 Fotokrediet: Mike Lucibella |
(van links naar rechts) Jacob Idec, Scott Hotaling en J. D. Gantz zoeken naar muggenlarven in Mos bovenop een rotsachtige heuvel op een eiland bij Palmer Station. |
What the Genes of Antarctica ’s taaie kleine Midge can Tell Us
wetenschappers bekijken Antarctica’ s grootste landdier van dichtbij.
het is een klein insect genaamd de Antarctische midge, en ze groeien niet veel groter dan een vingernagel. Er zijn veel hardnekkige vragen over deze beestjes, en onderzoekers hopen dat een brede studie van hun kleine genoom kan beginnen om enkele antwoorden te onthullen.In februari en maart voer een team van wetenschappers op het onderzoeksschip Laurence M. Gould langs de kust van het Antarctisch Schiereiland, waarbij ze de meest uitgebreide studie van de Antarctische midge tot nu toe uitvoerden.
“we konden muggen verzamelen die op verschillende plaatsen wonen en verschillende omgevingen ervaren,” zei Nicholas Teets van de Universiteit van Kentucky en hoofdonderzoeker van het project. “We gaan kijken naar hun onderliggende genetische make-up om te zien hoe hun genetische make-up verschilt in deze verschillende delen van Antarctica.”
door hun genetische kaarten te vergelijken, hopen ze meer te weten te komen over hoe deze insecten in miljoenen jaren op het hardste continent hebben standgehouden, en wat de toekomst voor hen in petto heeft.
” we zijn geïnteresseerd in hoe deze populaties zijn geworden waar ze zijn door de geschiedenis van Antarctica, ” zei Teets.
het project wordt ondersteund door de National Science Foundation, die het Amerikaanse Antarctische programma beheert.
geen mieren in Antarctica
hoewel insecten alomtegenwoordig zijn in de wereld, zijn ze enigszins een aberratie in Antarctica.
“insecten zijn ongelooflijk zeldzaam in Antarctica. Er zijn een miljoen insectensoorten gevonden op de planeet Aarde en slechts drie insecten kunnen worden gevonden in Antarctica, dus het is echt een moeilijke plek voor insecten om te leven,” Tees zei. “We zijn geïnteresseerd in hoe ze dat kunnen doen, wat zijn de speciale unieke aanpassingen die ze hebben die hen in staat stellen om te gaan met deze extreme Antarctische omgevingen.”
van deze drie soorten is alleen Belgica antarctica, beter bekend als de Antarctische midge, echt een inwoner van het bevroren continent. Het zijn behoorlijk winterharde beestjes, en dat moeten ze zijn om te leven en te gedijen op het hardste continent.
” ze zijn wat we beschouwen als een poly-extremofiel, wat betekent dat ze zeer tolerant zijn voor veel verschillende soorten stress, ” zei Teets.
ze leven en gedijen in extreem koude en droge omstandigheden, omgevingen die de meeste levende wezens ronduit dodelijk zouden vinden.”The Antarctic midge places a bound on a lot of these things,” said Scott Hotaling, a post-doctoral researcher at Washington State University. “Het is het meest zuidelijke levende insect ter wereld. Het is een van de meest koude-tolerante. Het is een van de meest verdrogende. Het heeft het kleinste genoom, en het is het enige insect dat endemisch is op Antarctica.”
de onderzoekers werken zelf om de grenzen te begrijpen van wat voor soort extreme omstandigheden muggen kunnen verdragen, en hoe het gaat om dat te doen.”Ons werk is begonnen als fundamentele fysiologische toleranties; hoe overleven ze hier en wat kunnen ze verdragen,” zei J. D. Gantz, fysioloog aan het Hendrix College. “is geëvolueerd tot vragen stellen over hoe goed dit insect zich verspreidt, hoe goed het in staat is om van de ene plaats naar de andere te komen en hoe dat de genstroom tussen populaties beïnvloedt en ook hoe dat overeenkomt met fysiologische toleranties in dit dier van populatie tot populatie.”
deze insecten hebben manieren ontwikkeld om op de een of andere manier om te gaan met de Subzero temperaturen van Antarctica. Een van de hoop is dat door te leren hoe deze muggen zich hebben aangepast aan het bevriezen Vaste voor meer dan de helft van het jaar, onderzoekers kunnen een aantal van deze technieken over te dragen voor andere doeleinden.
