Τα φυτοφάγα που περιφέρονται στην αφρικανική σαβάνα είναι τεράστια και τρώνε πολύ. Ωστόσο, κατά κάποιο τρόπο, όλοι καταφέρνουν να ζουν περίπου στον ίδιο τόπο, υποστηριζόμενοι από το ίδιο αραιά βλάστηση. Το 2013, οι οικολόγοι ήθελαν να μάθουν πώς λειτουργεί αυτό. Ωστόσο, επειδή ελέφαντες, ζέβρες, βουβάλια και impala περιφέρονται πολλά μίλια για να τρέφονται και δεν αγαπούν τους νευρικούς ανθρώπους που τους βλέπουν να τρώνε, ήταν σχεδόν αδύνατο να καταλάβουν τη διατροφή τους.
Οι ερευνητές έμειναν, όπως είναι τόσο συχνά, για να ελέγχουν το πόδι. Αλλά τα φυτά που αφομοιώθηκαν ήταν αδύνατο να ταυτιστούν μόνο με ανθρώπινα μάτια. Έτσι για αυτό το παζλ, γύρισαν σε μια σχετικά νέα γενετική τεχνική: DNA barcoding.
σχετικό περιεχόμενο
- Τι σημαίνει να είσαι είδος; Η γενετική αλλάζει την απάντηση
- Πώς οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα teeny κομμάτια του απομένοντος DNA για να λύσουν τα μυστήρια της άγριας πανίδας
Οι οικολόγοι πήραν δείγματα στο εργαστήριο και έβραζαν το DNA του φυτού, αναζητώντας ένα συγκεκριμένο γονίδιο γνωστό ως κυτοχρωμική οξειδάση Ι. Λόγω της θέσης του στα μιτοχόνδρια του κυττάρου, το γονίδιο, γνωστό ως COI για συντομία, έχει ποσοστό μετάλλαξης περίπου τρεις φορές σε σχέση με άλλες μορφές DNA. Αυτό σημαίνει ότι θα δείξει πιο ξεκάθαρα τις γενετικές διαφορές μεταξύ ακόμη και πολύ στενά συνδεδεμένων οργανισμών, καθιστώντας το ένα χρήσιμο τρόπο για να πειράξετε τα είδη σε ομάδες από πτηνά σε πεταλούδες, όπως η ετικέτα στο εσωτερικό του πουκάμισου σας ή ένα barcode για μπακάλικο.
Για αυτή τη έξυπνη μέθοδο, εύστοχα αναφερόμενη ως DNA barcoding, μπορούμε να ευχαριστήσουμε έναν γενετιστή που βρέθηκε βαρεμένος με τις «αγχωτικές» και χρονοβόρες μεθόδους της παραδοσιακής ταξινόμησης. Ο Paul Hebert, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Guelph στον Καναδά, θυμάται μια υγρή, συννεφιασμένη νύχτα που πέρασε ξοδεύοντας τα έντομα σε ένα φύλλο ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στη Νέα Γουινέα.
«Όταν τα ταξινόμησαμε μορφολογικά την επόμενη μέρα, συνειδητοποιήσαμε ότι υπήρχαν χιλιάδες είδη που είχαν έρθει», λέει ο Hebert. Πολλοί, όσο μπορούσε να πει, ποτέ δεν είχαν περιγραφεί από την επιστήμη. "Συνειδητοποίησα ότι μια νύχτα είχα συναντήσει αρκετά δείγματα για να με κρατήσει απασχολημένος για το υπόλοιπο της ζωής μου", λέει.
Ο Hebert συνεχίζει: «Ήταν εκείνη τη στιγμή που λίγο πολύ ... συνειδητοποίησα ότι η μορφολογική ταξονομία δεν θα μπορούσε να είναι ο τρόπος για να δηλώσει τη ζωή στον πλανήτη μας». Απεβίωσε τις συλλογές δειγμάτων του και προχώρησε σε άλλη έρευνα στην αρκτική εξελικτικά βιολογία - τους "χαμηλότερους οικοτόπους ποικιλομορφίας ειδών που θα μπορούσα να βρω", με τα λόγια του - αλλά το θέμα της μέτρησης της βιοποικιλότητας της Γης πάντα έμενε πίσω στο μυαλό του.
