 Photo Credit: Mike Lucibella |
(vasemmalta oikealle) Jacob Idec, Scott Hotaling ja J. D. Gantz etsivät midgen toukkia sammalista kallioisen mäen päältä saarella lähellä Palmerin asemaa. |
mitä Antarktiksen sitkeän pikku Midgen geenit voivat kertoa
tutkijat tarkastelevat tarkasti Antarktiksen suurinta maaeläintä.
kyseessä on pieni Etelämantereen midge-niminen hyönteinen, eivätkä ne kasva paljon kynttä isommiksi. On paljon pysyviä kysymyksiä näistä otuksia, ja tutkijat toivovat, että laaja tutkimus niiden pieni genomi voi alkaa paljastaa joitakin vastauksia.
helmi-maaliskuussa tutkijaryhmä purjehti tutkimusalus Laurence M. Gouldilla pitkin Antarktiksen niemimaan rannikkoa tehden tähän mennessä laajimman Etelämantereen midgeä koskevan tutkimuksen.
”pystyimme keräämään kääpiöitä, jotka elävät eri paikoissa ja kokevat erilaisia ympäristöjä”, kertoi Nicholas Teets Kentuckyn yliopistosta ja projektin Päätutkija. ”Aiomme tarkastella niiden perimää nähdäksemme, miten niiden perimä eroaa näissä Etelämantereen eri osissa.”
vertaamalla geneettisiä karttojaan he toivovat oppivansa lisää siitä, miten nämä hyönteiset ovat sinnitelleet ankarimmalla mantereella miljoonia vuosia, ja mitä tulevaisuus saattaa tarjota niille.
”meitä kiinnostaa, miten nämä populaatiot ovat päätyneet sinne, missä ne ovat koko Etelämantereen historian ajan”, Teets sanoi.
hanketta tukee Yhdysvaltain Antarktis-ohjelmaa hallinnoiva National Science Foundation.
Antarktiksella ei ole muurahaisia
vaikka hyönteisiä esiintyy kaikkialla maailmassa, ne ovat jossain määrin poikkeamia Antarktiksella.
”hyönteiset ovat erittäin harvinaisia Etelämantereella. Maapallolta on löydetty miljoona hyönteislajia ja Etelämantereelta löytyy vain kolme hyönteistä, joten se on hyönteisille todella vaikea paikka elää, Teets sanoi. ”Olemme kiinnostuneita siitä, miten he voivat tehdä sen, mitkä ovat erityisiä ainutlaatuisia sopeutumia heillä on, jotka mahdollistavat ne selviytymään näistä äärimmäisistä Etelämantereen ympäristöissä.”
näistä kolmesta lajista ainoastaan Belgica antarctica, yleisemmin Etelämantereen midge, on todella kotoisin jäätyneeltä mantereelta. Ne ovat melko sitkeitä otuksia, ja niiden on oltava kunnossa, jotta ne voivat elää ja menestyä karuimmalla mantereella.
”he ovat mitä pidämme polyremofiilinä, eli he sietävät hyvin paljon erilaista stressiä”, Teets sanoi.
ne elävät ja viihtyvät äärimmäisen kylmissä ja kuivissa olosuhteissa, ympäristöissä, joita useimmat elolliset pitäisivät suorastaan tappavina.
”Etelämantereen midge asettaa siteen moniin noihin asioihin”, sanoi Washington State Universityn väitöskirjatutkija Scott Hotaling. ”Se on maailman eteläisin elävä hyönteinen. Se on yksi kylmänsietävimmistä. Se on yksi kuivuutta sietävimmistä. Sillä on pienin perimä, ja se on ainoa Etelämantereella endeeminen hyönteinen.”
tutkijat pyrkivät itse ymmärtämään, millaisia ääriolosuhteita kääpiöt voivat sietää, ja miten sen tekeminen menee.
