja, Russland, Uganda og Rwanda.

Seimon har til og med steget opp på Mount Everest, og ledet teamet som gjorde det første omfattende miljø-DNA (eDNA) undersøkelse av biologisk mangfold der. Denne forskningen var en del av 2019 National Geographic og Rolex Perpetual Planet Everest Expedition, den mest omfattende vitenskapelige ekspedisjonen som noen gang er utført på det fjellet.

Før Seimons feltarbeid tok henne til Mount Everest, reiste hun mange ganger til de peruanske Andesfjellene. Hennes fokus er Sibinacocha-vannskillet i den isbrede fjellkjeden Cordillera Vilcanota. I nesten 20 år har hun ledet et initiativ som undersøker effektene av klimaendringer og chytrid-soppen (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) på amfibiene som lever i det habitatet.

Quanta snakket med Seimon over videokonferanse om hennes globale forskningsvandringer. Intervjuet er komprimert og redigert for klarhet.

Fortell meg om laboratoriet ditt i Bronx Zoo.

Laboratoriet vårt er lite. Mesteparten av den daglige diagnostikken vi kjører er tester for patogener på dyrene i samlingen vår ved WCSs fire dyreparker og New York Aquarium. Vi har også forskningsprosjekter der vi hjelper til med å utvikle molekylære verktøy for konservering, den typen verktøy for å studere DNA som du bokstavelig talt kan kaste i en ryggsekk og ta med ut i felten. For eksempel har vi utviklet bærbare hundevalpevirustesting og eDNA-testing for truede arter. Og vi utdanner feltforskere i mange av landene der vi jobber med hvordan vi gjør denne bærbare DNA-testingen.

Hvordan ble du involvert i eDNA-forskning?

Tilbake i 2015 spurte kollegene våre om vi kunne bruke teknologien til å teste for en sjelden, truet art: Yangtze gigantiske softshell skilpadde (Rafetus swinhoei). Vi brukte mye tid på å gå til Bronx Zoo-dammene våre, samle vann, teste for å se hvilke arter som var der, og se om vi i det hele tatt kunne gjøre eDNA-testing.

Da jeg først begynte virket det nesten som science fiction. "Egentlig? Vi kan oppdage så mange arter bare fra vann?»

Hvordan ble du involvert i å studere eDNA på Mount Everest for Perpetual Planet-ekspedisjonen?

Paul Mayewski, en høyt ansett klimaforsker og glasiolog ved University of Maine, satt sammen en vitenskapsekspedisjon til Mount Everest, og han inviterte meg. Han spurte meg: "Hvorfor setter du ikke sammen noen ideer om hva du vil gjøre der?" Min tanke var: "Hvis vi vil finne ut hva livet i høyeste høyde er, kan vi bruke eDNA til å vurdere biologisk mangfold på Mount Everest?"

Ingen visste mye om det biologiske mangfoldet på det tidspunktet fordi det er veldig vanskelig å jobbe på de høye høydene. Luften er tynn. Du blir veldig fort sliten. Når stormer blåser inn, må du noen ganger GPS deg tilbake til teltet på grunn av full whiteout-forhold.

Jeg var interessert i å se om eDNA kunne være en mye enklere måte. Vi kunne samle inn vannprøver, filtrere dem på stedet, bringe filtrene med det fangede DNA tilbake til laboratoriet, og så bare bruke DNA for å vurdere hva som er der.

Så du dro til Everest og samlet prøver på den måten. Hvordan analyserte du disse DNA-prøvene senere?

Vi brøt ned dataene ved å bruke to forskjellige teknikker, helgenom haglesekvensering og metabarcoding. Deretter brukte vi fire forskjellige bioinformatikkrørledninger for å analysere dataene og finne ut hvilke organismer vi hadde oppdaget.

Nå som vi har gjort det på Everest, vil jeg gjerne gå tilbake og gjøre det i Peru.

Hva var dine viktigste takeaways angående eDNA du samlet på Mount Everest?

