 Fotokreditt: Mike Lucibella |
(Venstre til høyre) Jacob Idec, Scott Hotaling og Jd Gantz søker etter midge larver i moss på toppen av en steinete ås på en øy nær Palmer Station. |
Hva Genene Til Antarktis Tøffe Lille Midge Kan Fortelle Oss
Forskere tar en nærmere titt på Antarktis største landdyr.
det er et lite insekt kalt Antarctic midge, og de vokser ikke mye større enn en negl. Det er mange vedvarende spørsmål om disse critters, og forskere håper at en bred studie av deres lille genom kan begynne å avsløre noen svar.
i løpet av februar og Mars seilte et team av forskere På forskningsfartøyet Laurence M. Gould nedover Kysten Av Den Antarktiske Halvøy, og gjennomførte den bredeste studien av Antarktis midge ennå.
«Vi var i stand til å samle midger som bor på forskjellige steder og oppleve forskjellige miljøer,» Sa Nicholas Teets Fra University Of Kentucky og hovedforsker på prosjektet. «Vi skal se på deres underliggende genetiske sminke for å se hvordan deres genetiske sminke varierer over disse forskjellige delene av Antarktis.»
ved å sammenligne deres genetiske kart, håper de å lære mer om hvordan disse insektene har vedvart på det hardeste kontinentet i millioner av år, og hva fremtiden kan holde for dem.
«Vi er interessert i hvordan disse befolkningene må være der de er gjennom Hele Antarktis historie,» Sa Teets.
prosjektet er støttet Av National Science Foundation, som forvalter US Antarctic Program.
Ingen Maur I Antarktis
selv om insekter er allestedsnærværende rundt om i verden, er de litt av en aberrasjon I Antarktis.
«Insekter er svært sjeldne i Antarktis. Det har vært en million insektarter funnet på Planeten Jorden, og bare tre insekter kan bli funnet I Antarktis, så det er et veldig vanskelig sted for insekter å leve, » Sa Teets. «Vi er interessert i hvordan de kan gjøre det, hva er de spesielle unike tilpasningene de har som gjør at de kan takle disse ekstreme Antarktiske miljøene.»
av disse tre artene, er Bare Belgica antarktis, mer kjent som Antarktis midge, virkelig innfødt av det frosne kontinentet. De er ganske hardy critters, og må være for å leve og trives på det hardeste kontinentet.
«de er det Vi anser som en poly-ekstremofil, noe som betyr at de er svært tolerante for mange forskjellige typer stress,» Sa Teets.
de lever og trives i ekstremt kalde og tørre forhold, miljøer som de fleste levende ting ville finne rett og slett dødelige.
«Antarctic midge plasserer en bundet på mange av disse tingene,» sa Scott Hotaling, en postdoktorforsker Ved Washington State University. «Det er det sørligste levende insektet i verden. Det er en av de mest kaldt tolerante. Det er en av de mest uttørkende tolerante. Den har det minste genomet, og det er det eneste insektet som er endemisk Til Antarktis.»
forskerne jobber selv for å forstå grensene for hva slags ekstreme forhold midges kan tolerere, og hvordan det går om å gjøre det.
» Vårt arbeid har startet som grunnleggende fysiologiske toleranser; hvordan overlever de her og hva er de i stand til å tolerere,» sa Jd Gantz, en fysiolog Ved Hendrix College. «har utviklet seg til å stille spørsmål om hvor godt dette insektet sprer seg, hvor godt det er i stand til å komme fra ett sted til et annet, og hvordan det påvirker genflyten blant populasjoner, og også hvordan det samsvarer med fysiologiske toleranser i dette dyret fra befolkning til befolkning.»
disse insektene har utviklet måter Å på en eller annen måte takle Antarktis subzero temperaturer. Et av håpene er at ved å lære hvordan disse midgene har tilpasset seg å fryse fast i mer enn halvparten av året, kan forskere overføre noen av disse teknikkene til andre formål.
«mitt laboratorium er også interessert i kryopreservering, eller evnen til å lagre ting i kulde i lang tid,» Sa Teets. «En del av vårt mål for å studere tilpasninger i arter som Antarktis midge, som allerede er veldig gode til frysing, er å se om noe av den informasjonen kan brukes til å fryse andre ting, og kanskje enda lenger inn i fremtiden, kan innsikt fra arter som midge brukes til å forbedre kryopreservering av menneskelige vev og organer.»