”työmme on alkanut fysiologisina perustoleransseina; miten he selviävät täällä ja mitä he pystyvät sietämään”, sanoi Hendrix Collegen fysiologi J. D. Gantz. ”on kehittynyt kysymään, kuinka hyvin tämä hyönteinen leviää, kuinka hyvin se pystyy pääsemään paikasta toiseen ja miten se vaikuttaa geenivirtaan populaatioiden välillä ja myös miten se vastaa fysiologisia siedettävyyksiä tässä eläimessä populaatiosta populaatioon.”
nämä hyönteiset ovat kehittäneet tapoja selviytyä jotenkin Etelämantereen pakkaslämpötiloista. Yksi toiveista on, että kun tutkijat saavat tietää, miten nämä kääpiöt ovat sopeutuneet jäätymään kiinteäksi yli puolet vuodesta, he voivat siirtää joitakin näistä tekniikoista muihin tarkoituksiin.
”laboratorioni on kiinnostunut myös syväjäädytyksestä eli kyvystä säilyttää asioita kylmässä pitkään”, Teets sanoi. ”Osa tavoitteenamme on tutkia sopeutumista Etelämantereen midgen kaltaisissa lajeissa, jotka ovat jo todella hyviä pakastamisessa, on selvittää, voisiko tätä tietoa soveltaa muiden asioiden pakastamiseen, ja ehkä vielä tulevaisuudessa midgen kaltaisten lajien oivalluksia voitaisiin käyttää parantamaan ihmisen kudosten ja elinten kylmäsäilytystä.”
kääpiöiden Jääkaapit
tutkiakseen Etelämantereen midgeä ryhmän oli ensin lähdettävä etsimään niitä. Kenttäryhmä purjehti tutkimusalus Laurence M. Gouldilla pitkin Antarktiksen niemimaan rannikkoa ja pysähtyi matkan varrella yli 20 kohteeseen keräämään ja varastoimaan eläviä näytteitä.
”tällä kaudella keskityttiin lähinnä saamaan näytteitä populaatiogenetiikkaa varten”, Teets sanoi. ”olivat aluksella ja heillä oli pääsy kaikkiin näihin eri keräilypaikkoihin, joissa emme ole koskaan ennen käyneet.”
jokaisella kenttäalueella ryhmä lähti pienellä veneellä rantaan ja levittäytyi etsien kasvien tai levien kasvua ilmaisevia tufteja, jotka yleensä tarkoittivat kääpien löytymistä alapuolelta. Midgen toukat ovat itse riisinjyvää pienempiä, mutta kerääntyvät usein yhteen möhkäleiksi. Varovasti, pinseteillä tai imu-aspiraattorilla, he ryhtyivät keräämään useita kymmeniä midgen toukkia jokaisesta paikasta.
”on erityisen hyödyllistä saada niin monta, koska emme pysty kasvattamaan niitä laboratoriossa tällä hetkellä”, sanoi Jacob Idec, jatko-opiskelija Hendrix Collegessa. ”Mistä saamme ne pohjimmiltaan on kerätä.”
kerättyään tarvitsemansa yhdeltä paikkakunnalta he katselivat ympärilleen erilaista mikroympäristöä, yleensä jossain ylempänä, kauempana rannasta tai yleensä kuivempana.
”saimme paljon tekopaikkoja ja paljon kääpiöitä”, Idec sanoi. ”Meillä on ollut paljon hyviä päiviä ja olemme voineet kerätä paljon kääpiä monissa eri paikoissa, mikä on ollut jännittävää, ja periaatteessa pitäisi tehdä genetiikan että tulevat ulos tästä arvokkaampi, ottaa enemmän sivustoja ja enemmän paikkoja.”
vertaamalla kääpiöitä eri ympäristöissä ja eri paikoissa niemimaalla, ryhmä toivoo näkevänsä millaisia geneettisiä eroja populaatioiden välillä on ja saavansa jonkinlaisen käsityksen siitä, miten ne sopeutuivat tiettyyn lajityyppiinsä mantereella.