Det er utrolig mye biologisk mangfold der oppe. Vi var i stand til å finne 187 taksonomiske rekkefølger fra hele livets tre: virus, bakterier, sopp, planter og dyr. Nesten en sjettedel av alle de kjente taksonomiske ordenene kunne finnes på dette ene fjellet over 4,500 meter. Terreng i den høyden og høyere utgjør bare 3 % av den globale landmassen.

Forhåpentligvis, ettersom flere mennesker samler inn DNA-data, vil vi være i stand til å analysere sekvensene på nytt og få identifiseringene mer ned til nivået av slekt og art. Noen av dataene var vi i stand til å gjøre det med allerede, noe som var flott. For eksempel, fra DNA i prøver av scat, fant vi det første beviset på at Pallas' katt (Otocolobus manul), en sjelden art av vill kattedyr, lever i det østlige Nepal. Det var spennende. Men for øyeblikket er det bare veldig få referansesekvenser fra Everest å sammenligne data med, og det er det du trenger for å identifisere noe.

Var det andre begrensninger for studien?

Sikker. Studien vår er bare ett øyeblikksbilde av mangfoldet i løpet av flere uker i april og mai 2019. Vi var begrenset til det vinduet fordi ekspedisjonen som vi var en del av inkluderte prosjekter knyttet til klatresesongen og når sherpaene kunne sette opp tau for å få folk trygt opp og tilbake.

Vår prøvetaking var også begrenset fordi vårsmeltingen kom veldig sent det året. Fra satellittbilder tidligere år forventet vi at innsjøene på Mount Everest ville være helt tint når vi kom dit, men flere av dem var fortsatt frosset. Vi måtte hacke oss inn i isen for å prøve vannet under den.

Hvis vi hadde forskjøvet samlingen med et par måneder, kunne vi ha samlet inn enda mer DNA, og ville det biologiske mangfoldet vært enda høyere? Kanskje, men vi hadde ikke luksusen til å vente. Likevel er mengden data vi trakk ut derfra på den tiden forbløffende.

Det ville være utrolig å se på hvordan miljøet endrer seg sesongmessig gjennom et år, og deretter gå tilbake hvert femte år for å se hvordan det endrer seg over tid. Noen av organismene vi identifiserte fungerer som indikatorarter for klimaendringer og andre miljøbelastninger.

Hvorfor er det viktig å gjøre bioassays på steder som Himalaya? Disse ekstreme miljøene er en relativt liten del av verden. Hvorfor er det ikke nok å bare samle inn eDNA fra mer tilgjengelige steder?

Vi hadde to mål i tankene der oppe. Først ønsket vi å svare på spørsmål som: Hva er livet i den høyeste høyden? Hvilken art lever der oppe? Hvilke organismer tåler det vi kaller ekstreme miljøer?

Det er viktig å vite bare fra et biologisk perspektiv. For eksempel er noen av organismene vi fant der oppe tardigrader og hjuldyr. Disse organismene kan leve stort sett hvor som helst, inkludert svært tøffe og ekstreme miljøer. Tardigrades kan til og med overleve rommets vakuum.

For det andre er miljøer med høye fjell steder hvor du kan se etter endringer som skjer i mye raskere hastighet enn det som skjer lavere nede. Vanligvis kan små forstyrrelser i de ekstreme miljøene der oppe fremtvinge store endringer i områdene eller territoriene som disse organismene kan okkupere. Vi ønsket å forstå konsekvensene av disse endringene.

Et godt eksempel er det vi har lært i fjellene i Cordillera Vilcanota i Sør-Peru nær Sibinacocha-sjøen. Gjennom studier over et par tiår fant vi ut at amfibier har utvidet rekkevidden oppover i terreng som nylig har blitt avglasert. Nye dammer har dannet seg bak de vikende isbreene. Det har åpnet nye habitater som arten kan migrere oppover til og okkupere.

Men det er ikke bare amfibiene. Vi ser også insekter, planter og andre organismer flytte inn i disse damområdene. I fjellområder stiger hele biosfæren som svar på klimaendringer, slik vi har dokumentert i de peruanske Andesfjellene.

