 Zdjęcie: Mike Lucibella |
(od lewej do prawej) Jacob Idec, Scott Hotaling i J. D. Gantz szukają larw midge w mchu na skalistym wzgórzu na wyspie niedaleko stacji Palmer. |
co geny twardej małej Midge Antarktydy mogą nam powiedzieć
naukowcy przyglądają się z bliska największemu zwierzęciu lądowemu Antarktydy.
to mały owad o nazwie Antarctic midge, i nie rosną znacznie większe niż paznokieć. Istnieje wiele uporczywych pytań na temat tych stworzeń, a naukowcy mają nadzieję, że szerokie badanie ich maleńkiego genomu może zacząć ujawniać pewne odpowiedzi.
w lutym i marcu zespół naukowców popłynął statkiem badawczym Laurence M. Gould wzdłuż wybrzeża Półwyspu Antarktycznego, prowadząc najszersze badania antarktycznej midge.
„udało nam się zebrać muszki, które żyją w różnych miejscach i doświadczają różnych środowisk”, powiedział Nicholas Teets z University of Kentucky i główny badacz projektu. „Przyjrzymy się ich genetycznej strukturze, aby zobaczyć, jak ich genetyczna struktura różni się w różnych częściach Antarktydy.”
porównując swoje mapy genetyczne, mają nadzieję dowiedzieć się więcej o tym, jak te owady przetrwały na najtrudniejszym kontynencie od milionów lat i co może im przynieść przyszłość.
„jesteśmy zainteresowani tym, jak te populacje znalazły się tam, gdzie są w całej historii Antarktydy” – powiedział Teets.
projekt jest wspierany przez National Science Foundation, która zarządza amerykańskim programem Antarktycznym.
brak mrówek na Antarktydzie
chociaż owady są wszechobecne na całym świecie, są w pewnym stopniu aberracją na Antarktydzie.
„owady są niezwykle rzadkie na Antarktydzie. Na Ziemi znaleziono milion gatunków owadów, a tylko trzy owady można znaleźć na Antarktydzie, więc jest to naprawdę trudne miejsce dla owadów ” – powiedział Teets. „Interesuje nas, w jaki sposób mogą to zrobić, jakie są specjalne, unikalne adaptacje, które pozwalają im radzić sobie z tymi ekstremalnymi środowiskami Antarktycznymi.”
z tych trzech gatunków, tylko Belgica antarctica, bardziej znana jako midge Antarktyczna, jest naprawdę rodzima z zamarzniętego kontynentu. Są dość odporne stworzenia, i muszą być, aby żyć i rozwijać się na najtrudniejszym kontynencie.
„są tym, co uważamy za Poli-ekstremofilów, co oznacza, że są bardzo tolerancyjni na wiele różnych rodzajów stresu” – powiedział Teets.
żyją i rozwijają się w ekstremalnie zimnych i suchych warunkach, środowiskach, które większość żywych stworzeń uznałaby za śmiertelne.
„Antarctic midge kładzie nacisk na wiele z tych rzeczy” -powiedział Scott Hotaling, doktorant z Washington State University. „Jest to najbardziej na południe żyjący owad na świecie. Jest jednym z najbardziej odpornych na zimno. Jest to jeden z najbardziej odpornych na osuszanie. Ma najmniejszy Genom i jest jedynym owadem endemicznym dla Antarktydy.”
naukowcy sami pracują nad zrozumieniem granic tego, jakie ekstremalne warunki muszki mogą tolerować i jak to się dzieje.
„nasza praca rozpoczęła się jako podstawowe tolerancje fizjologiczne; jak przetrwają tutaj i co są w stanie tolerować”, powiedział J. D. Gantz, fizjolog w Hendrix College. „ewoluowała w zadawanie pytań o to, jak dobrze ten owad się rozprasza, jak dobrze jest on w stanie dostać się z jednego miejsca do drugiego i jak to wpływa na przepływ genów między populacjami, a także Jak to pasuje do fizjologicznych tolerancji tego zwierzęcia z populacji na populację.”
te owady wyewoluowały sposoby radzenia sobie z niższymi temperaturami Antarktydy. Jedną z nadziei jest to, że ucząc się, w jaki sposób te muszki przystosowały się do zamrażania ciał stałych przez ponad połowę roku, naukowcy mogą przenieść niektóre z tych technik do innych celów.
„moje laboratorium interesuje się również kriokonserwacją, czyli możliwością przechowywania rzeczy na zimno przez długi czas” „Jednym z naszych celów w badaniu adaptacji gatunków takich jak muszka Antarktyczna, które są już naprawdę dobre w zamrażaniu, jest sprawdzenie, czy niektóre z tych informacji można zastosować do pomocy w zamrażaniu innych rzeczy, a może nawet dalej w przyszłości, spostrzeżenia z gatunków takich jak muszka mogłyby zostać wykorzystane do poprawy kriokonserwacji ludzkich tkanek i narządów.”
lodówki muszek
aby zbadać muszkę Antarktyczną, zespół najpierw musiał ją znaleźć. Zespół polowy popłynął statkiem badawczym Laurence M. Gould wzdłuż wybrzeża Półwyspu Antarktycznego, zatrzymując się w ponad 20 miejscach po drodze, aby zebrać i przechowywać żywe próbki.
