Zeliščarji, ki pohajajo po afriški savani, so množični in jedo veliko. Pa vendar nekako nekako živijo na približno istem mestu, podprtega z istim redko vegetativnim okoljem. Leta 2013 so ekologi želeli natančno vedeti, kako to deluje. Ker pa sloni, zebra, bivoli in ipalke pretečejo veliko kilometrov, da bi se prehranili in jim ni všeč nošen človek, ki jih gleda, kako jedo, je bilo skoraj nemogoče ugotoviti, kakšna je njihova prehrana.
Raziskovalci so se, tako kot pogosto, prepuščali pregledu popa. Toda prebavljenih rastlin ni bilo mogoče določiti samo s človeškimi očmi. Tako so se za to uganko obrnili na tisto, kar je relativno nova genetska tehnika: barkodiranje DNA.
Sorodne vsebine
- Kaj pomeni biti vrsta? Genetika spreminja odgovor
- Kako znanstveniki uporabljajo najstniške koščke ostanka DNK za reševanje skrivnosti prostoživečih živali
Ekologi so v laboratorij odvzeli vzorce in pregledali DNK rastlinskih ostankov ter iskali en specifičen gen, znan kot citokrom c oksidaza I. Zaradi njegove lokacije v mitohondriji celice ima gen, ki je na kratko znan kot COI, približno mutacijo trikrat več kot pri drugih oblikah DNK. To pomeni, da bo bolj nazorno pokazal genetske razlike med celo zelo sorodnimi organizmi, kar bo koristen način za raztrganje vrst v skupinah od ptic do metuljev - kot oznaka na notranji strani vaše srajce ali škatlarska trgovina s črtno kodo.
Za to genialno metodo, ki jo imenujemo barkodiranje DNK, se lahko zahvalimo enemu genetiku, ki se je naveličal s "stresnimi" in zamudnimi metodami tradicionalne taksonomije. Paul Hebert, molekularni biolog z univerze v Guelphu v Kanadi, se spominja ene mokre, motne noči, ki jo je preživel z zbiranjem žuželk v rjuhi kot podoktorski raziskovalec v Novi Gvineji.
"Ko smo jih naslednji dan morfološko razvrstili, smo ugotovili, da je prišlo na tisoče vrst, " pravi Hebert. Številnih, kolikor je mogel povedati, znanost ni nikoli opisala. "Spoznal sem, da sem tisto noč naletel na dovolj osebkov, da me zaposlijo do konca življenja, " pravi.
Hebert nadaljuje: "V tistem trenutku sem precej ... ugotovil, da morfološka taksonomija ne more biti način za prijavo življenja na našem planetu." Oddal je svoje zbirke vzorcev in se lotil drugih raziskav arktične evolucijsko biološke biologije. Po njegovih besedah naj bi bil najnižji habitat raznolikosti vrst, ki sem ga lahko našel, toda tema o merjenju biotske raznovrstnosti na Zemlji se je vedno zadržala v glavi njegovega uma.
Sredi devetdesetih let je tehnologija še naprej napredovala, kar je raziskovalcem omogočalo izolacijo in analizo manjših in manjših bitov DNK. Hebert, ki je delal v Avstraliji kot gostujoči raziskovalec, se je odločil, da bo začel "igrati naokoli" v sekvenciranju DNK različnih organizmov in iskal eno samo zaporedje, ki ga je mogoče enostavno izolirati in uporabiti za hitro razlikovanje vrst. "Nasel sem se na eno gensko regijo mitohondrijev, saj je v mnogih primerih učinkovit, " pravi. To je bil COI.
Hebert se je odločil preizkusiti svojo metodo na lastnem dvorišču, tako da je zbral številne žuželke in jih barkodiral. Ugotovil je, da lahko zlahka loči hrošče. "Mislil sem:" Hej, če deluje na 200 vrstah na mojem dvorišču, zakaj ne bi deloval na planetu? "
In z nekaj izjemami ima.
