 Fotokredit: Mike Lucibella |
(venstre mod højre) Jacob Idec, Scott Hotaling og J. D. Gantse søger efter midge larver i Mos oven på en stenet bakke på en ø nær Palmer Station. |
hvad generne fra Antarktis hårde lille Midge kan fortælle os
forskere kigger nærmere på Antarktis største landdyr.
det er et lille insekt kaldet Antarktis midge, og de vokser ikke meget større end en negle. Der er mange vedvarende spørgsmål om disse critters, og forskere håber, at en bred undersøgelse af deres lille genom kan begynde at afsløre nogle svar.
i løbet af februar og marts sejlede et team af forskere på forskningsskibet Laurence M. Gould ned ad den antarktiske Halvøskyst og gennemførte den bredeste undersøgelse af den antarktiske midge endnu.
“vi var i stand til at samle midges, der bor forskellige steder og oplever forskellige miljøer,” sagde Nicholas Teets fra University of Kentucky og hovedforsker om projektet. “Vi vil se på deres underliggende genetiske sammensætning for at se, hvordan deres genetiske sammensætning adskiller sig på tværs af disse forskellige dele af Antarktis.”
ved at sammenligne deres genetiske kort håber de at lære mere om, hvordan disse insekter har varet på det hårdeste kontinent i millioner af år, og hvad fremtiden kan holde for dem.
” vi er interesserede i, hvordan disse befolkninger skal være, hvor de er gennem Antarktis historie,” sagde Teets.
projektet er støttet af National Science Foundation, som forvalter det amerikanske Antarktisprogram.
ingen myrer i Antarktis
selvom insekter er allestedsnærværende rundt om i verden, er de noget af en afvigelse i Antarktis.
“insekter er utroligt sjældne i Antarktis. Der har været en million insektarter fundet på planeten Jorden, og kun tre insekter kan findes i Antarktis, så det er et virkelig svært sted for insekter at leve,” sagde Teets. “Vi er interesserede i, hvordan de kan gøre det, hvad er de specielle unikke tilpasninger, de har, der giver dem mulighed for at klare disse ekstreme antarktiske miljøer.”
af disse tre arter er kun Belgica Antarktis, mere almindeligt kendt som Antarktis midge, virkelig hjemmehørende i det frosne kontinent. De er temmelig hårdføre critters, og skal være for at leve og trives på det hårdeste kontinent.
“de er, hvad vi betragter som en poly-ekstremofil, hvilket betyder, at de er meget tolerante over for mange forskellige former for stress,” sagde Teets.
de lever og trives under ekstremt kolde og tørre forhold, miljøer, som de fleste levende ting ville finde ligefrem dødelige.
“Antarktis midge sætter en bundet på en masse af disse ting,” sagde Scott Hotaling, en post-ph.d. – forsker ved State University. “Det er det sydligste levende insekt i verden. Det er en af de mest koldtolerante. Det er en af de mest udtørrende-tolerante. Det har det mindste genom, og det er det eneste insekt, der er endemisk for Antarktis.”
forskerne arbejder selv på at forstå grænserne for, hvilken slags ekstreme forhold midges kan tolerere, og hvordan det går med at gøre det.
” vores arbejde er startet som grundlæggende fysiologiske tolerancer; Hvordan overlever de her, og hvad er de i stand til at tolerere,” sagde J. D. “har udviklet sig til at stille spørgsmål om, hvor godt dette insekt spredes, hvor godt det er i stand til at komme fra et sted til et andet, og hvordan det påvirker genstrømmen blandt populationer, og også hvordan det matcher fysiologiske tolerancer hos dette dyr fra befolkning til befolkning.”
disse insekter har udviklet måder til på en eller anden måde at klare Antarktis temperaturer under nul. Et af håbene er, at ved at lære, hvordan disse midges har tilpasset sig til at fryse fast i mere end halvdelen af året, kan forskere overføre nogle af disse teknikker til andre formål.
