Zwierzęta roślinożerne wędrujące po afrykańskiej sawannie są ogromne i dużo jedzą. Jednak w jakiś sposób wszystkim udaje się żyć mniej więcej w tym samym miejscu, wspieranym przez to samo słabo wegetowane środowisko. W 2013 r. Ekolodzy chcieli dokładnie wiedzieć, jak to działa. Ponieważ jednak słonie, zebry, bawoły i impala przemierzają wiele kilometrów, aby się wyżywić, i nie lubią wścibskich ludzi obserwujących ich jedzenie, prawie niemożliwe było ustalenie ich diety.
Badaczom, jak to często bywa, pozostawiono kontrolę kupki. Ale trawionych roślin nie można było zidentyfikować jedynie ludzkimi oczami. W związku z tą zagadką zwrócili się do stosunkowo nowej techniki genetycznej: kodów kreskowych DNA.
powiązana zawartość
- Co to znaczy być gatunkiem? Genetyka zmienia odpowiedź
- Jak naukowcy wykorzystują małe fragmenty resztkowego DNA do rozwiązywania zagadek związanych z dziką przyrodą
Ekolodzy pobrali próbki do laboratorium i przeszukali DNA resztek roślinnych, szukając jednego konkretnego genu znanego jako oksydaza Cytochromu c I. Ze względu na lokalizację w mitochondriach komórkowych gen ten, zwany w skrócie COI, ma mniej więcej częstość mutacji trzy razy więcej niż w przypadku innych form DNA. Oznacza to, że wyraźniej pokaże różnice genetyczne między nawet bardzo blisko spokrewnionymi organizmami, dzięki czemu będzie to użyteczny sposób drażnienia osobników w grupach od ptaków do motyli - takich jak metka na wewnętrznej stronie koszuli lub kod kreskowy sklepu spożywczego.
Za tę genialną metodę, zwaną trafnie kodem kreskowym DNA, możemy podziękować jednemu genetykowi, który miał dość „stresujących” i czasochłonnych metod tradycyjnej taksonomii. Paul Hebert, biolog molekularny z University of Guelph w Kanadzie, wspomina pewną mokrą, pochmurną noc, którą spędził na zbieraniu owadów na prześcieradle jako doktorant w Nowej Gwinei.
„Kiedy następnego dnia posortowaliśmy je morfologicznie, zdaliśmy sobie sprawę, że pojawiły się tysiące gatunków”, mówi Hebert. Wielu, o ile mógł powiedzieć, nigdy nie zostało opisanych przez naukę. „Pewnej nocy zdałem sobie sprawę, że spotkałem wystarczającą liczbę okazów, aby zająć się mną przez resztę życia” - mówi.
Hebert kontynuuje: „W tym momencie prawie… zdałem sobie sprawę, że taksonomia morfologiczna nie może być sposobem na rejestrowanie życia na naszej planecie.” Rozdał swoje kolekcje okazów i przeszedł do innych badań w arktycznej biologii ewolucyjnej… „jego siedliska o najniższej różnorodności gatunkowej, jakie udało mi się znaleźć”, ale temat pomiaru różnorodności biologicznej Ziemi zawsze pozostawał w jego umyśle.
Technologia nadal rozwijała się w połowie lat 90., umożliwiając badaczom izolowanie i analizowanie coraz mniejszych fragmentów DNA. Hebert, który pracował w Australii jako badacz wizytujący, postanowił rozpocząć „zabawę” sekwencjonowaniem DNA różnych organizmów i poszukiwanie jednej sekwencji, którą można łatwo wyizolować i wykorzystać do szybkiego rozróżnienia gatunków. „Postawiłem na ten mitochondrialny region genowy jako skuteczny w wielu przypadkach”, mówi. To był COI.
Hebert postanowił przetestować swoją metodę na własnym podwórku, zbierając dziesiątki owadów i kodując je kodami kreskowymi. Odkrył, że z łatwością rozpoznaje błędy. „Pomyślałem:„ Hej, jeśli działa na 200 gatunkach na moim podwórku, dlaczego nie działa na naszej planecie? ”
I z pewnymi wyjątkami tak jest.