S to tehniko so raziskovalci v študiji savane leta 2013 lahko združili raznoliko prehrano teh sobivajočih živali. "Lahko bi povedali vse, kar so živali pojedle z barcodiranjem njihovih skat, " pravi W. John Kress, kustos botanike v Smithsonianovem nacionalnem prirodoslovnem muzeju, ki je sodeloval pri študiji. Kress pravi, da bi upravitelji divjih živali in znanstveniki natančno obveščali, s čim se prehranjuje vsaka žival, lahko neposredno vplivali na oblikovanje novih varstvenih območij.
Ekologi so dali tudi večjo sliko o tem, kako celoten ekosistema deluje skupaj. "Zdaj lahko vidite, kako te vrste dejansko soobstajajo v savani, " pravi Kress. Danes se sama zamisel o tem, kaj naredi neko vrsto, spreminja, zahvaljujoč barkodiranju DNK in drugim genetskim tehnikam.
Morda ni videti veliko, zeleno. Toda nekako afriška savana podpira različne ikonične rastlinojede. DNK črtno kodiranje pomaga pokazati, kako. (Cultura RM / Alamy) Od Darwinovih dni so taksonomi izsejali vrste glede na to, kar bi lahko opazovali. Če je videti kot raca, hodi kot raca in zveni kot raca - jo vrzite v račji kup. Pojav zaporedja DNK v osemdesetih letih je spremenil igro. Zdaj so znanstveniki z branjem genetskega koda, zaradi katerega je organizem takšen, kakršen je, lahko dobili nov vpogled v evolucijsko zgodovino vrst. Vendar pa je primerjava milijonov ali milijard baznih parov, ki sestavljajo genom, lahko drago in zamudno.
Z označevalcem, kot je citokrom c oksidaza I, lahko te razlike natančneje določite hitreje in učinkoviteje. Črtno kodiranje vam lahko v nekaj urah pove - koliko časa traja zaporedje DNK črtne kode v dobro opremljenem laboratoriju za molekularno biologijo - da se dve vrsti, ki sta na površini videti popolnoma enaki, na genetski ravni bistveno razlikujeta. Šele lani so znanstveniki v Čilu uporabili DNK črtno kodiranje, da so identificirali novo vrsto čebele, ki so jo raziskovalci žuželk pogrešali v zadnjih 160 letih.
Strokovnjaki, kot je kustos nacionalnega muzeja naravoslovnega entomologije John Burns, so sodelovali s Hebertom, so lahko ločili številne organizme, za katere se je nekoč mislilo, da so iste vrste. Napredek tehnike zdaj raziskovalcem omogoča, da v muzejskih primerkih iz 1800-ih črtno kodirajo črtne kode, odpira možnost ponovnega razvrščanja dolgo opredeljenih definicij vrst. Leto po tem, ko je Hebert orisal barkodiranje DNK, ga je Burns sam uporabil za identifikacijo enega takšnih primerov - vrste metulja, identificirane v 1700-ih, za katero se je izkazalo, da je dejansko 10 ločenih vrst.
Določitev opredelitev mutnih vrst ima posledice zunaj akademskih skupnosti. Znanstvenikom in zakonodajalcem lahko daje boljši občutek o številu vrst in zdravju vrst ter bistvene informacije za njihovo zaščito, pravi Craig Hilton-Taylor, ki upravlja z "Rdečim seznamom" Mednarodne unije za varstvo narave. Medtem ko se organizacija zanaša na različne skupine strokovnjakov, ki lahko z različnih vidikov delajo, kako najbolje določiti vrsto, je barkodiranje DNK mnogim od teh skupin pomagalo bolj natančno razlikovati med različnimi vrstami.
"Prosimo jih, naj razmislijo o vseh novih genetskih dokazih, ki se zdaj pojavljajo, " pravi Hilton-Taylor o današnjih postopkih IUCN.