Spørsmålet blir også: Kan vi måle hvor raskt disse rike endringsratene skjer? Vi finner ut at amfibier beveger seg mye rundt basert på habitattilgjengelighet. Når en dam dannes, vil de flytte inn i den, men til slutt blir den ikke lenger matet av isbreen. Når det tørker opp, flytter amfibiene til neste dam. Det er et veldig dynamisk, raskt skiftende miljø.

Everest-studien er en fin måte å etablere grunnleggende data for å dokumentere disse endringene. Fordi artene der oppe lever i tøffe miljøer, er de mer utsatt for å endre oppførselen sin.

Er eDNA et like nyttig verktøy i mindre ekstreme miljøer?

Jeg tenker aldri på eDNA som det primære verktøyet. eDNA bør brukes i kombinasjon med andre måter å overvåke biologisk mangfold på. Da kan vi se på eDNA-dataene mer helhetlig og i sammenheng.

For eksempel samlet jeg scat-prøver, og vi gjorde visuelle møteundersøkelser mens vi var på Mount Everest. Vi fant snøleopardspor i nyfallen snø der oppe, men vi fikk ikke snøleopard i eDNA-prøven vår. Det var noe vi savnet.

Greia med eDNA er at selv om det kan være utrolig informativt om mye av det som finnes i et miljø, kan du ikke utelukke det som ikke er i dataene dine. Fordi du alltid er begrenset av følsomheten til deteksjonen din.

La oss si at vi tar 20 vannprøver fra en innsjø, og bare én prøve er positiv for skilpadde. Hvis vi bare hadde tatt 10 prøver, hadde vi kanskje gått glipp av skilpaddene der inne. Så med eDNA må tolkningene dine av dataene alltid være basert på prøvetakingsstrategien. Når du bruker eDNA på noe som biomonitorering for endringer over tid, er det greit å kjenne til økologien til systemet ditt først og deretter huske på alle forbeholdene.

Hva er noen av disse forbeholdene?

Bare fordi du oppdager DNA, betyr det ikke nødvendigvis at du samler det fra en levende organisme. Det kan være fra en død organisme som avgir eDNA. Hvis du rører opp bunnen av en vannmasse, rører du kanskje opp gammelt DNA. Du må virkelig tenke på spørsmålene du vil svare på og om eDNA kommer til å svare på disse.

Du må også huske hvor raskt eDNA brytes ned, avhengig av temperatur eller ultrafiolett lysforhold. Så mange ting kan redusere halveringstiden til eDNA-en din, og du må vurdere dem alle når du utformer en studie. Det kan være ganske komplisert.

I tillegg til biodiversitetsstudiene dine, bruker du også eDNA for å identifisere arter i dyrelivshandelen.

Ja. Et av prosjektene våre var å utvikle en DNA-test som kunne identifisere alle de store katteartene som ble handlet i den ulovlige beinhandelen. Alle deler av tigeren brukes i dyrelivshandelen. Vi ønsket å utvikle en test som ville gi bedre forhåndskontroll ved inndragningspunkter eller innreisesteder til land. Et verktøy som ville være veldig enkelt å bruke, slik at du kan sette opp en bærbar lab og skjerm for bein som kan komme inn gjennom folks bagasje eller pakker. Noe som raskt kunne se om en prøve er fra en stor katteart, og derfor kan bli regulert, slik at den deretter kan sendes til bekreftende rettsmedisinsk testing.

En pilotversjon er under utprøving i Kina og her i USA. Tanken er å bruke den som et screeningverktøy som kan hjelpe rettshåndhevelse å slå ned på den ulovlige handelen.

Du ledet et langsiktig overvåkingsinitiativ i Peru som er fokusert på amfibie-chytrid-soppen, som blir sett på som ødelegger mange amfibiebestander rundt om i verden. Hvordan påvirker den soppen amfibier?

Soppen angriper huden til sårbare arter. En infisert frosk utvikler deretter hyperkeratose, en fortykkelse av keratinlaget i huden som hindrer vann og oksygen fra å bli absorbert. Så elektrolyttene blir farlig ubalansert, og den tærer av huden. Froskene går til slutt i hjertestans.