Korzystając z tej techniki, badacze w badaniu sawanny w 2013 r. Byli w stanie poskładać różne diety tych współistniejących zwierząt. „Mogliśmy powiedzieć wszystko, co jedzą zwierzęta, od kodu kreskowego swoich wycinków” - mówi W. John Kress, kurator botaniki w Narodowym Muzeum Historii Naturalnej Smithsoniana, który współpracował przy badaniu. Dzięki informowaniu zarządzających dziką przyrodą i naukowców o tym, jakie trawy karmi każde zwierzę, wyniki te „mogą mieć bezpośredni wpływ na projektowanie nowych obszarów ochrony tych zwierząt” - mówi Kress.
Dało to ekologom szerszy obraz tego, jak cały ekosystem działa razem. „Teraz możesz zobaczyć, jak te gatunki faktycznie współistnieją na sawannie” - mówi Kress. Dzisiaj zmienia się idea tego, co czyni gatunek, dzięki kodom kreskowym DNA i innym technikom genetycznym.
Może nie wyglądać dużo, jeśli chodzi o zieleń. Ale w jakiś sposób afrykańska sawanna obsługuje wiele kultowych roślinożerców. Kod kreskowy DNA pomaga pokazać, jak to zrobić. (Cultura RM / Alamy) Od czasów Darwina taksonomiści rozrzucali gatunki na podstawie tego, co mogli zaobserwować. To znaczy, jeśli wygląda jak kaczka, chodzi jak kaczka i brzmi jak kaczka - wrzuć ją na stos kaczki. Nadejście sekwencjonowania DNA w latach 80. zmieniło grę. Teraz, czytając kod genetyczny, który czyni organizm takim, jakim jest, naukowcy mogli uzyskać nowe informacje na temat historii ewolucji gatunków. Jednak porównanie milionów lub miliardów par zasad tworzących genom może być kosztowną i czasochłonną propozycją.
Za pomocą markera, takiego jak oksydaza I cytochromu c, możesz precyzyjniej i bardziej precyzyjnie wskazać te różnice. Kod kreskowy może powiedzieć w ciągu kilku godzin - tyle czasu zajmuje sekwencjonowanie kodu kreskowego DNA w dobrze wyposażonym laboratorium biologii molekularnej - że dwa gatunki, które wyglądają dokładnie tak samo na powierzchni, różnią się zasadniczo na poziomie genetycznym. W zeszłym roku naukowcy z Chile wykorzystali kod kreskowy DNA do zidentyfikowania nowego gatunku pszczoły, którego badacze owadów tęsknili przez ostatnie 160 lat.
We współpracy z Hebertem eksperci, tacy jak kustosz entomologii Narodowego Muzeum Historii Naturalnej, John Burns, byli w stanie wyróżnić wiele organizmów, które kiedyś uważano za ten sam gatunek. Postępy w tej technice pozwalają teraz badaczom na kodowanie okazów muzealnych z 1800 roku, mówi Burns, otwierając możliwość przeklasyfikowania długookresowych definicji gatunków. Rok po tym, jak Hebert nakreślił kod kreskowy DNA, Burns sam wykorzystał go do zidentyfikowania jednego takiego przypadku - gatunku motyla zidentyfikowanego w 1700 roku, który okazał się w rzeczywistości 10 osobnymi gatunkami.
Określenie definicji mrocznych gatunków ma konsekwencje poza środowiskiem akademickim. Craig Hilton-Taylor, zarządzający „czerwoną listą” Międzynarodowej Unii Ochrony Przyrody, może dać naukowcom i prawodawcom lepsze wyczucie liczby i zdrowia gatunków, kluczowych informacji dla ich ochrony. Chociaż organizacja opiera się na różnych grupach ekspertów, którzy mogą pracować z różnych perspektyw, jak najlepiej zdefiniować gatunek, kod kreskowy DNA pomógł wielu z tych grup precyzyjniej rozróżnić różne gatunki.
„Prosimy ich, aby pomyśleli o wszystkich nowych dowodach genetycznych, które nadchodzą teraz” - powiedział Hilton-Taylor o dzisiejszych procedurach IUCN.
Choć innowacyjna, oryginalna technika kodów kreskowych miała ograniczenia. Na przykład działał tylko na zwierzętach, a nie na roślinach, ponieważ gen COI nie mutował wystarczająco szybko w roślinach. W 2007 r. Kress pomógł rozwinąć technikę Heberta, identyfikując inne geny, które mutują podobnie szybko w roślinach, umożliwiając przeprowadzenie badań takich jak sawanna.