“mit laboratorium er også interesseret i kryopræservering eller evnen til at opbevare ting i kulden i lang tid,” sagde Teets. “En del af vores mål for at studere tilpasninger i arter som Antarktis midge, der allerede er rigtig gode til at fryse, er at se, om nogle af disse oplysninger kunne anvendes til at hjælpe med at fryse andre ting, og måske endnu længere ind i fremtiden kunne indsigt fra arter som midge bruges til at forbedre kryopræservering af humane væv og organer.”
køleskabe af Midges
for at studere Antarktis midge måtte holdet først gå ud og finde nogle. Feltholdet sejlede på forskningsskibet Laurence M. Gould ned ad den antarktiske Halvøskyst og stoppede ved mere end 20 steder undervejs for at indsamle og opbevare levende prøver.
” denne sæson var primært fokuseret på at få prøverne til populationsgenetikken,” sagde Teets. “var på skibet, og de havde adgang til alle disse forskellige indsamlingssteder, som vi aldrig har været på før.”
på hvert feltsted ville holdet tage en lille båd til land og blæse ud og lede efter fortællende tufts af plante-eller algevækst, der normalt betød, at midges ville blive fundet nedenfor. Midge larverne er selv mindre end et riskorn, men samles ofte sammen i klumper. Forsigtigt, med pincet eller en sugesuger, begyndte de at samle flere dusin midge larver fra hvert sted.
“det er især nyttigt at få så mange, fordi vi ikke er i stand til at opdrætte dem i laboratoriet i øjeblikket,” sagde Jacob Idec, en post-bachelor studerende ved Hendriks College. “Hvor vi får dem i det væsentlige indsamler.”
efter at have samlet det, de havde brug for fra et sted, ville de se sig om efter et andet mikromiljø, normalt et sted højere op, længere væk fra kysten eller generelt tørre.
“vi har en hel masse steder og en hel masse midges,” sagde Idec. “Vi har haft mange gode dage, og vi har været i stand til at samle en masse midges på mange forskellige steder, hvilket har været spændende og dybest set burde gøre genetikken, der kommer ud af dette, mere værdifuld, have flere steder og flere placeringer.”
ved at sammenligne midges på tværs af forskellige miljøer og forskellige steder langs halvøen håber holdet at se, hvilke slags genetiske forskelle der findes mellem populationer og få et indblik i, hvordan de tilpassede sig deres særlige niche på kontinentet.
“vi indsamler virkelig fine genomiske data fra mange individer fra hver befolkning, så vi får et godt perspektiv på total genetisk mangfoldighed i befolkningen, og vi vil være i stand til at tage disse data og sammenligne dem blandt populationer,” sagde Hotaling. “Er der et mønster af dybest set jo længere fra hinanden du er, jo mere genetisk adskilt er du? Eller fordi vi prøver ting som en bakketop med højere højde versus en lille dal, eller et sted, hvor der er en masse pingvin guano versus ikke, strukturerer genetisk differentiering efter habitattype? Så disse to traditionelt i den genetiske litteratur kaldes isolation efter afstand, du er længere fra hinanden, så du er mere anderledes, versus isolering efter miljø, hvor det ikke er Afstand, det er hvor ens dit miljø er.”
dette spørgsmål om, hvilke befolkninger der ligner hinanden mest, er af særlig interesse, fordi selvom midges er dygtige til det, er det ikke en særlig glamourøs livsstil at trives i Antarktis. De bruger langt størstedelen af deres toårige liv som knap mobile larver. Ligner små mørke orme, de kryber rundt lige under overfladen, normalt i pletter af mos eller jordalger eller endda pingvin guano. I cirka otte måneder af året fryses larverne faktisk og optøes kun for at fodre i de varmeste sommermåneder.
“de bruger kun omkring ti til 14 dage som voksne,” sagde Teets. “Når de er voksne, er de vingeløse. De har heller ikke nogen funktionelle munddele som voksen, de spiser eller drikker ikke noget, de kryber bare rundt, leder efter en kompis, hunnerne lægger deres æg og så dør de.”
denne stort set jordboende livscyklus kombineret med deres vingeløshed præsenterer et puslespil for forskere, der forsøger at finde ud af, hvordan de har været i stand til at sprede sig så bredt ned langs den Antarktiske halvø.
