Giants

近距离观察一只扮演重要角色的小虫子

M在加尔文生命科学中心的实验室里,michael Pfrender面对着一块白板. 他正在讨论基因组学 水蚤 -水蚤, 在世界上每一个静止的水体中都能找到它,而且他说话的时候喜欢素描.

“你想看看其中的一些?他问道。. “这是有趣的部分,对吧?”

在实验室后面,显微镜旁边的桌子上放着两个烧杯. 乍一看没有什么可看的. 即使身体向前倾, 水蚤 它们是如此之小,看起来就像水中跳动的小斑点,疯狂地试图保持漂浮.

Pfrender将一根滴管浸入其中一个烧杯, 释放一滴水到载玻片上,然后把它放在显微镜下仔细观察.

她来了.

胖胖的,圆圆的, 无颈的头部和触角从两侧发芽, 她是半透明的——她的器官在她的身体薄如剃刀的轮廓内可见. 她碰巧也怀孕了,她的蛋同样可见,并且被包裹在小袋子里.

怀孕水蚤

Pfrender博士说,他是哈佛大学进化和生态基因组学副教授 生物科学系 导演 基因组学和生物信息学核心设施的基因组学研究 水蚤 二十多年了. 他与人合著了一篇具有里程碑意义的论文,记录了水蚤物种的第一个基因组序列——以及第二个, 新的和改进的基因组序列 水蚤pulex (D. pulex)于今年早些时候出版.

这些微小的水蚤在湖泊中扮演着重要的生态角色, 池塘和静水遍布世界各地. 150多年来,它们对化学信号的敏感性和适应各种环境的能力一直吸引着科学家.


以下是一些需要了解的事情 水蚤

他们有着悠久的科学研究历史, 可以追溯到17世纪, 当时他们被称为“水团”.“这是一个令人兴奋的发现. 在显微镜, 淡水生物学家甚至不知道这些生物存在于他们研究的湖泊中.

一旦他们看了一眼,就被迷住了.

“人们花了很多时间描述他们的解剖结构,试图弄清楚他们在做什么,普福德说. “他们开始把它们放在实验室里问问题.”

“无论它们身处什么环境,它们似乎都能适应并坚持下去.”

水蚤 以藻类和浮游植物为食, 在防止过度生长方面发挥着至关重要的作用,比如2014年大规模的藻类繁殖污染了托莱多的饮用水, 俄亥俄州——这可能会使水有毒.

它们是雌性——它们是克隆体. 在理想条件下, 水蚤 无性繁殖并且总是生出女儿. 整个过程只需要12天. 在应变条件下, 食物来源有限或温度急剧变化, 它们会制造出Pfrender所说的“功能性雄性”——与母亲相同以继续繁殖.

它们是任何静止水体的主要食草动物,也是食物链中下一级鱼类的主要饲料. 没有它们,除了藻类过度生长的可能性之外,小鱼就没有食物了.

食物链图1:渔夫在船上,水里有许多水蚤和鱼. 食物链图2, 船上的渔夫,水里的水蚤和鱼明显少得多.

“它们位于湖泊营养食物网的中间, 它们是这些系统生态动态的主要驱动力,Pfrender说.

它们是水中的金丝雀——对环境非常敏感,环境保护署把它们作为淡水中急性毒性的指标.

“无论它们身处什么环境,它们似乎都能适应并坚持下去,”普福德说.

科学家们首先注意到 水蚤在20世纪初的1907年左右,科学家发现了人类独特的表型可塑性——根据环境改变身体.

在没有捕食者的环境中, 水蚤 看起来就像Pfrender实验室烧杯里的那些. 圆圆的,胖胖的,在水里上下摆动.

在掠食性环境中, 它们发展出防御结构——尖尖的头盔和底部的长矛——使它们更难被吃掉. 有些体型较小,颜色较浅,不易被捕食者发现.

指出头盔

细长的矛

没有尖盔,拿着小矛的水蚤. 戴着长长的尖盔和长矛的水蚤.

他们知道什么时候该行动. 鱼类知道它们的猎物必须靠近藻类才能吃草,并在白天瞄准这些区域. 水蚤 我也知道, 并且会在白天移动到湖泊或池塘的底部, 在夜间上升以躲避捕食者,这种行为被称为diel垂直迁移.

这些微小的水蚤有一种非凡的能力,可以在独特的、截然不同的环境中生存, 比如马尼托巴省丘吉尔湾的高盐岩池塘. 生活在澳大利亚沙漠池塘中的种群对暴露在大量紫外线下产生了抵抗力. 与半透明的近亲不同,它们是黑色的.