Kress wspomina, jak od 2008 r. Wraz z byłym kolegą, swoim ekologiem z Uniwersytetu Connecticut, Carlosem Garcíą-Robledo, używał kodów kreskowych DNA do porównywania różnych roślin, którymi żywiły się różne gatunki owadów w lasach tropikalnych Kostaryki. Byli w stanie zbierać owady, mielić je i szybko sekwencjonować DNA z jelit, aby ustalić, co jedzą.
Wcześniej García-Robledo i inni naukowcy musieliby nużąco śledzić owady i dokumentować ich dietę. „Naukowiec może w pełni zrozumieć dietę społeczności owadów roślinożernych w tropikalnym lesie deszczowym bez kodów kreskowych DNA” - powiedział Garcá-Robledo w wywiadzie dla Smithsonian Insider w wywiadzie z 2013 roku.
Od tego czasu byli w stanie rozszerzyć te badania, przyglądając się, jak liczba gatunków i ich dieta różnią się na różnych wysokościach oraz w jaki sposób rosnące temperatury wynikające ze zmian klimatu mogą mieć na to wpływ, gdy gatunki są zmuszane do przemieszczania się coraz wyżej. „Opracowaliśmy całą złożoną sieć interakcji między owadami i roślinami, co wcześniej było niemożliwe” - mówi Kress.
„Nagle, w znacznie prostszy sposób, korzystając z DNA, możemy faktycznie śledzić, oceniać ilościowo i powtarzać te eksperymenty oraz rozumieć te rzeczy w znacznie bardziej szczegółowy sposób” - dodaje. Mówi, że Kress i inni badacze używają teraz kodów kreskowych do analizy próbek gleby dla społeczności organizmów, które je zamieszkują. Barcoding ma również nadzieję, że pomoże zidentyfikować pozostałości materiału genetycznego znalezionego w środowisku.
„Dla ekologów” - mówi Kress - „kod kreskowy DNA naprawdę otwiera zupełnie inny sposób śledzenia rzeczy w siedliskach, w których nie mogliśmy ich wcześniej śledzić”.
Umożliwiając naukowcom analizę jednego konkretnego genu zamiast sekwencjonowania całych genomów i porównywania ich, Hebert miał nadzieję, że jego metoda pozwoli na przeprowadzenie analizy genetycznej i identyfikacji znacznie szybciej i taniej niż pełne sekwencjonowanie. „Ostatnie 14 lat pokazało, że działa o wiele bardziej skutecznie i jest znacznie łatwiejsze do wdrożenia, niż się spodziewałem” - mówi teraz.
Ale wciąż widzi miejsce na postęp. „Naprawdę zmagamy się z nieodpowiednimi danymi pod względem liczebności i rozmieszczenia gatunków” - mówi Hebert o działaczach ochrony przyrody. Szybko udoskonalana technologia szybszej analizy próbek DNA przy mniejszym wymaganym materiale w połączeniu z kodami kreskowymi DNA stanowi wyjście, jak twierdzi Hebert, dzięki nowoczesnym skanerom już w stanie odczytać setki milionów par zasad w ciągu godzin w porównaniu z tysiącami par zasad, które mogłyby czytać w tym samym czasie przez wcześniejsze technologie.
Hebert przewiduje przyszłość, w której DNA będzie zbierane i sekwencjonowane automatycznie z czujników na całym świecie, umożliwiając konserwatorom przyrody i taksonomistom dostęp do ogromnych ilości danych na temat zdrowia i rozmieszczenia różnych gatunków. Pracuje teraz nad zorganizowaniem ogólnoświatowej biblioteki kodów kreskowych DNA, które naukowcy mogą wykorzystać do szybkiej identyfikacji nieznanego okazu - coś w rodzaju prawdziwego Pokedexu.
„Jak przewidziałbyś zmiany klimatu, gdybyś odczytywał temperaturę w jednym punkcie planety lub jednego dnia w roku?” Podkreśla Hebert. „Jeśli chcemy poważnie zająć się ochroną różnorodności biologicznej, musimy całkowicie zmienić nasze poglądy na temat wymaganego monitorowania”.
