 Fotokredit: Mike Lucibella |
(vänster till höger) Jacob Idec, Scott Hotaling och JD Gantz söker efter midge larver i moss ovanpå en stenig kulle på en ö nära Palmer Station. |
vad generna i Antarktis tuffa lilla Midge kan berätta för oss
forskare tar en närmare titt på Antarktis största landdjur.
det är en liten insekt som kallas Antarktis midge, och de växer inte mycket större än en nagel. Det finns många ihållande frågor om dessa critters, och forskare hoppas att en bred studie av deras lilla Genom kan börja avslöja några svar.
under februari och Mars seglade ett team av forskare på forskningsfartyget Laurence M. Gould längs Antarktis Halvöskust och genomförde den bredaste studien av Antarktis midge än.
”vi kunde samla midges som bor på olika platser och upplever olika miljöer”, säger Nicholas Teets från University of Kentucky och huvudutredare på projektet. ”Vi ska titta på deras underliggande genetiska smink för att se hur deras genetiska smink skiljer sig över dessa olika delar av Antarktis.”
genom att jämföra deras genetiska kartor hoppas de lära sig mer om hur dessa insekter har bestått på den hårdaste kontinenten i miljontals år och vad framtiden kan hålla för dem.
”vi är intresserade av hur dessa populationer måste vara där de är i hela Antarktis historia”, säger Teets.
projektet stöds av National Science Foundation, som förvaltar det amerikanska Antarktisprogrammet.
inga myror i Antarktis
även om insekter är allestädes närvarande runt om i världen, är de något av en avvikelse i Antarktis.
”insekter är otroligt sällsynta i Antarktis. Det har funnits en miljon insektsarter på planeten jorden och bara tre insekter kan hittas i Antarktis, så det är en riktigt svår plats för insekter att leva”, säger Teets. ”Vi är intresserade av hur de kan göra det, vilka är de speciella unika anpassningarna de har som gör att de kan hantera dessa extrema Antarktiska miljöer.”
av dessa tre arter är endast Belgica Antarktis, mer allmänt känd som Antarktis midge, verkligen en infödd i den frusna kontinenten. De är ganska hårda critters, och måste vara för att leva och trivas på den hårdaste kontinenten.
”de är vad vi anser vara en Poly-extremofil, vilket innebär att de är mycket toleranta mot många olika typer av stress”, säger Teets.
de lever och trivs i extremt kalla och torra förhållanden, miljöer som de flesta levande saker skulle finna rent dödliga.
”Antarktis midge sätter en gräns på många av dessa saker”, säger Scott Hotaling, en postdoktoral forskare vid Washington State University. ”Det är den sydligaste levande insekten i världen. Det är en av de mest kalltoleranta. Det är en av de mest torkningstoleranta. Den har det minsta genomet, och det är den enda insekten som är endemisk mot Antarktis.”
forskarna arbetar själva för att förstå gränserna för vilken typ av extrema förhållanden midges kan tolerera, och hur det går till att göra det.
”vårt arbete har börjat som grundläggande fysiologiska toleranser; hur överlever de här och vad kan de tolerera”, säger jd Gantz, en fysiolog vid Hendrix College. ”har utvecklats till att ställa frågor om hur väl denna insekt sprids, hur bra kan den komma från en plats till en annan och hur det påverkar genflödet bland populationer och också hur det matchar fysiologiska toleranser i detta djur från befolkning till befolkning.”
dessa insekter har utvecklat sätt att på något sätt hantera Antarktis subzero temperaturer. Ett av förhoppningarna är att genom att lära sig hur dessa midger har anpassat sig till att frysa fast i mer än hälften av året, kan forskare överföra några av dessa tekniker för andra ändamål.
”mitt labb är också intresserad av kryokonservering, eller förmågan att lagra saker i kylan under lång tid”, säger Teets. ”En del av vårt mål att studera anpassningar i arter som Antarktis midge, som redan är riktigt bra på att frysa, är att se om någon av den informationen kan tillämpas för att hjälpa till att frysa andra saker, och kanske ännu längre in i framtiden, insikter från arter som midge kan användas för att förbättra kryokonservering av mänskliga vävnader och organ.”