”keräämme todella hienon mittakaavan genomitietoa monista yksilöistä jokaisesta populaatiosta, joten saamme hyvän näkökulman koko geneettiseen monimuotoisuuteen populaatiossa ja voimme ottaa nämä tiedot ja vertailla niitä populaatioiden kesken”, Hotaling sanoi. ”Onko olemassa sellaista kaavaa, että mitä kauempana olette, sitä erilaisempia olette geneettisesti? Tai koska testaamme korkeampaa vuorenhuippua ja pientä laaksoa, – tai paikkaa, jossa on paljon pingviinin guanoa vastaan, – jakautuuko geneettinen erilaistuminen luontotyyppien mukaan? Joten näitä kahta perinteisesti geneettisessä kirjallisuudessa kutsutaan etäisyyden mukaan eristämiseksi, olemme kauempana toisistaan, joten olemme erilaisempia, verrattuna ympäristön mukaan eristämiseen, jossa kyse ei ole etäisyydestä, vaan siitä, kuinka samanlainen ympäristö on.”
tämä kysymys siitä, mitkä populaatiot muistuttavat eniten toisiaan, on erityisen kiinnostava, koska vaikka kääpiöt ovat taitavia siinä, kukoistaminen Etelämantereella ei ole erityisen lumoava elämäntapa. Ne viettävät valtaosan kaksivuotisesta elämästään juuri ja juuri liikkuvina toukkina. Ne muistuttavat pieniä tummia matoja, ja ne ryömivät aivan pinnan alla, yleensä sammal – tai leväläiskissä tai jopa pingviinin guanossa. Noin kahdeksan kuukautta vuodesta toukat ovat itse asiassa jäässä, Vain sulamassa ravinnokseen lämpimimpinä kesäkuukausina.
”he viettävät aikuisina vain noin kymmenestä 14 päivään, Teets kertoi. ”Aikuisina ne ovat siivettömiä. Niillä ei myöskään ole toimivia suuosia aikuisena, ne eivät syö tai juo mitään, ne vain ryömivät ympäriinsä, etsivät kumppania, naaraat munivat munansa ja sitten ne kuolevat.”
tämä paljolti maaperässä elävä elinikä yhdistettynä niiden siivettömyyteen esittää arvoituksen tutkijoille, jotka yrittävät selvittää, miten ne ovat voineet levittäytyä niin laajalle Antarktiksen niemimaalla.
”tällä hyönteisellä ei ole selkeää mekanismia liikkua, hajaantua paikasta toiseen”, Gantz sanoi. ”Aikuiset ovat hajaantumisvaihe, jonka ne elävät vain muutaman päivän. Ne ovat siivettömiä, ne eivät ratsasta ilmavirtauksilla, ainakin minun pitäisi sanoa, että emme ole koskaan nähneet niiden ratsastavan ilmavirtauksilla, ja olemme etsineet sitä. Ne eivät kellu erityisen hyvin. Emme vain tiedä, miten tämä hyönteinen pääsisi saarelta toiselle.”
vaikka ryhmä ei odota ratkaisevansa kaikkia näitä mysteerejä pelkästään geneettisellä tiedollaan, tietämällä, mitkä populaatiot ovat eniten samanlaisia, he voivat alkaa saada käsityksen siitä, kuinka liikkuvia kääpiöt lajina ovat. On olemassa muita viipyviä kysymyksiä niistä, että joukkue toivoo poimia joitakin oivalluksia.
Tough Bugs
midgen lähin sukulainen on kotoisin Patagonian alueelta Etelä-Amerikasta, josta Etelämanner irtautui noin 30-40 miljoonaa vuotta sitten Draken Solan avautuessa. Tuona aikana maapallo on kokenut useita jääkausia; aikakausina, jolloin Etelämantereen jäätiköt kasvoivat vielä suuremmiksi nielaisten midgen harvat jäättömät suojapaikat. On myös arvoitus, miten laji säilyi hengissä pitkittyneiden syväjäädytysten läpi satojatuhansia vuosia.
