 Bildnachweis: Mike Lucibella |
(Von links nach rechts) Jacob Idec, Scott Hotaling und JD Gantz suchen nach Mückenlarven in Moos auf einem felsigen Hügel auf einer Insel in der Nähe der Palmer Station. |
Was die Gene der harten kleinen Mücke der Antarktis uns sagen können
Wissenschaftler nehmen das größte Landtier der Antarktis unter die Lupe.
Es ist ein kleines Insekt namens Antarktische Mücke, und sie werden nicht viel größer als ein Fingernagel. Es gibt viele hartnäckige Fragen zu diesen Lebewesen, und die Forscher hoffen, dass eine umfassende Untersuchung ihres winzigen Genoms beginnen kann, einige Antworten zu finden.
Im Februar und März segelte ein Team von Wissenschaftlern auf dem Forschungsschiff Laurence M. Gould die Küste der Antarktischen Halbinsel hinunter und führte die bisher umfangreichste Untersuchung der antarktischen Mücke durch.
“ Wir konnten Mücken sammeln, die an verschiedenen Orten leben und unterschiedliche Umgebungen erleben „, sagte Nicholas Teets von der University of Kentucky und Principal Investigator des Projekts. „Wir werden uns ihr zugrunde liegendes Erbgut ansehen, um zu sehen, wie sich ihr Erbgut in diesen verschiedenen Teilen der Antarktis unterscheidet.“
Durch den Vergleich ihrer genetischen Karten hoffen sie, mehr darüber zu erfahren, wie diese Insekten seit Millionen von Jahren auf dem härtesten Kontinent bestehen und was die Zukunft für sie bereithalten könnte.
„Wir sind daran interessiert, wie diese Populationen in der Geschichte der Antarktis dort sind, wo sie sind“, sagte Teets.
Das Projekt wird von der National Science Foundation unterstützt, die das US-Antarktis-Programm verwaltet.
Keine Ameisen in der Antarktis
Obwohl Insekten auf der ganzen Welt allgegenwärtig sind, sind sie in der Antarktis eine Art Abweichung.
“ Insekten sind in der Antarktis unglaublich selten. Es gab eine Million Insektenarten auf dem Planeten Erde und nur drei Insekten können in der Antarktis gefunden werden, also ist es ein wirklich schwieriger Ort für Insekten zu leben „, sagte Teets. „Wir sind daran interessiert, wie sie das tun können, welche besonderen Anpassungen sie haben, die es ihnen ermöglichen, mit diesen extremen antarktischen Umgebungen fertig zu werden.“
Von diesen drei Arten ist nur Belgica antarctica, besser bekannt als antarktische Mücke, wirklich auf dem gefrorenen Kontinent beheimatet. Sie sind ziemlich robuste Lebewesen und müssen es sein, um auf dem härtesten Kontinent zu leben und zu gedeihen.
„Sie sind das, was wir als Poly-extremophil betrachten, was bedeutet, dass sie sehr tolerant gegenüber vielen verschiedenen Arten von Stress sind“, sagte Teets.
Sie leben und gedeihen in extrem kalten und trockenen Bedingungen, Umgebungen, die die meisten Lebewesen geradezu tödlich finden würden.
„Die antarktische Mücke schränkt viele dieser Dinge ein“, sagte Scott Hotaling, ein Postdoktorand an der Washington State University. „Es ist das südlichste lebende Insekt der Welt. Es ist eines der kältetolerantesten. Es ist eines der trockenheitstolerantesten. Es hat das kleinste Genom und ist das einzige in der Antarktis endemische Insekt.“
Die Forscher selbst arbeiten daran, die Grenzen zu verstehen, welche extremen Bedingungen Mücken tolerieren können und wie dies geschieht.
„Unsere Arbeit hat als grundlegende physiologische Toleranzen begonnen; Wie überleben sie hier und was können sie tolerieren“, sagte JD Gantz, Physiologe am Hendrix College. “ hat sich zu Fragen entwickelt, wie gut sich dieses Insekt ausbreitet, wie gut es von einem Ort zum anderen gelangen kann und wie sich dies auf den Genfluss zwischen Populationen auswirkt und wie dies mit physiologischen Toleranzen in diesem Tier von Population zu Population übereinstimmt.“
Diese Insekten haben Wege entwickelt, um irgendwie mit den Temperaturen unter Null in der Antarktis fertig zu werden. Eine der Hoffnungen ist, dass die Forscher einige dieser Techniken auf andere Zwecke übertragen können, indem sie lernen, wie sich diese Mücken mehr als die Hälfte des Jahres an das Einfrieren von Feststoffen angepasst haben.
„Mein Labor interessiert sich auch für Kryokonservierung oder die Fähigkeit, Dinge lange in der Kälte zu lagern“, sagte Teets. „Ein Teil unseres Ziels, Anpassungen an Arten wie der antarktischen Mücke zu untersuchen, die bereits sehr gut einfrieren können, besteht darin, zu sehen, ob einige dieser Informationen darauf angewendet werden können, andere Dinge einzufrieren, und vielleicht sogar noch weiter in die Zukunft, Erkenntnisse von Arten wie der Mücke könnten verwendet werden, um die Kryokonservierung menschlicher Gewebe und Organe zu verbessern.“
Kühlschränke von Mücken
Um die antarktische Mücke zu untersuchen, musste das Team zuerst einige finden. Das Feldteam segelte auf dem Forschungsschiff Laurence M. Gould die Küste der antarktischen Halbinsel hinunter und hielt an mehr als 20 Standorten an, um lebende Proben zu sammeln und zu lagern.