Kylskåp av Midges
för att studera Antarktis midge måste laget först gå ut och hitta några. Fältteamet seglade på forskningsfartyget Laurence M. Gould längs Antarktis Halvökust och stannade vid mer än 20 platser längs vägen för att samla in och lagra levande prover.
”den här säsongen var främst inriktad på att få proverna för befolkningsgenetiken”, säger Teets. ”var på skeppet och de hade tillgång till alla dessa olika insamlingsplatser som vi aldrig varit på tidigare.”
på varje fältplats skulle laget ta en liten båt till stranden och fläkta ut och leta efter berättande tufts av växt-eller algtillväxt som vanligtvis innebar att midges skulle hittas nedan. Midge larverna är själva mindre än ett riskorn, men samlas ofta i klumpar. Gingerly, med pincett eller en sugsugare, började de samla flera dussin midge larver från varje plats.
”det är särskilt användbart att få så många eftersom vi inte kan föda upp dem i labbet för närvarande”, säger Jacob Idec, en doktorand vid Hendrix College. ”Där vi får dem i huvudsak samlar in.”
efter att ha samlat vad de behövde från en lokal, skulle de leta efter en annan mikromiljö, vanligtvis någonstans högre upp, längre bort från stranden eller i allmänhet torrare.
”vi fick en hel del platser och en hel del knott,” Idec sa. ”Vi har haft många bra dagar och vi har kunnat samla många midges på många olika ställen, vilket har varit spännande och i princip borde göra genetiken som kommer ut ur detta mer värdefull, med fler platser och fler platser.”
genom att jämföra midges över olika miljöer och olika platser längs halvön hoppas laget att se vilka typer av genetiska skillnader som finns mellan populationer och få en inblick i hur de anpassade sig till sin speciella nisch på kontinenten.
”vi samlar in riktigt finskaliga genomiska data från många individer från varje population så att vi får ett bra perspektiv på total genetisk mångfald inom befolkningen och vi kommer att kunna ta dessa data och jämföra den bland populationer”, säger Hotaling. ”Finns det ett mönster av i princip ju längre ifrån varandra du är, desto mer genetiskt distinkt är du? Eller, eftersom vi provtagning saker som en högre höjd kulle kontra en liten dal, eller en plats där det finns en hel del pingvin guano kontra inte, gör genetisk differentiering struktur efter habitat typ? Så dessa två traditionellt i den genetiska litteraturen kallas isolering efter avstånd, du är längre ifrån varandra så du är mer annorlunda, kontra isolering efter miljö, där det inte är Avstånd, det är hur lik din miljö är.”
denna fråga om vilka populationer som mest liknar varandra är av särskilt intresse för att även om midges är skickliga på det, är blomstrande i Antarktis inte en särskilt glamourös livsstil. De tillbringar den stora majoriteten av sina tvååriga liv som knappt mobila larver. Liknar små mörka maskar, de kryper runt strax under ytan, vanligtvis i fläckar av mossa eller markalger eller till och med pingvin guano. Under ungefär åtta månader av året är larverna faktiskt frusna, bara tina ut för att mata under de varmaste sommarmånaderna.
”de tillbringar bara cirka tio till 14 dagar som vuxna,” Teets sa. ”När de är vuxna är de vinglösa. De har inte heller några funktionella mundelar som vuxen, de äter eller dricker ingenting, de kryper bara runt, letar efter en kompis, kvinnorna lägger sina ägg och sedan dör de.”
denna i stort sett jordlevande livscykel, i kombination med deras vinglöshet, presenterar ett pussel för forskare som försöker ta reda på hur de har kunnat sprida sig så mycket längs Antarktis halvö.