Η τεχνολογία συνέχισε να προωθείται στα μέσα της δεκαετίας του 1990, επιτρέποντας στους ερευνητές να απομονώσουν και να αναλύσουν μικρότερα και μικρότερα κομμάτια του DNA. Ο Hebert, ο οποίος εργαζόταν στην Αυστραλία ως επισκέπτης ερευνητής, αποφάσισε να αρχίσει να παίζει γύρω από την αλληλουχία του DNA από διαφορετικούς οργανισμούς και να αναζητά μια ενιαία αλληλουχία που θα μπορούσε εύκολα να απομονωθεί και να χρησιμοποιηθεί για να διακρίνει γρήγορα τα είδη. "Εγκαταστήθηκα σε αυτή την περιοχή μιτοχονδριακών γονιδίων ως αποτελεσματική σε πολλές περιπτώσεις", λέει. Αυτό ήταν COI.
Ο Hebert αποφάσισε να δοκιμάσει τη μέθοδο του στο δικό του κατώφλι, συλλέγοντας πολλά έντομα και barcoding τους. Βρήκε ότι μπορούσε να διακρίνει εύκολα τα σφάλματα. "Σκέφτηκα" Hey, αν λειτουργεί σε 200 είδη στο κατώφλι μου γιατί δεν θα λειτουργήσει στον πλανήτη; "
Και, με μερικές εξαιρέσεις, έχει.
Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές της μελέτης σαβάνας του 2013 κατάφεραν να συνδυάσουν τις ποικίλες δίαιτες αυτών των συνυπάρχοντων ζώων. "Θα μπορούσαμε να πούμε όλα τα ζώα έτρωγαν από το barcoding τους scats", λέει ο W. John Kress, επιμελητής βοτάνων στο Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας του Smithsonian, ο οποίος συνεργάστηκε στη μελέτη. Ενημέρωση των διαχειριστών άγριας ζωής και των επιστημόνων για το τι ακριβώς τρέφονται τα ζώα, τα αποτελέσματα αυτά "θα μπορούσαν να έχουν άμεσο αντίκτυπο στο σχεδιασμό νέων ζωνών διατήρησης για αυτά τα ζώα", λέει ο Kress.
Επίσης έδωσε στους οικολόγους μια μεγαλύτερη εικόνα για το πώς λειτουργεί το σύνολο του οικοσυστήματος. "Τώρα μπορείτε να δείτε πώς αυτά τα είδη συνυπάρχουν στην σαβάνα", λέει ο Kress. Σήμερα η ίδια η ιδέα για το τι κάνει ένα είδος αλλάζει, χάρη στο DNA barcoding και άλλες γενετικές τεχνικές.
Μπορεί να μην μοιάζει πολύ, πράσινο-σοφό. Αλλά με κάποιο τρόπο, η αφρικανική σαβάνα υποστηρίζει μια ποικιλία εικονικών φυτοφάγων. Το barcoding του DNA βοηθάει να δείξει πώς. (Cultura RM / Alamy) Από τις ημέρες του Δαρβίνου, οι ταξινομιστές έχουν αποκομίσει τα είδη με βάση αυτό που θα μπορούσαν να παρατηρήσουν. Δηλαδή αν μοιάζει με πάπια, περπατάει σαν πάπια και ακούγεται σαν πάπια - το ρίχνεις στο σωρό πάπιας. Η εμφάνιση της αλληλουχίας του DNA στη δεκαετία του 1980 άλλαξε το παιχνίδι. Τώρα, διαβάζοντας τον γενετικό κώδικα που κάνει τον οργανισμό αυτό που είναι, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να συλλέξουν νέες ιδέες για την εξελικτική ιστορία των ειδών. Ωστόσο, η σύγκριση των εκατομμυρίων ή των δισεκατομμυρίων ζευγών βάσεων που αποτελούν το γονιδίωμα μπορεί να είναι μια δαπανηρή και χρονοβόρα πρόταση.
Με ένα δείκτη όπως το Cytochrome c οξειδάση Ι, μπορείτε να εντοπίσετε αυτές τις διακρίσεις γρηγορότερα και πιο αποτελεσματικά. Η κωδικοποίηση γραμμωτού κώδικα μπορεί να σας πει σε λίγες ώρες - πόσο καιρό χρειάζεται να ακολουθήσετε έναν γραμμωτό κώδικα DNA σε ένα καλά εξοπλισμένο εργαστήριο μοριακής βιολογίας - ότι δύο είδη που μοιάζουν ακριβώς στην ίδια επιφάνεια είναι ουσιαστικά διαφορετικά σε γενετικό επίπεδο. Μόλις πέρυσι, οι επιστήμονες στη Χιλή χρησιμοποίησαν το DNA barcoding για να αναγνωρίσουν ένα νέο είδος μέλισσας που οι ερευνητές των εντόμων είχαν χάσει τα τελευταία 160 χρόνια.