„ten sezon koncentrował się przede wszystkim na pobieraniu próbek do genetyki populacji” – powiedział Teets. „byli na statku i mieli dostęp do tych wszystkich różnych miejsc zbierania, w których nigdy wcześniej nie byliśmy.”
na każdym polu zespół zabierał małą łódź na brzeg i wachlował się, szukając wskazujących kępek wzrostu roślin lub glonów, które zwykle oznaczały muszki, które można znaleźć poniżej. Larwy muszki same w sobie są mniejsze od ziarnka ryżu, ale często gromadzą się w kępach. Ostrożnie, za pomocą pęsety lub aspiratora ssącego, zbierają z każdego miejsca po kilkadziesiąt larw midge.
„jest to szczególnie przydatne, aby uzyskać tak wiele, ponieważ nie jesteśmy w stanie ich hodować w laboratorium obecnie”, powiedział Jacob Idec, student studiów podyplomowych w Hendrix College. „Gdzie je dostajemy zasadniczo jest zbieranie.”
po zebraniu tego, czego potrzebowali z jednego miejsca, rozglądali się za innym mikrośrodowiskiem, zwykle gdzieś wyżej, dalej od brzegu lub ogólnie bardziej suchym.
„mamy mnóstwo stron i mnóstwo muszek” – powiedział Idec. „Mieliśmy wiele dobrych dni i byliśmy w stanie zebrać wiele muszek w wielu różnych miejscach, co było ekscytujące i zasadniczo powinno sprawić, że genetyka, która z tego wyjdzie, będzie bardziej wartościowa, mając więcej miejsc i lokalizacji.”
porównując muszki w różnych środowiskach i różnych miejscach na półwyspie, zespół ma nadzieję zobaczyć, jakie rodzaje różnic genetycznych istnieją między populacjami i uzyskać pewien wgląd w to, jak przystosowały się do swojej szczególnej niszy na kontynencie.
„zbieramy naprawdę dokładne dane genomowe od wielu osób z każdej populacji, więc uzyskamy dobrą perspektywę na całkowitą różnorodność genetyczną w populacji i będziemy mogli wziąć te dane i porównać je między populacjami”, powiedział Hotaling. „Czy istnieje wzorzec, że im bardziej się od siebie oddalacie, tym bardziej jesteście odmienni genetycznie? Albo, ponieważ próbkujemy rzeczy jak wyższy szczyt wzniesienia w porównaniu do małej doliny, lub miejsce, gdzie jest dużo guano pingwina kontra nie, czy różnicowanie genetyczne strukturyzuje się według typu siedliska? Więc te dwie tradycyjnie w literaturze genetycznej nazywa się izolacją przez odległość, jesteś dalej od siebie, więc jesteś bardziej inny, niż izolacja przez środowisko, gdzie nie jest to odległość, ale jak podobne jest twoje środowisko.”
to pytanie, które populacje są do siebie najbardziej podobne, jest szczególnie interesujące, ponieważ chociaż muszki są w tym biegłe, kwitnienie na Antarktydzie nie jest szczególnie efektownym stylem życia. Większość swojego dwuletniego życia spędzają jako ledwo ruchome larwy. Przypominając małe ciemne robaki, pełzają tuż pod powierzchnią, zwykle w plastrach mchu lub glonów lądowych, a nawet guano pingwina. Przez około osiem miesięcy w roku larwy są w rzeczywistości zamrożone, tylko rozmrażając się, aby żerować w najcieplejszych miesiącach letnich.
„spędzają tylko około dziesięciu do 14 dni jako dorośli” – powiedział Teets. „Kiedy są dorośli, są bezskrzydli. Nie mają też żadnych funkcjonalnych części ust jako dorosły, nie jedzą ani nie piją niczego, po prostu czołgają się, szukają partnera, samice składają jaja, a potem umierają.”
ten w dużej mierze zamieszkujący glebę cykl życia, w połączeniu z ich brakiem skrzydeł, stanowi zagadkę dla naukowców próbujących dowiedzieć się, jak udało im się rozprzestrzenić tak szeroko na całej długości Półwyspu Antarktycznego.
