Тревопасните, които обикалят по африканските савани, са масови и ядат много. И все пак по някакъв начин, всички те успяват да живеят на почти едно и също място, подкрепено от една и съща рядко растителна среда. През 2013 г. еколозите искаха да знаят как точно става това. Въпреки това, тъй като слонове, зебра, биволи и импала преплуват много километри, за да се хранят и не са любители на носещи хора, които ги наблюдават как се хранят, беше почти невъзможно да се разбере диетата им.
Изследователите бяха оставени, както често се случват, да прегледат поп. Но усвоените растения бяха невъзможни да бъдат идентифицирани само от човешки очи. Затова за този пъзел се обърнаха към това, което беше сравнително нова генетична техника: баркодиране на ДНК.
Свързано съдържание
- Какво означава да си вид? Генетиката променя отговора
- Как учените използват юношеските парченца от остатъчната ДНК, за да разрешават мистерии от дивата природа
Еколозите взеха проби в лабораторията и разгледаха ДНК на растителните останки, търсейки един специфичен ген, известен като Cytochrome c оксидаза I. Поради местоположението си в клеточните митохондрии, генът, известен като COI за кратко, има степен на мутация приблизително три пъти повече от другите форми на ДНК. Това означава, че по-ясно ще покаже генетичните разлики между дори много тясно свързани организми, което ще направи полезен начин да се разкъсват отделни видове в групи от птици до пеперуди - като етикета от вътрешната страна на ризата ви или баркода за хранителни стоки.
За този гениален метод, наречен подходящо като ДНК баркодиране, можем да благодарим на един генетик, който се оказа изморен от „стресовите“ и отнемащи време методи на традиционната таксономия. Пол Хеберт, молекулярен биолог от Университета на Гвелф в Канада, си спомня една мокра, облачна нощ, която той прекарал, събирайки насекоми в чаршаф, като докторантура в Нова Гвинея.
„Когато ги сортирахме морфологично на следващия ден, разбрахме, че има хиляди видове, които са дошли“, казва Хебърт. Мнозина, доколкото можеше да каже, никога не са били описвани от науката. „Осъзнах, че една нощ срещнах достатъчно екземпляри, които да ме занимават до края на живота ми“, казва той.
Хеберт продължава: „В този момент аз почти… разбрах, че морфологичната таксономия не може да бъде начинът за регистриране на живота на нашата планета.“ Той раздаде своите колекции от образци и преминах към други изследвания в арктическата еволюционно биология - По думите му „местообитанията с най-ниско видово разнообразие, които бих могъл да намеря“, но темата за измерването на биоразнообразието на Земята винаги се задържаше в гърба на ума му.
Технологията продължава да напредва в средата на 90-те, което позволява на изследователите да изолират и анализират все по-малки и по-малки бита ДНК. Хейбърт, който работеше в Австралия като гостуващ изследовател, реши да започне да „разиграва“ последователността на ДНК на различни организми и да търси една единствена последователност, която може да бъде лесно изолирана и използвана за бързо разграничаване на видовете. „Разбрах се за този един митохондриален генен регион като ефективен в много случаи“, казва той. Това беше COI.
Хебърт реши да изпробва метода си в собствения си двор, като събере десетки насекоми и ги баркодира. Той откри, че може лесно да различи бъговете. „Помислих си„ Хей, ако работи на 200 вида в задния ми двор, защо няма да работи на планетата? “
И с някои изключения има.
Използвайки тази техника, изследователите в проучването на савана през 2013 г. успяха да съчетаят разнообразните диети на тези съжителстващи животни. "Бихме могли да кажем всичко, което животните ядат от баркодирането на скатовете си", казва У. Джон Крес, уредник по ботаника в Националния природонаучен музей на Смитсониън, който сътрудничи на изследването. Чрез информиране на мениджърите на дивата природа и учените с какво точно се храни всяко животно, тези резултати „биха могли да имат пряко въздействие върху проектирането на нови природозащитни зони за тези животни“, казва Крес.
Освен това даде на еколозите по-широка картина как работи цялата екосистема. „Сега можете да видите как тези видове всъщност съществуват в саваната“, казва Крес. Днес самата идея за това, което прави един вид, се променя благодарение на баркодирането на ДНК и други генетични техники.
Може да не изглежда много, зеленичко. Но по някакъв начин африканската савана поддържа различни емблематични тревопасни. ДНК баркодирането помага да се покаже как. (Cultura RM / Alamy) От дните на Дарвин таксономистите отсяват видове въз основа на това, което биха могли да наблюдават. Т.е., ако изглежда като патица, ходи като патица и звучи като патица - хвърлете я в купчината патица. Появата на секвениране на ДНК през 80-те промени играта. Сега, като прочетат генетичния код, който прави един организъм такъв, какъвто е, учените могат да извлекат нови познания за еволюционната история на видовете. Въпреки това, сравнението на милиони или милиарди базови двойки, съставляващи генома, може да бъде скъпо и отнемащо време предложение.
С маркер като Cytochrome c оксидаза I можете да определите тези разграничения по-бързо и по-ефективно. Баркодирането може да ви каже след няколко часа - а това е колко време отнема последователността на ДНК баркод в добре оборудвана лаборатория за молекулярна биология - че два вида, които изглеждат абсолютно еднакви на повърхността, са съществено различни на генетично ниво. Само миналата година учените в Чили използваха ДНК баркодиране, за да идентифицират нов вид пчела, който изследователите на насекоми са пропуснали през последните 160 години.
