 fotó: Mike Lucibella |
(balról jobbra) Jacob Idec, Scott Hotaling és J. D. Gantz törpelárvákat keresnek mohában egy sziklás domb tetején egy szigeten, a Palmer állomás közelében. |
mit mondhatnak nekünk az Antarktisz kemény kis Törpéjének génjei
a tudósok alaposan megvizsgálják az Antarktisz legnagyobb szárazföldi állatát.
ez egy kis rovar, az úgynevezett Antarktiszi midge, és nem nőnek sokkal nagyobbak, mint egy köröm. Sok állandó kérdés merül fel ezekkel a fickókkal kapcsolatban, és a kutatók azt remélik, hogy apró genomjuk széles körű tanulmányozása elkezdheti feltárni néhány választ.
február és március folyamán egy kutatócsoport A Laurence M. Gould kutatóhajóval az Antarktiszi-félsziget partvidékén hajózott le, és az antarktiszi midge eddigi legszélesebb körű vizsgálatát végezte el.
“képesek voltunk olyan szúnyogokat gyűjteni, amelyek különböző helyeken élnek és különböző környezetben élnek” – mondta Nicholas Teets, a Kentucky Egyetem kutatója és a projekt vezető kutatója. “Meg fogjuk vizsgálni a mögöttes genetikai felépítésüket, hogy lássuk, hogyan különbözik a genetikai felépítésük az Antarktisz különböző részein.”
genetikai térképeik összehasonlításával remélik, hogy többet megtudhatnak arról, hogy ezek a rovarok hogyan maradtak fenn a legkeményebb kontinensen évmilliók óta, és mit tartogat számukra a jövő.
“érdekel minket, hogy ezek a populációk hogyan kerültek oda, ahol az Antarktisz történelme során voltak” – mondta Teets.
a projektet az amerikai Antarktiszi programot irányító Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatja.
nincsenek hangyák az Antarktiszon
bár a rovarok mindenütt jelen vannak a világon, kissé aberráltak az Antarktiszon.
“a rovarok hihetetlenül ritkák az Antarktiszon. Egymillió rovarfajt találtak a földön, és csak három rovar található meg az Antarktiszon, tehát ez egy nagyon nehéz hely a rovarok számára” – mondta Teets. “Érdekel minket, hogyan tudják ezt megtenni, milyen különleges egyedi adaptációkkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy megbirkózzanak ezekkel a szélsőséges Antarktiszi környezetekkel.”
e három faj közül csak a Belgica antarctica, ismertebb nevén az antarktiszi midge, valóban őshonos a fagyott kontinensen. Ők elég szívós fickók, és kell ahhoz, hogy élni és boldogulni a legkeményebb kontinensen.
“Ők azok, akiket poli-extremofilnek tekintünk, ami azt jelenti, hogy nagyon toleránsak a különböző típusú stresszekkel szemben” – mondta Teets.
rendkívül hideg és száraz körülmények között élnek és gyarapodnak, olyan környezetben, amelyet a legtöbb élőlény egyenesen halálosnak találna.
“az antarktiszi törpék sok ilyen dolgot kötnek össze”-mondta Scott Hotaling, a Washingtoni Állami Egyetem posztdoktori kutatója. “Ez a legdélibb élő rovar a világon. Ez az egyik leginkább hidegtűrő. Ez az egyik leginkább kiszáradástűrő. Ez a legkisebb genom, és ez az egyetlen rovar, amely endemikus az Antarktiszon.”
a kutatók maguk is azon dolgoznak, hogy megértsék a határokat, hogy milyen szélsőséges körülményeket tudnak elviselni a szúnyogok, és hogyan történik ez.
“munkánk alapvető fiziológiai toleranciaként kezdődött; hogyan élnek itt túl, és mit képesek elviselni” – mondta J. D. Gantz, a Hendrix Főiskola fiziológusa. “olyan kérdéseket tett fel, hogy milyen jól terjed ez a rovar, mennyire képes eljutni egyik helyről a másikra, és hogy ez hogyan befolyásolja a populációk közötti génáramlást, valamint azt, hogy ez hogyan illeszkedik az állat fiziológiai toleranciájához populációról populációra.”
ezek a rovarok kifejlesztették a módját, hogy valahogy megbirkózzanak az Antarktisz nulla alatti hőmérsékletével. Az egyik remény az, hogy megtanulva, hogy ezek a szúnyogok hogyan alkalmazkodtak a szilárd anyag fagyasztásához az év több mint felében, a kutatók ezeket a technikákat más célokra is átvihetik.
“a laboratóriumomat a krioprezerváció is érdekli, vagy az a képesség, hogy hosszú ideig hidegben tárolja a dolgokat” – mondta Teets. “Az olyan fajok adaptációinak tanulmányozásával kapcsolatos célunk, mint az antarktiszi midge, amelyek már nagyon jók a fagyasztásban, az, hogy megnézzük, hogy ezen információk egy része felhasználható-e más dolgok befagyasztására, és talán még a jövőben is, az olyan fajok betekintése, mint a midge, felhasználható lenne az emberi szövetek és szervek krioprezervációjának javítására.”