Det kan være ødeleggende for visse arter, men andre ser ut til å være mye mer motstandsdyktige mot det. Det er mange komplekse spørsmål om patogenisiteten til forskjellige soppstammer. Det er et stort felt.

Vi har studert hvilke frosker som blir infisert av chytridsopp, og så, mens de arbeider med det, hvordan de også tilpasser seg effektene av det varme klimaet.

Hva har du funnet?

Vi har vært i stand til å vise at når froskene rykker oppover og utvider spekteret, tar de med seg soppen. Noen av froskene som vi fant nær toppen av passet, i 5,300 meters høyde, har vært chytrid-positive. Når vi forskere går ut i felten, tar vi mange forholdsregler for å spraye støvlene med alkohol slik at vi ikke sprer soppen rundt.

I Andesfjellene så vi forsvinningen av en art, den marmorerte vannfrosken, Telmatobius marmoratus. Etter 2005 krasjet befolkningen. Vi kunne ikke finne dem på noen av nettstedene vi har tatt prøver av i årevis. Men i 2013 så det ut til at de kom tilbake. De blir mer motstandsdyktige mot soppen. Det er håp om at de vil gjøre det ganske bra når de fortsetter å tilpasse seg det raskt skiftende miljøet der oppe.

Har du et favorittsted for feltarbeid?

Min favoritt kommer alltid til å være Lake Sibinacocha i Peru. Du har flamingoer som flyr over isbreer og andinske kolibrier som flagrer rundt deg. Frosker og vicuña. Det er bare utrolig vakkert, og utrolig biologisk mangfold for et så høyt fjellmiljø.

Hvordan oppdaget du to nye tarantellaarter?

Det er overraskende, jeg vet, fordi jeg er en araknofobe!

Mens vi bladde over steiner i Peru på jakt etter frosker, så jeg en liten uklar boms som stakk ut av et hull. Jeg så på Bronwen Konecky, en daværende student og samarbeidspartner jeg jobbet med, og sa: «Klar du med det?» Hun gjorde.

Vi tok mange bilder og viste dem til en ekspert tarantella-taksonom som sa: «Det ser ut som du kan ha en ny art. På noen måte kan du samle noen hanner og hunner?»

Hva skjedde etterpå?

Jeg måtte gå tilbake. Den gangen var det bare meg med en lang tang som nådde inn i hullene. Jeg ville prøve å fiske ut tarantellene veldig forsiktig og nesten besvime av adrenalinoverbelastning.

De større eksemplarene hjalp hestelaget vårt med å samle inn. Vi deponerte de nye prøvene i Lima og ba om at de ble sendt ut for taksonomisk evaluering. Omtrent 10 år senere ble de endelig analysert og resultater publisert. Noen ganger tar det lang tid, men vitenskapen kommer ut.

Hvor håper du å forske videre? Noen drømmesteder?

Jeg vil gjerne gjøre mer arbeid i Himalaya. Jeg bare elsker høyfjellsmiljøer. Sett meg i en og jeg er fornøyd. Jeg elsker å hoppe fra stein til stein, snu ting og se etter skapninger. Min favoritt ting å gjøre er å snu steiner og se hva som er under dem.

På fritiden har du fotografert og studert kraftige stormer. Fortell oss om det.

Det er hobbyen min. Min mann, Anton Seimon, er den vitenskapelige lederen av et tornadoforskerteam. Han har vært involvert i tornadoforskning i tre tiår, og jeg har stormjaget med ham siden vi møttes, så i 20 år.

Hvert år mellom mai og juni pakker vi varebilen vår og jakthunden vår Chase, og vi drar ut på Great Plains for å følge kraftige stormer. Vi retter oss vanligvis mot stormer i områder der det sannsynligvis kommer til å være svært lite ødeleggelser, hvor vi kan få uavbrutt utsikt over disse stormene. Men selv om vi ikke ser stormer, er jeg veldig glad i å fotografere dyreliv og markblomster. Å fordype meg i naturen, som når jeg går ut i marka, er min favoritt ting å gjøre.