有一些物种生活在充满蓝藻的有毒水域,甚至生活在北极的冰池塘里.  

尽管它们有独特的适应能力, 一些物种因环境变化而被迫灭绝——这正是Pfrender试图了解这些微小物种基因组基础结构的核心所在, 不游泳, 一旦你了解他们,他们真的很可爱吗.

为什么有些物种能在特定的环境中生存而另一些却不能?


基因组是每一个生物体的操作手册.

研究人员开始研究的基因组成 水蚤 当各种基因技术在20世纪70年代和80年代首次出现时. 这是一个劳动密集型和昂贵的过程.

在90年代末, 被解码人类基因组的欲望驱使着, 基因组中心成为生成完整序列的海量数据的唯一途径. 通过这些中心, 科学家可以对模式物种的整个基因组进行测序, 比较人群的遗传变异,寻找哪些功能触发了特定的基因.

Pfrender是五位希望对a基因进行测序的科学家之一 水蚤 基因组. 该小组包括来自印第安纳大学的研究人员, 俄勒冈大学, 新罕布什尔大学和加州大学戴维斯分校. 那是2003年.

迈克尔·普福德拿着表面堆芯管.
迈克尔Pfrender

他们求助于联合基因组研究所(JGI).

“联合基因组研究所是最早的人类基因组中心之一, 人类基因组完成后,它们开始寻找自己的位置,普福德说. “他们确实在重要生物体基因组学方面走在了前列,这是其他人做不到的.”

重点是进化发展和物种多样化. 研究人员正在对农业上与人类健康和疾病有关的重要昆虫和病媒进行测序, 像蜜蜂一样, 果蝇和蚊子.

“完全缺失的是环境科学的理想生态模型,”Pfrender说. “我们认为这是我们的利基市场.”

该小组强调了…的重要性 水蚤 它的生态系统,并指出了大量关于水蚤的生态文献——可能比任何其他水生生物都要大,更详细.

pitch是坚实的. 短暂的停顿后,研究所所长问:“我们什么时候开始??”


第一个 水蚤 基因组序列于2006年完成. 研究小组选择了俄勒冈州的一个种群,因为它的变异率很低. 他们称之为天选之子(TCO). 研究结果发表在2011年的《365wm完美体育官网登录》杂志上.

普福德不打算在这里停下来. 六年后,他发表了一个新的和改进的序列 D. pulex, 生活在中西部的一群人, 并提供了高分辨率和更详细的高密度基因图谱.

这些微小的水蚤在湖泊中扮演着重要的生态角色, 池塘和静水遍布世界各地.

“当你对基因组进行测序时, 你所拥有的是许多短的序列片段,就像一个大的拼图游戏,你试图把它们拼在一起,Pfrender说. “你想要从这些小片段中得到最大的DNA片段. 它们有多长,间隔有多均匀——这些都起作用了. 用这个(第二个)序列, 365wm完美体育官网登录的基因组学和生物信息学核心能够采用包括长合成序列在内的新技术, 这样我们就能把更长的片段连接起来了.”

“基因组学核心为这次组装提供了大量数据,”Pfrender说. “现在我们对这个基因组的连续信息比上一个基因组的信息要长得多. 我们还能够将它们与染色体连接起来,这样我们就知道每条染色体上的拼图碎片位于哪里. 这为我们提供了基因组结构的路线图.”

回到实验室,Pfrender将滴管浸入另一个烧杯中.

这些 水蚤 一直生活在一种细菌开始生长的水中,他解释说. 作为回应,它们开始产生血红蛋白. 他把其中一只水蚤放到显微镜下.

一只红色的水蚤.

虽然她的基因和其他人一样, 形状和大小都一样, 她体内的血红蛋白使她的身体呈鲜红色.

Pfrender希望将他最新的水蚤基因图谱用于更好的用途,以确定如何 水蚤 适应环境并理解这些过程是人类健康的基础.

“环境中使用的人造化学品超过10万种. 我们知道的毒性不到5%, 我们对暴露于这些化合物的复杂混合物的影响几乎一无所知,Pfrender说. “我们自己接触这些化学物质可能会产生非常微妙的影响,这些影响只会在几年后显现出来. 如果我们能揭示基因组的基础,并理解生物体的反应,比如 水蚤 多重压力源, 我们可以走向一种由数据提供信息的预测科学,这可能会影响全世界的人类健康. 这是21世纪面临的巨大挑战.”