Kjøleskap Av Midger
for å studere Antarktis midge måtte laget først gå ut og finne noen. Feltteamet seilte på forskningsfartøyet Laurence M. Gould nedover Antarktis-Halvøya, og stoppet på mer enn 20 steder underveis for å samle og lagre levende prøver.
» denne sesongen var primært fokusert på å få prøvene for populasjonsgenetikken, » Sa Teets. «var på skipet og de hadde tilgang til alle disse forskjellige innsamlingsstedene som vi aldri har vært på før.»
på hvert feltsted ville teamet ta en liten båt til land og vifte ut, på jakt etter fortellende tufts av plante-eller algervekst som vanligvis betydde midger ville bli funnet nedenfor. Midge larver er selv mindre enn et riskorn, men samles ofte sammen i klumper. Varsomt, med pinsett eller sugesuger, satte de seg om å samle flere dusin midge larver fra hvert sted.
«det er spesielt nyttig å få så mange fordi vi ikke klarer å avle dem i laboratoriet for tiden,» sa Jacob Idec, en post-undergraduate student Ved Hendrix College. «Hvor vi får dem i hovedsak er å samle.»
etter å ha samlet det de trengte fra en lokalitet, ville de se seg om etter et annet mikromiljø, vanligvis et sted høyere opp, lenger unna land eller generelt tørrere.
«Vi fikk en hel masse nettsteder og en hel masse mygg,» Idec sa. «Vi har hatt mange gode dager, og vi har vært i stand til å samle mange midger på mange forskjellige steder, noe som har vært spennende, og i utgangspunktet bør gjøre genetikken som kommer ut av dette mer verdifull, ha flere steder og flere steder.»
ved å sammenligne midger på tvers av varierte miljøer og forskjellige steder langs halvøya, håper teamet å se hvilke typer genetiske forskjeller som eksisterer mellom populasjoner og få litt innsikt i hvordan de tilpasset seg deres spesielle nisje på kontinentet.
» Vi samler virkelig finskala genomiske data fra mange individer fra hver befolkning, så det vil få et godt perspektiv på totalt genetisk mangfold i befolkningen, og Vi vil kunne ta disse dataene og sammenligne det blant populasjoner,» Sa Hotaling. «Er det et mønster av i utgangspunktet jo lenger fra hverandre du er, jo mer genetisk distinkt er du? Eller fordi vi prøver ting som en høyere høyde bakketopp mot en liten dal, eller et sted hvor det er mye pingvin guano versus ikke, gjør genetisk differensiering struktur etter habitattype? Så disse to tradisjonelt i den genetiske litteraturen kalles isolasjon etter avstand, du er lenger fra hverandre, så du er mer annerledes, versus isolasjon etter miljø, hvor det ikke er avstand, det er hvor likt miljøet ditt er.»
Dette spørsmålet om hvilke populasjoner som er mest lik hverandre, er av spesiell interesse fordi selv om midger er flinke til Det, er blomstrende I Antarktis ikke en spesielt glamorøs livsstil. De tilbringer det store flertallet av sine toårige liv som knapt mobile larver. Ligner små mørke ormer, de kryper rundt like under overflaten, vanligvis i flekker av mos eller terrestriske alger eller til og med pingvin guano. I ca åtte måneder av året er larvene faktisk frosset, bare tining ut for å mate i de varmeste sommermånedene.
«De bruker bare omtrent ti til 14 dager som voksne,» Sa Teets. «Når de er voksne, er de vingeløse. De har heller ikke noen funksjonelle munndeler som voksen, de spiser ikke eller drikker noe, de kryper bare rundt, ser etter en kompis, hunnene legger eggene sine og så dør de.»
denne stort sett jordboende livssyklusen, kombinert med deres vingeløshet, presenterer et puslespill for forskere som prøver å finne ut hvordan de har vært i stand til å spre seg så vidt nedover Lengden Av Antarktis-Halvøya.