”det finns ingen tydlig mekanism för att denna insekt ska röra sig, för att sprida sig från plats till plats”, sa Gantz. ”De vuxna är spridningsfasen de lever bara några dagar. De är vinglösa, de rider inte på luftströmmar, åtminstone borde jag säga att vi aldrig har sett dem rida på luftströmmar, och vi har letat efter det. De flyter inte särskilt bra. Vi är bara inte riktigt säkra på hur den här insekten skulle komma från ö till Ö.”
även om laget inte förväntar sig att lösa alla dessa mysterier med sina genetiska data ensam, genom att veta vilka populationer som är mest lika kan de börja få en uppfattning om hur mobila midgesna som en art är. Det finns andra långvariga frågor om dem som laget hoppas få lite inblick i.
tuffa buggar
midges närmaste släkting kommer från Patagonia-regionen i Sydamerika, som Antarktis bröt bort från cirka 30 till 40 miljoner år sedan med öppnandet av Drake Passage. Under den tiden har världen genomgått ett antal istider; epoker där de antarktiska iskapslarna växte ännu större och uppslukade midgens få isfria tillflyktsområden. Hur arten kunde överleva genom förlängda djupfrysningar i hundratusentals år är ett annat mysterium.
”de har på något sätt kunnat fortsätta i Antarktis under dessa upprepade glaciationscykler”, säger Teets. ”Några av dessa genetiska data hjälper oss att svara på några av dessa frågor om hur de måste vara där de är.”
även om midgerna har lyckats överleva några intensivt Fria Tider på kontinenten, ser framtiden varmare ut, och det kan stava problem för insekterna.
” en av de mycket få betonar att de inte hanterar bra är hög temperatur,” sade Gantz. ”Åtminstone ur teoretisk synvinkel kommer klimatförändringarna inte att vara bra, särskilt om de, som vi misstänker, inte är så bra på att sprida sig, så de har ingen tydlig mekanism för att flytta söderut när sakerna värms upp längre norrut.”
Plus, som halvön värmer, kunde insekter från det varmare norr börja ta sig in i Antarktis midges territorium och börja skjuta ut dem.
”vår första plats för denna resa var Byers Peninsula på Livingston Island. Vi hittade en annan midge där som ser mycket ut som Belgica, men har vingar på de vuxna,” sa Hotaling. ”Det är ganska lätt att föreställa sig att om den artens lägre latitudgränser sätts av låga temperaturer, som stiger, kan den aktivt sprida sig söderut och potentiellt förskjuta Belgica.”
några av de fysiologiska studier som laget har planerat för de midges de samlade kan ge insikt i hur väl Antarktis midge kommer att reagera på förändrade klimatförhållanden. Det är dock särskilt svårt att veta säkert vad som sannolikt kommer att hända när det fortfarande finns många grundläggande obesvarade frågor om Antarktiska midges.
”vi vet knappt var gränserna för deras befolkning är, vi har inte ens något nära en befolkningsstorleksuppskattning, vi vet inte om de ökar eller om de minskar”, sa Gantz.
på grund av avlägsenheten av var dessa midges kallar hem, kan det vara år eller till och med årtionden innan forskare kan börja få ett riktigt handtag på några av dessa frågor. Debbie Harner, en utbildare vid Living Arts and Science Center i Lexington, Kentucky, gick med i fältteamet för att hjälpa till att dela sitt arbete med allmänheten och inspirera nästa generation forskare som kan ta upp den avgiften.
”jag har möjlighet att dela med unga barn vad de gör,” Harner sa. ”Jag ska ta ett Antarktisprogram ut till samhället, dela vad vi har gjort på denna resa och lära barn om Antarktis djur som midge och några av de anpassningar som de har.”
just nu delas de hundratals larver som teamet samlade mellan Teets lab i Kentucky och Gantz lab i Arkansas, när laget förbereder sig för att starta sitt genetiska och fysiologiska arbete. Teamet har ytterligare två säsonger av fältarbete planerat och avser att återvända till flera av sina bästa platser för att samla in fler prover.
NSF-finansierad forskning i denna berättelse: Nicholas Teets, University of Kentucky, pris nr 1850988.