„Diese Saison konzentrierte sich in erster Linie darauf, die Proben für die Populationsgenetik zu erhalten“, sagte Teets. “ wir waren auf dem Schiff und sie hatten Zugang zu all diesen verschiedenen Sammelstellen, an denen wir noch nie zuvor waren.“
An jedem Feldstandort nahm das Team ein kleines Boot an Land und fächelte es auf, um nach verräterischen Büscheln von Pflanzen- oder Algenwachstum zu suchen, die normalerweise bedeuteten, dass Mücken darunter gefunden würden. Die Mückenlarven sind selbst kleiner als ein Reiskorn, sammeln sich aber oft in Klumpen. Vorsichtig, mit einer Pinzette oder einem Saugsauger, sammelten sie mehrere Dutzend Mückenlarven von jedem Standort.
„Es ist besonders nützlich, so viele zu bekommen, weil wir sie derzeit nicht im Labor züchten können“, sagte Jacob Idec, ein Post-Undergraduate-Student am Hendrix College. „Wo wir sie im Wesentlichen bekommen, ist das Sammeln.“
Nachdem sie gesammelt hatten, was sie brauchten, suchten sie nach einer anderen Mikroumgebung, normalerweise irgendwo höher, weiter vom Ufer entfernt oder im Allgemeinen trockener.
“ Wir haben eine ganze Menge Websites und eine ganze Menge Mücken „, sagte Idec. „Wir hatten viele gute Tage und konnten viele Mücken an vielen verschiedenen Orten sammeln, was aufregend war, und im Grunde sollte die Genetik, die daraus hervorgeht, wertvoller werden, mehr Standorte und mehr Standorte haben.“
Durch den Vergleich von Mücken in verschiedenen Umgebungen und an verschiedenen Orten entlang der Halbinsel hofft das Team zu sehen, welche genetischen Unterschiede zwischen den Populationen bestehen, und einen Einblick zu erhalten, wie sie sich an ihre jeweilige Nische auf dem Kontinent angepasst haben.
„Wir sammeln wirklich feine genomische Daten von vielen Individuen aus jeder Population, um eine gute Perspektive auf die gesamte genetische Vielfalt innerhalb der Population zu erhalten, und wir werden in der Lage sein, diese Daten zu nehmen und sie unter den Populationen zu vergleichen“, sagte Hotaling. „Gibt es ein Verhaltensmuster, je weiter Sie voneinander entfernt sind, je genetisch unterschiedlicher Sie sind? Oder, weil wir Dinge wie einen höher gelegenen Hügel im Vergleich zu einem kleinen Tal oder einen Ort mit viel Pinguin-Guano im Vergleich zu nicht abtasten, strukturiert sich die genetische Differenzierung nach Lebensraumtyp? Diese beiden Faktoren werden in der genetischen Literatur Isolation nach Entfernung genannt, Sie sind weiter voneinander entfernt, so dass Sie unterschiedlicher sind, im Vergleich zur Isolation nach Umgebung, bei der es nicht um Entfernung geht, sondern darum, wie ähnlich Ihre Umgebung ist.“
Diese Frage, welche Populationen einander am ähnlichsten sind, ist von besonderem Interesse, denn obwohl Mücken darin versiert sind, ist das Gedeihen in der Antarktis kein besonders glamouröser Lebensstil. Sie verbringen den größten Teil ihres zweijährigen Lebens als kaum mobile Larven. Sie ähneln winzigen dunklen Würmern und kriechen direkt unter der Oberfläche herum, normalerweise in Moos- oder Landalgenflecken oder sogar in Pinguin-Guano. Etwa acht Monate im Jahr sind die Larven tatsächlich gefroren und tauen nur in den wärmsten Sommermonaten auf, um sich zu ernähren.
“ Sie verbringen nur etwa zehn bis 14 Tage als Erwachsene „, sagte Teets. „Wenn sie erwachsen sind, sind sie flügellos. Sie haben auch keine funktionierenden Mundteile als Erwachsene, sie essen oder trinken nichts, sie kriechen nur herum, suchen einen Partner, die Weibchen legen ihre Eier und dann sterben sie.“
Dieser weitgehend im Boden lebende Lebenszyklus in Kombination mit ihrer Flügellosigkeit stellt Forscher vor ein Rätsel, die herausfinden wollen, wie sie sich so weit über die antarktische Halbinsel ausbreiten konnten.