” mijn lab is ook geïnteresseerd in cryopreservatie, of de mogelijkheid om dingen lange tijd in de kou op te slaan,” zei Teets. “Een deel van ons doel voor het bestuderen van aanpassingen in soorten zoals de Antarctische midge, die al echt goed zijn in het bevriezen, is om te zien of een deel van die informatie kan worden toegepast op het helpen bevriezen van andere dingen, en misschien zelfs verder in de toekomst, inzichten van soorten zoals de midge kan worden gebruikt om de cryopreservatie van menselijke weefsels en organen te verbeteren.”
koelkasten van muggen
om de Antarctische midge te bestuderen, moest het team er eerst op uit om er een paar te vinden. Het veldteam zeilde op het onderzoeksschip Laurence M. Gould langs de kust van het Antarctisch Schiereiland en stopte op meer dan 20 locaties onderweg om levende monsters te verzamelen en op te slaan.
” dit seizoen was voornamelijk gericht op het verkrijgen van de monsters voor de populatiegenetica, ” zei Teets. “waren op het schip en ze hadden toegang tot al deze verschillende verzamelplaatsen waar we nog nooit eerder geweest.”
op elk veld nam het team een kleine boot naar de wal en waaide uit, op zoek naar verklarende plukjes planten-of algengroei die meestal betekende dat muggen hieronder zouden worden gevonden. De muggenlarven zijn zelf kleiner dan een rijstkorrel, maar komen vaak samen in klontjes. Voorzichtig, met een pincet of een zuigafzuiger, verzamelden ze Enkele tientallen muggenlarven van elke plaats.
” het is bijzonder nuttig om er zoveel te krijgen omdat we ze momenteel niet in staat zijn om in het lab te fokken, ” zei Jacob Idec, een post-undergraduate student aan Hendrix College. “Waar we ze in wezen verzamelen.”
na het verzamelen van wat ze nodig hadden, zochten ze naar een andere microomgeving, meestal ergens hoger, verder van de kust of in het algemeen droger.
“we hebben een heleboel sites en een heleboel muggen,” Idec zei. “We hebben veel goede dagen gehad en we hebben veel muggen kunnen verzamelen op veel verschillende plaatsen, wat spannend is geweest, en eigenlijk zou de genetica die hieruit komen waardevoller moeten maken, met meer sites en meer locaties.”
door muggen in verschillende omgevingen en verschillende locaties langs het schiereiland te vergelijken, hoopt het team te zien welke soorten genetische verschillen er bestaan tussen populaties en enig inzicht te krijgen in hoe ze zich aanpasten aan hun specifieke niche op het continent.
” we verzamelen echt fijn-schaal genomische gegevens van veel individuen uit elke populatie dus zal een goed perspectief op de totale genetische diversiteit binnen de populatie en we zullen in staat zijn om deze gegevens te nemen en te vergelijken tussen de populaties, ” Hotaling zei. “Is er een patroon van hoe verder je uit elkaar bent, hoe meer genetisch verschillend je bent? Of, omdat we dingen nemen zoals een heuveltop op een hogere hoogte versus een kleine vallei, of een plek waar er veel pinguïn guano is versus niet, structureert genetische differentiatie naar habitattype? Deze twee worden traditioneel in de genetische literatuur isolatie door afstand genoemd, je bent verder uit elkaar, dus je bent meer verschillend, versus isolatie door omgeving, waar het geen afstand is, het is hoe vergelijkbaar je omgeving is.”
deze vraag welke populaties het meest op elkaar lijken is van bijzonder belang omdat, hoewel muggen er bedreven in zijn, het bloeien op Antarctica geen bijzonder glamoureuze levensstijl is. Ze brengen het grootste deel van hun tweejarige leven door als nauwelijks mobiele larven. Ze lijken op kleine donkere wormen, ze kruipen rond net onder het oppervlak, meestal in stukjes mos of aardse algen of zelfs pinguïn guano. Gedurende ongeveer acht maanden van het jaar zijn de larven eigenlijk bevroren, alleen ontdooien om zich te voeden tijdens de warmste zomermaanden.
“ze besteden slechts ongeveer tien tot 14 dagen als volwassenen,” Teets zei. “Als ze volwassen zijn, zijn ze vleugelloos. Ze hebben ook geen functionele monddelen als volwassene, ze eten of drinken niets, ze kruipen gewoon rond, zoeken een partner, de vrouwtjes leggen hun eitjes en dan sterven ze.”
deze levenscyclus die grotendeels in de bodem leeft, in combinatie met hun vleugelloosheid, is een raadsel voor onderzoekers die proberen uit te zoeken hoe ze in staat zijn geweest om zich zo wijd over de lengte van het Antarctisch Schiereiland te verspreiden.