Εργαζόμενοι με τον Hebert, εμπειρογνώμονες όπως ο επιμελητής ενδημολογίας του Εθνικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας John Burns έχουν καταφέρει να διακρίνουν πολλούς οργανισμούς που κάποτε θεωρούνταν το ίδιο είδος. Οι πρόοδοι στην τεχνική επιτρέπουν τώρα στους ερευνητές να μαρκάρονται δείγματα μουσείων από το 1800, λέει ο Μπερνς, ανοίγοντας τη δυνατότητα αναταξινόμησης ορισμών των ειδών που έχουν εγκατασταθεί σε μεγάλο βαθμό. Ένα χρόνο μετά που ο Hebert περιέγραψε τη γραμματοσειρά DNA, ο Μπερνς χρησιμοποίησε τον εαυτό του για να εντοπίσει μια τέτοια περίπτωση - ένα είδος πεταλούδας που αναγνωρίστηκε στις δεκαετίες του 1700 που αποδείχτηκε ότι αποτελούσε πραγματικά 10 ξεχωριστά είδη.
Ο ορισμός των ειδών με ασυνήθιστους όρους έχει επιπτώσεις εκτός του ακαδημαϊκού χώρου. Μπορεί να δώσει στους επιστήμονες και τους νομοθέτες μια καλύτερη αίσθηση του αριθμού των ειδών και της υγείας, κρίσιμες πληροφορίες για την προστασία τους, λέει ο Craig Hilton-Taylor, ο οποίος διαχειρίζεται τη Διεθνή Ένωση για τη Διατήρηση της Φύσης "Red List". Ενώ ο οργανισμός βασίζεται σε διαφορετικές ομάδες εμπειρογνωμόνων που μπορούν να εργαστούν από διαφορετικές οπτικές γωνίες για τον καλύτερο ορισμό ενός είδους, το DNA barcoding βοήθησε πολλές από αυτές τις ομάδες να διακρίνουν πιο συγκεκριμένα μεταξύ διαφορετικών ειδών.
«Ζητάμε να σκεφτούν όλα τα νέα γενετικά στοιχεία που έρχονται τώρα», λέει ο Hilton-Taylor για τις διαδικασίες της IUCN σήμερα.
Ενώ ήταν καινοτόμο, η αρχική τεχνική barcoding είχε περιορισμούς. Για παράδειγμα, δούλεψε μόνο σε ζώα και όχι σε φυτά, επειδή το γονίδιο COI δεν μεταλλάχθηκε αρκετά γρήγορα στα φυτά. Το 2007, ο Kress βοήθησε στην επέκταση της τεχνικής του Hebert, εντοπίζοντας άλλα γονίδια που μεταλλάσσονται ταχέως στα φυτά, επιτρέποντας τη διεξαγωγή μελετών όπως η σαβάνα.
Ο Kress υπενθυμίζει πως, από το 2008, ο ίδιος και ένας πρώην συνάδελφος του οικολόγου του Πανεπιστημίου του Κονέκτικατ Carlos García-Robledo χρησιμοποίησαν κώδικες barcode DNA για να συγκρίνουν τα διάφορα φυτά που τα διαφορετικά είδη εντόμων τράφηκαν στο τροπικό δάσος της Κόστα Ρίκα. Ήταν σε θέση να συλλέγουν έντομα, να τα αλέθουν και να ακολουθούν γρήγορα το DNA από τα έντερά τους για να καθορίσουν τι τρώγονταν.
Προηγουμένως, ο García-Robledo και άλλοι επιστήμονες θα έπρεπε να ακολουθούν έντομα τα έντομα και να τεκμηριώσουν τη δίαιτά τους. "Μπορεί να χρειαστούν χρόνια για έναν ερευνητή να κατανοήσει πλήρως τη δίαιτα μιας κοινότητας φυτοφάγων εντόμων σε τροπικό δάσος χωρίς τη βοήθεια DNA barcodes", ανέφερε ο Garcá-Robledo στο Smithsonian Insider σε μια συνέντευξη του 2013.