„Es gibt keinen klaren Mechanismus für dieses Insekt, sich zu bewegen, sich von Ort zu Ort zu zerstreuen“, sagte Gantz. „Die Erwachsenen sind die Ausbreitungsphase sie leben nur ein paar Tage. Sie sind flügellos, sie reiten nicht auf Luftströmungen, zumindest sollte ich sagen, dass wir sie noch nie auf Luftströmungen reiten gesehen haben, und wir haben danach gesucht. Sie schwimmen nicht besonders gut. Wir sind uns nur nicht wirklich sicher, wie dieses Insekt von Insel zu Insel kommen würde.“
Obwohl das Team nicht erwartet, all diese Rätsel allein mit ihren genetischen Daten zu lösen, können sie, wenn sie wissen, welche Populationen am ähnlichsten sind, eine Vorstellung davon bekommen, wie mobil die Mücken als Spezies sind. Es gibt noch andere Fragen zu ihnen, in die das Team einen Einblick gewinnen möchte.
Tough Bugs
Der nächste Verwandte der Mücke stammt aus der südamerikanischen Region Patagonien, von der sich die Antarktis vor etwa 30 bis 40 Millionen Jahren mit der Eröffnung der Drake Passage löste. In dieser Zeit hat der Globus eine Reihe von Eiszeiten durchlaufen; Epochen, in denen die antarktischen Eiskappen noch größer wurden und die wenigen eisfreien Zufluchtsgebiete der Mücke verschlangen. Wie die Art hunderttausende Jahre lang durch ausgedehnte Tiefkühltruhen überleben konnte, ist ein weiteres Rätsel.
„Sie waren irgendwie in der Lage, in der Antarktis während dieser wiederholten Vergletscherungszyklen zu bestehen“, sagte Teets. „Einige dieser genetischen Daten werden uns helfen, einige dieser Fragen zu beantworten, wie sie dorthin gekommen sind, wo sie sind.“
Obwohl die Mücken es geschafft haben, einige sehr kalte Zeiten auf dem Kontinent zu überleben, sieht die Zukunft wärmer aus, und das könnte Ärger für die Insekten bedeuten.
„Einer der wenigen Belastungen, mit denen sie nicht gut umgehen können, ist die hohe Temperatur“, sagte Gantz. „Zumindest von einem theoretischen Standpunkt aus wird der Klimawandel keine gute Sache sein, besonders wenn, wie wir vermuten, sie sich nicht sehr gut zerstreuen können, so dass sie keinen klaren Mechanismus haben, um sich nach Süden zu bewegen, wenn sich die Dinge weiter erwärmen Norden.“
Wenn sich die Halbinsel erwärmt, könnten Insekten aus dem wärmeren Norden in das Gebiet der antarktischen Mücke eindringen und sie verdrängen.
“ Unser erster Ort dieser Reise war Byers Peninsula auf Livingston Island. Wir haben dort eine andere Mücke gefunden, die Belgica sehr ähnlich sieht, aber Flügel an den Erwachsenen hat „, sagte Hotaling. „Es ist ziemlich leicht vorstellbar, dass, wenn die unteren Breitengrenzen dieser Art durch niedrige Temperaturen, die steigen, festgelegt werden, sie sich aktiv nach Süden ausbreiten und möglicherweise Belgica verdrängen könnte.“
Einige der physiologischen Studien, die das Team für die gesammelten Mücken geplant hat, könnten Aufschluss darüber geben, wie gut die antarktische Mücke auf sich ändernde klimatische Bedingungen reagieren wird. Es ist jedoch besonders schwierig, genau zu wissen, was wahrscheinlich passieren wird, wenn es noch viele grundlegende unbeantwortete Fragen zu antarktischen Mücken gibt.
„Wir wissen kaum, wo die Grenzen ihrer Bevölkerung liegen, wir haben nicht einmal annähernd eine Schätzung der Bevölkerungsgröße, wir wissen nicht, ob sie zunehmen oder abnehmen“, sagte Gantz.
Aufgrund der Abgeschiedenheit, in der diese Mücken zu Hause sind, kann es Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis Wissenschaftler beginnen können, einige dieser Fragen in den Griff zu bekommen. Debbie Harner, Erzieherin am Living Arts and Science Center in Lexington, Kentucky, schloss sich dem Feldteam an, um ihre Arbeit mit der Öffentlichkeit zu teilen und die nächste Generation von Wissenschaftlern zu inspirieren, die diese Aufgabe übernehmen könnten.
“ Ich habe die Möglichkeit, mit kleinen Kindern zu teilen, was sie tun „, sagte Harner. „Ich werde ein Antarktis-Programm in die Gemeinschaft bringen, teilen, was wir auf dieser Reise getan haben und Kindern etwas über antarktische Tiere wie die Mücke und einige der Anpassungen beibringen, die sie haben.“
Im Moment werden die Hunderte von Larven, die das Team gesammelt hat, zwischen Teets ‚Labor in Kentucky und Gantz ‚Labor in Arkansas aufgeteilt, während sich das Team darauf vorbereitet, ihre genetische und physiologische Arbeit zu beginnen. Das Team hat zwei weitere Feldforschungssaisons geplant und beabsichtigt, zu mehreren seiner besten Standorte zurückzukehren, um weitere Proben zu sammeln.
NSF-finanzierte Forschung in dieser Geschichte: Nicholas Teets, University of Kentucky, Award No. 1850988.