”ne ovat jotenkin pystyneet sinnittelemään Etelämantereella läpi näiden toistuvien jäätiköitymisjaksojen”, Teets sanoi. ”Osa näistä geneettisistä tiedoista auttaa meitä vastaamaan joihinkin kysymyksiin siitä, miten he joutuivat sinne, missä he ovat.”
vaikka kääpiöt ovat onnistuneet selviytymään mantereen erittäin kylmistä ajoista, tulevaisuus näyttää lämpimämmältä, ja se voisi tietää vaikeuksia hyönteisille.
”yksi harvoista stresseistä, joita he eivät käsittele hyvin, on korkea lämpötila”, Gantz sanoi. ”Ainakin teoreettisesta näkökulmasta, ilmastonmuutos ei tule olemaan hyvä asia, varsinkin jos, kuten epäilemme, ne eivät ole kovin hyviä hajaantumaan, joten niillä ei ole selkeää mekanismia siirtyä etelään, kun asiat lämpenevät pohjoisemmaksi.”
lisäksi niemimaan lämmetessä lämpimämmän pohjoisen hyönteiset saattoivat alkaa tehdä tiensä Etelämantereen midgen alueelle ja alkaa työntää niitä pois.
”matkan ensimmäinen kohde oli Byersin niemimaa Livingstonin saarella. Löysimme sieltä erilaisen midgen, joka näyttää paljon Belgicalta, mutta jolla on siivet aikuisilla”, Hotaling sanoi. ”On melko helppo kuvitella, että jos kyseisen lajin alemmat latitudinal rajat asetetaan alhaisten lämpötilojen vuoksi, jotka nousevat, se voisi aktiivisesti hajaantua etelään ja mahdollisesti syrjäyttää Belgican.”
jotkin ryhmän keräämistä kääpiöistä suunnittelemista fysiologisista tutkimuksista voisivat tarjota käsityksen siitä, miten hyvin Etelämantereen kääpiösarvi reagoi muuttuviin ilmasto-olosuhteisiin. On kuitenkin erityisen vaikeaa tietää varmasti, mitä todennäköisesti tapahtuu, kun Etelämantereen kääpiöistä on vielä monia peruskysymyksiä vastaamatta.
”tuskin tiedämme, missä niiden populaation rajat ovat, meillä ei ole edes lähellekään populaation kokoarviota, emme tiedä, ovatko ne lisääntymässä vai vähenemässä”, Gantz sanoi.
koska sääskien kotipaikka on syrjässä, voi kulua vuosia tai jopa vuosikymmeniä, ennen kuin tiedemiehet voivat alkaa saada todellista otetta joistakin näistä kysymyksistä. Debbie Harner, opettaja Living Arts and Science Centerissä Lexingtonissa, Kentuckyssa, liittyi kenttätiimiin auttaakseen jakamaan työnsä yleisön kanssa ja inspiroidakseen seuraavaa tiedemiessukupolvea, joka voisi ottaa tämän tehtävän vastaan.
”minulla on mahdollisuus kertoa nuorille, mitä he tekevät, Harner sanoi. ”Vien Etelämantereen ohjelman yhteisölle, Jaan mitä olemme tehneet tällä matkalla ja opetan lapsille Etelämantereen eläimistä kuten midgestä ja joistakin heidän sopeutumisistaan.”
juuri nyt ryhmän keräämät sadat toukat jaetaan Teetsin laboratorioon Kentuckyssa ja Gantzin laboratorioon Arkansasissa, kun ryhmä valmistautuu aloittamaan geneettisen ja fysiologisen työnsä. Joukkueella on suunnitteilla vielä kaksi kautta kenttätyötä ja se aikoo palata usealle parhaalle pelipaikalleen keräämään lisää näytteitä.
NSF: n rahoittama tutkimus tässä tarinassa: Nicholas Teets, University of Kentucky, Award No. 1850988.