“der er ingen klar mekanisme for dette insekt at bevæge sig rundt, for at sprede sig fra sted til sted,” sagde Gant. “De voksne er spredningsfasen, de lever kun et par dage. De er vingeløse, de kører ikke på luftstrømme, i det mindste skal jeg sige, at vi aldrig har set dem ride på luftstrømme, og vi har kigget efter det. De flyder ikke særlig godt. Vi er bare ikke helt sikre på, hvordan dette insekt ville komme fra ø til ø.”
selvom holdet ikke forventer at løse alle disse mysterier med deres genetiske data alene, ved at vide, hvilke populationer der er mest ens, kan de begynde at få en ide om, hvor mobile midges som en art er. Der er andre dvælende spørgsmål om dem, som holdet håber at få et indblik i.
hårde Bugs
midges nærmeste slægtning kommer fra Patagonia-regionen i Sydamerika, som Antarktis brød væk fra omkring 30 Til 40 millioner år siden med åbningen af Drake Passage. I løbet af den tid, kloden har gennemgået en række istider; epoker, hvor de antarktiske iskapper blev endnu større, opsluge midges få isfrie tilflugtsområder. Hvordan arten var i stand til at overleve gennem udvidet dybfrysning i hundreder af tusinder af år er et andet mysterium.
” de har på en eller anden måde været i stand til at fortsætte i Antarktis gennem disse gentagne istidscyklusser,” sagde Teets. “Nogle af disse genetiske data vil hjælpe os med at besvare nogle af disse spørgsmål om, hvordan de kom til at være, hvor de er.”
selvom midges har formået at overleve nogle intenst kølige tider på kontinentet, ser fremtiden varmere ud, og det kan stave problemer for insekterne.
“en af de meget få belastninger, som de ikke håndterer godt, er høj temperatur,” sagde han. “I det mindste fra et teoretisk synspunkt vil klimaændringer ikke være en god ting, især hvis de, som vi formoder, ikke er meget gode til at sprede sig, så de ikke har en klar mekanisme til at bevæge sig sydpå, når tingene opvarmes længere nordpå.”
Plus, som halvøen varmer, insekter fra det varmere nord kunne begynde at gøre deres vej ind i Antarktis midge territorium og begynde at skubbe dem ud.
“vores første sted på denne tur var Byers Peninsula på Livingston Island. Vi fandt en anden midge der, der ligner meget Belgica, men har vinger på de voksne,” sagde Hotaling. “Det er ret nemt at forestille sig, at hvis denne arts nedre breddegrænser indstilles af lave temperaturer, der stiger, kan den aktivt sprede sig sydpå og potentielt fortrænge Belgica.”
nogle af de fysiologiske undersøgelser, holdet har planlagt til de midges, de indsamlede, kunne give indsigt i, hvor godt Antarktis midge vil reagere på skiftende klimatiske forhold. Det er dog særligt svært at vide, hvad der sandsynligvis vil ske, når der stadig er mange grundlæggende ubesvarede spørgsmål om antarktiske midges.
” vi ved næppe, hvor grænserne for deres befolkning er, vi har ikke engang noget tæt på et befolkningsstørrelsesestimat, vi ved ikke, om de stiger, eller om de falder,” sagde han.
på grund af afstanden til hvor disse midges kalder hjem, kan det være år eller endda årtier, før forskere kan begynde at få et rigtigt greb om nogle af disse spørgsmål. Debbie Harner, en underviser ved Living Arts and Science Center i Kentucky, sluttede sig til feltteamet for at hjælpe med at dele deres arbejde med offentligheden og inspirere den næste generation af forskere, der muligvis påtager sig denne afgift.
“jeg har mulighed for at dele med unge børn, hvad de laver,” sagde Harner. “Jeg tager et Antarktis-program ud til samfundet, deler hvad vi har gjort på denne rejse og lærer børn om antarktiske dyr som midge og nogle af de tilpasninger, de har.”
lige nu er de hundreder af larver, som holdet indsamlede, delt mellem Teets ‘ laboratorium i Kentucky og Gantsas laboratorium i Arkansas, da holdet forbereder sig på at starte deres genetiske og fysiologiske arbejde. Holdet har planlagt yderligere to sæsoner af feltarbejde og har til hensigt at vende tilbage til flere af deres bedste steder for at samle flere prøver.
NSF-finansieret forskning i denne historie: Nicholas Teets, University of Kentucky, pris nr.1850988.