Работейки с Хебърт, експерти като куратора на ентомологията на Националния природонаучен музей Джон Бърнс успяха да разграничат много организми, които някога се смятаха за един и същи вид. Напредъкът в техниката сега позволява на изследователите да представят екземпляри от музеи с баркод от 1800-те години, казва Бърнс, отваряйки възможността за прекласифициране на дълго заселили се дефиниции на видове. Година след като Хебърт очерта ДНК баркодирането, Бърнс сам го използва, за да идентифицира един такъв случай - вид пеперуда, идентифициран през 1700 г., който всъщност се оказва 10 отделни вида.
Определянето на мътните видове определения има последствия извън академичните среди. Това може да даде на учените и законодателите по-добър усет за броя и здравето на видовете, решаваща информация за защитата им, казва Крейг Хилтън-Тейлър, който ръководи Международния съюз за опазване на природата „Червения списък“. Докато организацията разчита на различни групи експерти, които могат да работят от различни гледни точки за това как най-добре да дефинират вид, ДНК баркодирането помогна на много от тези групи по-точно да разграничат различните видове.
„Молим ги да помислят за всички нови генетични доказателства, които предстоят сега“, казва Хилтън-Тейлър за процедурите на IUCN днес.
Макар иновативна, оригиналната техника за баркодиране имаше ограничения. Например, той работи само върху животни, а не върху растения, тъй като гена на COI не мутира достатъчно бързо в растенията. През 2007 г. Крес помогна за разширяването на техниката на Хебърт, като идентифицира други гени, които мутират по подобен начин бързо в растенията, позволявайки провеждането на изследвания като саваната.
Крес припомня как от 2008 г. той и бивш негов негов колега екологът от Университета на Кънектикът Карлос Гарсия-Робледо са използвали ДНК баркодиране, за да сравняват различните растения, с които различни видове насекоми се хранят в Костариканската тропическа гора. Те успяха да съберат насекоми, да ги смилат и бързо да секвенират ДНК от червата си, за да определят какво ядат.
Преди това Гарсия-Робледо и други учени би трябвало да досаждат досадно насекомите наоколо и да документират диетите си. „Може да отнеме години, за да може един изследовател да разбере изцяло диетата на общност от тревопасни насекоми в тропическа дъждовна гора без помощта на ДНК-баркодове“, казва Гарка-Робледо пред Smithsonian Insider в интервю от 2013 г.
Оттогава те са в състояние да разширят това изследване, като гледат как се различават броят на видовете и техните хранителни режими при различни височини и как повишаването на температурите от климатичните промени може да повлияе на това, тъй като видовете са принудени да се движат все по-високо и по-високо. "Разработихме цяла, сложна мрежа за взаимодействието на насекомите и растенията, което беше невъзможно да се направи преди", казва Крес.
"Изведнъж, по много по-прост начин, използвайки ДНК, всъщност бихме могли да проследим, количествено и повторим тези експерименти и да разберем тези неща по много по-подробен начин", добавя той. Крес и други изследователи също сега използват баркодиране, за да анализират почвени проби за общностите на организмите, които ги обитават, казва той. Баркодирането също обещава да помогне за идентифицирането на останки от генетичен материал, открит в околната среда.
"За еколозите", казва Крес, "ДНК баркодирането наистина отваря съвсем различен начин за проследяване на нещата в местообитания, където не бихме могли да ги проследим преди."
Като позволи на учените да изследват един конкретен ген, вместо да се налага да секвенират цели геноми и да ги сравняват, Хейбърт се надяваше неговият метод да позволи генетичния анализ и идентификация да се извърши много по-бързо и евтино от пълното секвениране. „Изминалите 14 години показаха, че работи много по-ефективно и е много по-лесно да се приложи, отколкото предполагах“, казва той сега.
Но все още вижда място за прогрес. "Ние наистина се борим с недостатъчни данни по отношение на изобилието и разпространението на видовете", казва Хеберт от природозащитниците. Бързото усъвършенстване на технологията за по-бърз анализ на ДНК проби и с по-малко необходим материал в съчетание с ДНК баркодиране предлага изход, казва Хърбърт, като съвременните скенери вече могат да четат стотици милиони базови двойки за часове, в сравнение с хилядите базови двойки, които биха могли да да се чете по същото време от по-ранна технология.
Хебърт предвижда бъдеще, в което ДНК се събира и секвенира автоматично от сензори по целия свят, което позволява на природозащитниците и таксономистите да имат достъп до огромно количество данни за здравето и разпространението на различни видове. Сега той работи за организиране на световна библиотека с баркодове на ДНК, които учените могат да използват за бързо идентифициране на неизвестен образец - нещо като Pokedex в реалния живот.
„Как бихте предвидили промените в климата, ако четете температура в една точка на планетата или един ден в годината?“, Посочва Хебърт. „Ако ще се заемем сериозно с опазването на биоразнообразието, просто трябва изцяло да изместим възгледите си относно количеството мониторинг, което ще бъде необходимо.“