Midges hűtőszekrények
az antarktiszi midge tanulmányozásához a csapatnak először ki kellett mennie, hogy találjon néhányat. A kutatócsoport A Laurence M. Gould nevű kutatóhajóval az Antarktiszi-félsziget partjainál hajózott le, és útközben több mint 20 helyszínen állt meg, hogy élő mintákat gyűjtsön és tároljon.
“ez a szezon elsősorban a populációs genetika mintáinak megszerzésére összpontosított” – mondta Teets. “a hajón voltunk, és hozzáférésük volt ezekhez a különböző gyűjtőhelyekhez, ahol még soha nem jártunk.”
minden területen a csapat egy kis csónakot vett a partra, és szétszóródott, és olyan növényi vagy alganövény-csomókat keresett, amelyek általában azt jelentették, hogy a szúnyogok alul találhatók. A midge lárvák maguk is kisebbek, mint egy rizsszem, de gyakran csomókban gyűlnek össze. Óvatosan, csipesszel vagy szívószívóval több tucat midge lárvát gyűjtöttek össze minden helyről.
“ez különösen hasznos, hogy ilyen sok, mert nem vagyunk képesek tenyészteni őket a laborban jelenleg,” mondta Jacob Idec, a poszt-egyetemi hallgató Hendrix College. “Ahol megszerezzük őket, az lényegében a gyűjtés.”
miután összegyűjtötték, amire szükségük volt egy helyről, körülnéztek egy másik mikrokörnyezet után, általában valahol magasabbra, távolabb a parttól vagy általában szárazabb.
“van egy csomó helyek és egy csomó szúnyogok,” Idec mondta. “Sok jó napunk volt, és sok különböző helyen sikerült összegyűjtenünk egy csomó szúnyogot, ami izgalmas volt, és alapvetően értékesebbé kell tennie az ebből származó genetikát, több helyszínnel és több helyszínnel.”
a különböző környezetek és a félsziget különböző helyszíneinek összehasonlításával a csapat reméli, hogy megnézheti, milyen genetikai különbségek vannak a populációk között, és betekintést nyerhet abba, hogyan alkalmazkodtak a kontinens sajátos réséhez.
“nagyon finom méretű genomikai adatokat gyűjtünk minden populációból, így jó perspektívát kapunk a populáción belüli teljes genetikai sokféleségről, és képesek leszünk ezeket az adatokat összehasonlítani a populációk között” – mondta Hotaling. “Van-e olyan minta, hogy alapvetően minél távolabb vagy egymástól, annál genetikailag jobban elkülönülsz? Vagy, mert olyan dolgokat veszünk, mint egy magasabb magasságú dombtető egy kis völgy ellen, vagy egy hely, ahol sok pingvin guano van, szemben a nem, a genetikai differenciálódás struktúrája élőhelytípus szerint? Ezt a kettőt a genetikai szakirodalomban hagyományosan távolság szerinti elszigeteltségnek nevezik, távolabb vagyunk egymástól, tehát különbözőbbek vagyunk, szemben a környezet szerinti elszigeteltséggel, ahol nem a távolság, hanem a környezetünk hasonlósága.”
ez a kérdés, hogy mely populációk hasonlítanak leginkább egymásra, különösen érdekes, mert bár a szúnyogok ügyesek benne, az Antarktiszon való virágzás nem különösebben elbűvölő életmód. Kétéves életük túlnyomó részét alig mozgó lárvákként töltik. Apró sötét férgekre emlékeztetnek, csak a felszín alatt másznak, általában moha-vagy szárazföldi algafoltokban, vagy akár pingvin guanóban. Az év körülbelül nyolc hónapjában a lárvák valójában megfagynak, csak a legmelegebb nyári hónapokban olvadnak ki, hogy táplálkozzanak.
“csak körülbelül tíz-14 napot töltenek felnőttként” – mondta Teets. “Amikor felnőttek, szárnyatlanok. Felnőttként sem rendelkeznek funkcionális szájrészekkel, nem esznek vagy isznak semmit, csak mászkálnak, társat keresnek, a nőstények lerakják a petéiket, majd meghalnak.”
ez a nagyrészt talajlakó életciklus a szárnyatlanságukkal együtt rejtvényt jelent a kutatók számára, akik megpróbálják kitalálni, hogyan tudtak ilyen széles körben elterjedni az Antarktiszi-félsziget hosszában.