” er is geen duidelijk mechanisme voor dit insect om te bewegen, te verspreiden van plaats tot plaats, ” zei Gantz. “De volwassenen zijn de verspreidingsfase waarin ze slechts een paar dagen leven. Ze zijn vleugelloos, ze rijden niet op luchtstromen, tenminste moet ik zeggen dat we ze nog nooit hebben gezien op luchtstromen, en we hebben ernaar gezocht. Ze drijven niet echt goed. We weten alleen niet hoe dit insect van eiland naar eiland zou komen.”
hoewel het team niet verwacht al deze mysteries op te lossen met hun genetische gegevens alleen, door te weten welke populaties het meest op elkaar lijken, kunnen ze een idee krijgen van hoe mobiel de muggen als soort zijn. Er zijn andere aanhoudende vragen over hen die het team hoopt om wat inzicht in te krijgen.
Tough Bugs
het dichtst verwant van de midge komt uit de regio Patagonië in Zuid-Amerika, die Antarctica zo ‘ n 30 tot 40 miljoen jaar geleden doorbrak met de opening van de Drake Passage. In die tijd heeft de wereld een aantal ijstijden ondergaan; era ‘ s waar de Antarctische ijskappen nog groter werden, waardoor de weinige ijsvrije vluchtgebieden van de midge werden overspoeld. Hoe de soort in staat was om te overleven door middel van uitgebreide diepvriezen voor honderdduizenden jaren is een ander mysterie.”Ze zijn op de een of andere manier in staat geweest om door te gaan in Antarctica gedurende deze herhaalde ijscycli,” zei Teets. “Sommige van deze genetische gegevens zullen ons helpen een aantal van die vragen te beantwoorden over hoe ze zijn gekomen waar ze zijn.”
hoewel de muggen erin geslaagd zijn om een aantal intens frigide tijden op het continent te overleven, ziet de toekomst er warmer uit, en dat kan problemen opleveren voor de insecten.
” een van de weinige stress die ze niet goed omgaan is hoge temperatuur, ” zei Gantz. “In ieder geval vanuit theoretisch oogpunt, klimaatverandering is niet van plan om een goede zaak, vooral als, zoals we vermoeden, ze zijn niet erg goed in het verspreiden, dus ze hebben geen duidelijk mechanisme om naar het zuiden als de dingen opwarmen verder naar het noorden.”
Plus, als het schiereiland warmer wordt, konden insecten uit het warmere noorden hun weg naar het territorium van de Antarctische midge beginnen te vinden en ze naar buiten duwen.
“onze eerste site van deze reis was Byers Peninsula op Livingston Island. We vonden daar een andere mug die veel lijkt op Belgica, maar vleugels heeft op de volwassenen,” zei Hotaling. “Het is vrij gemakkelijk voor te stellen dat als de lagere breedtegraad van die soort wordt bepaald door lage temperaturen, die stijgen, het actief naar het zuiden zou kunnen verspreiden en mogelijk Belgica zou kunnen verdringen.”
sommige fysiologische studies die het team heeft gepland voor de muggen die zij hebben verzameld, zouden inzicht kunnen bieden in hoe goed de Antarctische midge zal reageren op veranderende klimatologische omstandigheden. Het is echter bijzonder moeilijk om zeker te weten wat er waarschijnlijk gaat gebeuren als er nog veel fundamentele onbeantwoorde vragen zijn over Antarctische muggen.
” we weten nauwelijks waar de grenzen van hun bevolking zijn, we hebben niet eens iets in de buurt van een schatting van de grootte van de bevolking, we weten niet of ze toenemen of dat ze afnemen, ” zei Gantz.
vanwege de afstand waar deze muggen hun thuisbasis noemen, kan het jaren, of zelfs decennia duren voordat wetenschappers een echte greep kunnen krijgen op sommige van deze vragen. Debbie Harner, onderwijzer bij het Living Arts and Science Center in Lexington, Kentucky, sloot zich aan bij het veldteam om hun werk te delen met het publiek en de volgende generatie wetenschappers te inspireren die die taak op zich zouden kunnen nemen.
“Ik heb de kans om te delen met jonge kinderen wat ze doen,” Harner zei. “Ik neem een Antarctisch programma mee naar de gemeenschap, deel wat we hebben gedaan op deze reis en leer kinderen over Antarctische dieren zoals de midge en enkele van de aanpassingen die ze hebben.”
op dit moment zijn de honderden larven die het team verzamelde verdeeld tussen het lab van Teets in Kentucky en het lab van Gantz in Arkansas, terwijl het team zich voorbereidt op hun genetische en fysiologische werk. Het team heeft nog twee seizoenen van veldwerk gepland en is van plan om terug te keren naar een aantal van hun beste sites om meer monsters te verzamelen.
NSF-gefinancierd onderzoek in dit verhaal: Nicholas Teets, University of Kentucky, Award No. 1850988.