Από τότε ήταν σε θέση να επεκτείνουν αυτή την έρευνα εξετάζοντας τον τρόπο με τον οποίο ο αριθμός των ειδών και η διατροφή τους διαφέρουν σε διαφορετικά επίπεδα και πώς οι αυξανόμενες θερμοκρασίες από την αλλαγή του κλίματος θα μπορούσαν να επηρεάσουν αυτό καθώς τα είδη αναγκάζονται να κινούνται όλο και ψηλότερα. "Έχουμε αναπτύξει ένα ολόκληρο, πολύπλοκο δίκτυο για το πώς αλληλεπιδρούν τα έντομα και τα φυτά, κάτι που ήταν αδύνατο να γίνει πριν", λέει ο Kress.
"Ξαφνικά, με πολύ απλούστερο τρόπο, χρησιμοποιώντας το DNA, θα μπορούσαμε να παρακολουθήσουμε, να ποσοτικοποιήσουμε και να επαναλάβουμε αυτά τα πειράματα και να κατανοήσουμε αυτά τα πράγματα με πολύ πιο λεπτομερή τρόπο", προσθέτει. Ο Kress και άλλοι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα επίσης barcoding για να αναλύσουν δείγματα εδάφους για τις κοινότητες οργανισμών που τους κατοικούν, λέει. Η κωδικοποίηση γραμμωτού κώδικα έχει επίσης την υπόσχεση ότι βοηθά στον εντοπισμό υπολειμμάτων γενετικού υλικού που βρίσκεται στο περιβάλλον.
"Για τους οικολόγους, " λέει ο Kress, "το barcoding του DNA ανοίγει πραγματικά έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο εντοπισμού των πραγμάτων σε ενδιαιτήματα όπου δεν θα μπορούσαμε να τα εντοπίσουμε πριν".
Επιτρέποντας στους επιστήμονες να ελέγχουν λεπτομερώς ένα συγκεκριμένο γονίδιο αντί να χρειάζεται να ακολουθούν ολόκληρα γονιδιώματα και να τα συγκρίνουν, ο Hebert ελπίζει ότι η μέθοδος του θα επιτρέψει τη γενετική ανάλυση και ταυτοποίηση να εκτελούνται πολύ πιο γρήγορα και φθηνότερα από την πλήρη αλληλουχία. "Τα τελευταία 14 χρόνια έχουν δείξει ότι λειτουργεί πολύ πιο αποτελεσματικά και είναι πολύ πιο απλό στην εφαρμογή από ό, τι περίμενα", λέει τώρα.
Αλλά εξακολουθεί να βλέπει περιθώρια για πρόοδο. "Αντιμετωπίζουμε πραγματικά τα ανεπαρκή δεδομένα όσον αφορά την αφθονία και τη διανομή των ειδών", λέει ο Hebert τώρα για τους οικοσυστήματα. Η ταχύτερη βελτίωση της τεχνολογίας για την ταχύτερη ανάλυση των δειγμάτων DNA και με λιγότερα υλικά που απαιτούνται σε συνδυασμό με το DNA barcoding προσφέρει μια διέξοδο, λέει ο Hebert, με σύγχρονους σαρωτές που είναι ήδη σε θέση να διαβάζουν εκατοντάδες εκατομμύρια ζευγών βάσεων σε ώρες, σε σύγκριση με τις χιλιάδες ζευγών βάσεων να διαβαστούν ταυτόχρονα από παλαιότερη τεχνολογία.
Ο Hebert προβλέπει ένα μέλλον όπου το DNA συλλέγεται και αναλύεται αυτόματα από τους αισθητήρες σε όλο τον κόσμο, επιτρέποντας στους οικονομολόγους και στους ταξινομιστές να έχουν πρόσβαση σε τεράστιες ποσότητες δεδομένων για την υγεία και τη διανομή διαφόρων ειδών. Δουλεύει τώρα για να οργανώσει μια παγκόσμια βιβλιοθήκη DNA barcodes που οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να εντοπίσουν γρήγορα ένα άγνωστο δείγμα - κάτι σαν πραγματικό Pokedex.
"Πώς θα πρόβλεπε την αλλαγή του κλίματος εάν διαβάζετε τη θερμοκρασία σε ένα σημείο του πλανήτη ή μια μέρα το χρόνο;" Hebert επισημαίνει. "Αν θέλουμε να πάρουμε σοβαρά υπόψη τη διατήρηση της βιοποικιλότητας, πρέπει απλώς να αλλάξουμε τις απόψεις μας σχετικά με το ύψος της παρακολούθησης που θα απαιτηθεί".