„nie ma wyraźnego mechanizmu, aby ten owad poruszał się, rozpraszał się z miejsca na miejsce” – powiedział Gantz. „Dorośli są fazą rozproszenia, którą żyją zaledwie kilka dni. Są bezskrzydłe, nie jeżdżą na prądach powietrznych, przynajmniej powinienem powiedzieć, że nigdy nie widzieliśmy ich jeżdżących na prądach powietrznych, a my tego szukaliśmy. Nie pływają zbyt dobrze. Po prostu nie jesteśmy pewni, jak ten owad mógłby przemieszczać się z wyspy na wyspę.”
chociaż zespół nie spodziewa się rozwiązania wszystkich tych tajemnic za pomocą samych danych genetycznych, wiedząc, które populacje są najbardziej podobne, mogą zacząć rozumieć, jak mobilne są muszki jako gatunek. Są jeszcze inne pytania na ich temat, które zespół ma nadzieję zdobyć.
trudne robaki
najbliższy krewny midge pochodzi z regionu Patagonii w Ameryce Południowej, którego Antarktyda oderwała się od około 30 do 40 milionów lat temu wraz z otwarciem przejścia Drake ’ a. W tym czasie glob przeszedł szereg epok lodowcowych; epoki, w których czapy lodowe Antarktydy urosły jeszcze bardziej, pochłaniając kilka wolnych od lodu obszarów schronienia midge. Kolejną tajemnicą jest to, jak gatunek był w stanie przetrwać przez długie, głębokie mrozy przez setki tysięcy lat.
„jakoś udało im się przetrwać na Antarktydzie przez te powtarzające się cykle zlodowacenia” – powiedział Teets. „Niektóre z tych danych genetycznych pomogą nam odpowiedzieć na niektóre z tych pytań, w jaki sposób znalazły się tam, gdzie są.”
chociaż muszki zdołały przetrwać na kontynencie bardzo mroźne czasy, przyszłość wygląda cieplej, a to może oznaczać kłopoty dla owadów.
„jednym z niewielu stresów, które nie radzą sobie dobrze, jest wysoka temperatura” – powiedział Gantz. „Przynajmniej z teoretycznego punktu widzenia zmiana klimatu nie będzie dobrą rzeczą, zwłaszcza jeśli, jak podejrzewamy, nie są zbyt dobrzy w rozpraszaniu, więc nie mają jasnego mechanizmu, aby przenieść się na południe, gdy sprawy rozgrzewają się dalej na północ.”
Plus, gdy Półwysep się ociepla, owady z cieplejszej północy mogą zacząć przedostawać się na terytorium Antarktyki i zacząć je wypychać.
„naszym pierwszym miejscem tej wycieczki był Półwysep Byers na wyspie Livingston. Znaleźliśmy tam inną midge, która wygląda jak Belgica, ale ma skrzydła u dorosłych ” – powiedział Hotaling. „Łatwo sobie wyobrazić, że jeśli niższe granice równoleżnikowe tego gatunku są ustalane przez niskie temperatury, które rosną, może on aktywnie rozproszyć się na południe i potencjalnie wyprzeć Belgica.”
niektóre z zaplanowanych przez zespół badań fizjologicznych muszek, które zebrali, mogą dać wgląd w to, jak dobrze Muszka Antarktyczna zareaguje na zmieniające się warunki klimatyczne. Jednak szczególnie trudno jest mieć pewność, co może się wydarzyć, gdy nadal istnieje wiele podstawowych pytań bez odpowiedzi na temat muszek antarktycznych.
„ledwo wiemy, gdzie są granice ich populacji, nie mamy nawet nic Bliskiego do oszacowania wielkości populacji, nie wiemy, czy rosną, czy maleją” – powiedział Gantz.
ze względu na oddalenie miejsca, w którym te muszki nazywają domem, może minąć lata, a nawet dekady, zanim naukowcy zaczną naprawdę radzić sobie z niektórymi z tych pytań. Debbie Harner, pedagog w Living Arts and Science Center w Lexington w stanie Kentucky, dołączyła do zespołu terenowego, aby podzielić się swoją pracą z publicznością i zainspirować następne pokolenie naukowców, którzy mogą podjąć się tego zadania.
„mam okazję podzielić się z małymi dziećmi tym, co robią” – powiedział Harner. „Będę zabierał program Antarktyki do społeczności, dzieląc się tym, co zrobiliśmy podczas tej podróży i ucząc dzieci o antarktycznych zwierzętach, takich jak muszka, i niektórych adaptacjach, które mają.”
w tej chwili setki larw zebranych przez zespół są podzielone między Laboratorium Teetsa w Kentucky i laboratorium Gantza w Arkansas, ponieważ zespół przygotowuje się do rozpoczęcia pracy genetycznej i fizjologicznej. Zespół planuje jeszcze dwa sezony pracy w terenie i zamierza wrócić do kilku swoich najlepszych miejsc, aby zebrać więcej próbek.
badania finansowane przez NSF w tej historii: Nicholas Teets, University of Kentucky, Award No.1850988.