» Det er ingen klar mekanisme for dette insektet å bevege seg rundt, for å spre seg fra sted til sted, » Sa Gantz. «De voksne er spredningsfasen de lever bare noen få dager. De er vingeløse, de rir ikke på luftstrømmer, i det minste skal jeg si at vi aldri har sett dem ri på luftstrømmer, og vi har sett etter det. De flyter ikke spesielt godt. Vi er bare ikke helt sikker på hvordan dette insektet ville komme fra øy til øy.»
selv om teamet ikke forventer å løse alle disse mysteriene med sine genetiske data alene, ved å vite hvilke populasjoner som er mest like, kan de begynne å få en ide om hvor mobil midgene som en art er. Det er andre dvelende spørsmål om dem som teamet håper å få litt innsikt i.
Tøffe Insekter
midgens nærmeste slektning kommer Fra Patagonia-regionen I Sør-Amerika, Som Antarktis brøt vekk fra rundt 30 til 40 millioner år siden med åpningen Av Drakestredet. Over den tiden har kloden gjennomgått en rekke istider; epoker hvor De Antarktiske iskappene vokste enda større, og oppslukt midgens få isfrie tilfluktsområder. Hvordan arten var i stand til å overleve gjennom utvidede dype fryser i hundretusener av år er et annet mysterium.
» De har på en eller annen måte vært i Stand til å fortsette I Antarktis gjennom disse gjentatte istidssyklusene,» Sa Teets. «Noen av disse genetiske dataene vil hjelpe oss med å svare på noen av disse spørsmålene om hvordan de kom til å være der de er.»
selv om midges har klart å overleve noen intenst iskalde tider på kontinentet, ser fremtiden varmere ut, og det kan stave problemer for insekter.
» en av de svært få understreker at de ikke håndterer godt, er høy temperatur, » Sa Gantz. «I hvert fall fra et teoretisk synspunkt vil klimaendringer ikke være en god ting, spesielt hvis de, som vi mistenker, ikke er veldig gode til å spre seg, så de har ikke en klar mekanisme for å bevege seg sør når ting varmes opp lenger nord.»
i tillegg, når halvøya varmer, kunne insekter fra det varmere nord begynne å komme seg inn I Antarktis midges territorium og begynne å skyve dem ut.
«Vår første stedet for denne turen var Byers Peninsula På Livingston Island. Vi fant en annen midge der som ser mye Ut Som Belgica, men har vinger på de voksne, » Hotaling sa. «Det er ganske enkelt å forestille seg at hvis artenes lavere breddegrenser blir satt av lave temperaturer, som stiger, kan det aktivt spre seg sør og potensielt forflytte Belgica.»
noen av de fysiologiske studiene teamet har planlagt for midgene de samlet, kunne gi innsikt i hvor godt Antarktis midge vil reagere på endrede klimatiske forhold. Det er imidlertid spesielt vanskelig å vite sikkert hva som sannsynligvis vil skje når det fortsatt er mange grunnleggende ubesvarte spørsmål om Antarktis midges.
» vi vet knapt hvor grensene for deres befolkning er, vi har ikke engang noe nær et befolkningsstørrelsesestimat, vi vet ikke om de øker eller om de faller, » Sa Gantz.
På grunn av avstanden til hvor disse midgene ringer hjem, kan det være år, eller til og med tiår før forskere kan begynne å få et reelt håndtak på noen av disse spørsmålene. Debbie Harner, en pedagog Ved Living Arts And Science Center I Lexington, Kentucky, ble med i feltteamet for å dele sitt arbeid med publikum og inspirere neste generasjon forskere som kan ta opp det ansvaret.
«jeg har muligheten til å dele med små barn hva de gjør,» Harner sa. «Jeg tar Et Antarktis-program ut til samfunnet, deler hva vi har gjort på denne reisen og lærer barna om Antarktiske dyr som midget og noen av tilpasningene de har.»
Akkurat nå er de hundrevis av larver laget samlet inn, delt mellom Teets laboratorium I Kentucky og Gantz laboratorium i Arkansas, da laget forbereder seg på å starte sitt genetiske og fysiologiske arbeid. Teamet har to sesonger med feltarbeid planlagt og har tenkt å gå tilbake til flere av sine beste steder for å samle flere prøver.
Nsf-finansiert forskning i denne historien: Nicholas Teets, University Of Kentucky, Award no. 1850988.