“nincs egyértelmű mechanizmus arra, hogy ez a rovar mozogjon, szétszóródjon egyik helyről a másikra” – mondta Gantz. “A felnőttek a szétszóródási szakasz csak néhány napig élnek. Szárnyatlanok, nem közlekednek légáramlaton, legalábbis azt kell mondanom, hogy még soha nem láttuk őket légáramlaton lovagolni, és kerestük. Nem úsznak különösebben jól. Csak nem igazán tudjuk, hogy ez a rovar hogyan jut el szigetről szigetre.”
bár a csapat nem számít arra, hogy ezeket a rejtélyeket csak genetikai adataikkal oldják meg, ha tudják, mely populációk hasonlítanak leginkább, akkor képet kaphatnak arról, hogy mennyire mozgékonyak a szúnyogok, mint faj. Vannak más elhúzódó kérdések velük kapcsolatban, amelyekbe a csapat reméli, hogy betekintést nyer.
kemény bogarak
A midge legközelebbi rokona a dél-amerikai Patagónia régióból származik, amelyet az Antarktisz mintegy 30-40 millió évvel ezelőtt elszakított a Drake-átjáró megnyitásával. Ez idő alatt a földgömb számos jégkorszakon ment keresztül; olyan korszakok, ahol az antarktiszi jégsapkák még nagyobbak lettek, elnyelve a midge néhány jégmentes menedékterületét. Egy másik rejtély, hogy a faj hogyan tudott túlélni a kiterjesztett mély fagyások révén több százezer évig.
“valahogy képesek voltak fennmaradni az Antarktiszon az ismétlődő jegesedési ciklusok során” – mondta Teets. “Ezeknek a genetikai adatoknak egy része segít megválaszolni néhány kérdést arról, hogyan kerültek oda, ahol vannak.”
bár a szúnyogoknak sikerült túlélniük néhány rendkívül fagyos időszakot a kontinensen, a jövő melegebbnek tűnik, és ez gondot okozhat a rovaroknak.
“az egyik nagyon kevés hangsúlyozza, hogy nem kezelik jól a magas hőmérsékletet” – mondta Gantz. “Legalábbis elméleti szempontból az éghajlatváltozás nem lesz jó dolog, különösen akkor, ha-mint gyanítjuk-nem túl jók a szétszóródásban, tehát nincs egyértelmű mechanizmusuk arra, hogy délre mozogjanak, amikor a dolgok északabbra melegednek.”
ráadásul, ahogy a félsziget melegszik, a melegebb északról érkező rovarok elindulhatnak az antarktiszi törpék területére, és elkezdhetik kiszorítani őket.
“az utazás első helyszíne a Byers-félsziget volt a Livingston-szigeten. Találtunk egy másik törpét, amely nagyon hasonlít Belgicára, de szárnyai vannak a felnőtteken” – mondta Hotaling. “Nagyon könnyű elképzelni, hogy ha a faj alsó szélességi határait az alacsony hőmérséklet határozza meg, amelyek emelkednek, akkor aktívan szétszóródhat dél felé, és potenciálisan kiszoríthatja Belgicát.”
néhány fiziológiai tanulmány, amelyet a csapat tervezett az általuk gyűjtött törpék számára, betekintést nyújthat abba, hogy az antarktiszi törpék mennyire reagálnak a változó éghajlati viszonyokra. Különösen nehéz azonban biztosan tudni, hogy mi fog történni, ha még mindig sok alapvető megválaszolatlan kérdés merül fel az antarktiszi törpékkel kapcsolatban.
“alig tudjuk, hol vannak a népességük határai, még a népesség méretének becsléséhez sem közelítünk, nem tudjuk, hogy növekszik-e vagy csökken-e” – mondta Gantz.
mivel ezek a szúnyogok messze vannak az otthonuktól, évekbe, vagy akár évtizedekbe telhet, mire a tudósok valóban kezelni tudják ezeket a kérdéseket. Debbie Harner, a lexingtoni Living Arts and Science Center oktatója csatlakozott a terepi csapathoz, hogy segítsen megosztani munkájukat a nyilvánossággal, és inspirálja a tudósok következő generációját, akik vállalhatják ezt a feladatot.
“lehetőségem van arra, hogy megosszam a fiatal gyerekekkel, mit csinálnak” – mondta Harner. “Egy antarktiszi programot viszek ki a Közösségbe, megosztom, mit tettünk ezen az úton, és tanítom a gyerekeket az antarktiszi állatokról, mint például A midge és néhány adaptációjuk.”
jelenleg a csapat által összegyűjtött több száz lárva a Teets Kentucky-i és Gantz arkansasi laboratóriuma között oszlik meg, miközben a csapat genetikai és fiziológiai munkájának megkezdésére készül. A csapat még két szezonnyi terepmunkát tervez, és vissza kíván térni a legjobb helyszínekre, hogy több mintát gyűjtsön.
az NSF által finanszírozott kutatás ebben a történetben: Nicholas Teets, Kentucky Egyetem, 1850988. díj.