Izvirna tehnika črtnega kodiranja je bila sicer inovativna, vendar je imela omejitve. Na primer, deloval je samo na živalih, ne na rastlinah, ker gen COI v rastlinah ni dovolj hitro mutiral. Leta 2007 je Kress pomagala razširiti Hebertovo tehniko tako, da je identificirala druge gene, ki podobno hitro mutirajo v rastlinah, kar je omogočilo izvedbo študij, kot je savana.
Kress se spominja, kako je od leta 2008 skupaj s svojim nekdanjim ekologom univerze v Connecticutu Carlos García-Robledo uporabljal črtno kodiranje DNK za primerjavo različnih rastlin, s katerimi se v kostariškem pragozdu hranijo različne vrste žuželk. Lahko so zbrali žuželke, jih zmeljeli in hitro zaporedili DNK iz črevesja, da so ugotovili, kaj jedo.
Prej bi García-Robledo in drugi znanstveniki morali dolgočasno slediti žuželkam in dokumentirati njihove prehrane. "Lahko traja leta, da bo raziskovalec v celoti razumel prehrano skupnosti insektni rastlinojede v tropskem deževnem gozdu brez pomoči črtnih kod DNK, " je Garcá-Robledo povedal v intervjuju za Smithsonian Insider v letu 2013.
Odtlej so te raziskave lahko razširili tako, da so pogledali, kako se število vrst in njihova prehrana razlikujeta na različnih višinah in kako lahko naraščajoče temperature zaradi podnebnih sprememb vplivajo na to, saj so vrste prisiljene vse višje in višje. "Razvili smo celotno zapleteno mrežo interakcije med žuželkami in rastlinami, kar prej ni bilo mogoče storiti, " pravi Kress.
"Nenadoma bi lahko na veliko preprostejši način z uporabo DNK dejansko izsledili, količinsko opredelili in ponovili te poskuse ter te stvari razumeli na veliko bolj podroben način, " dodaja. Kress in drugi raziskovalci zdaj uporabljajo črtno kodiranje tudi za analizo vzorcev zemlje za skupnosti organizmov, ki jih naseljujejo, pravi. Barcoding tudi obljublja, da pomaga prepoznati ostanke genskega materiala, ki ga najdemo v okolju.
"Za ekologe, " pravi Kress, "DNK črtno kodiranje resnično odpira povsem drugačen način sledenja stvari v habitatih, kjer jih prej nismo mogli zaslediti."
Z omogočanjem znanstvenikom, da pregledajo en določen gen, namesto da bi morali zaporediti celotne genome in jih primerjati, je Hebert upal, da bo njegova metoda omogočila genetsko analizo in identifikacijo opraviti veliko hitreje in ceneje kot polno zaporedje. "Preteklih 14 let je pokazalo, da deluje veliko bolj učinkovito in je veliko enostavnejše za izvajanje, kot sem predvideval, " pravi zdaj.
A še vedno vidi prostor za napredek. "Resnično se spopadamo z neustreznimi podatki glede številčnosti in razširjenosti vrst, " zdaj pravi konzervatorji Hebert. Hitro izboljšanje tehnologije za hitrejšo analizo vzorcev DNK in manj potrebnega materiala v povezavi z barkodiranjem DNK ponuja izhod, pravi Hebert, saj sodobni skenerji že lahko v urah preberejo več sto milijonov baznih parov v primerjavi s tisoči osnovnih baz, ki bi lahko beri v istem času po prejšnji tehnologiji.
Hebert predvideva prihodnost, v kateri se DNK samodejno zbira in sekvencira s senzorjev po vsem svetu, kar omogoča naravovarstvenikom in taksonomistom dostop do ogromnih količin podatkov o zdravju in distribuciji različnih vrst. Zdaj si prizadeva organizirati svetovno knjižnico črtnih kod DNK, ki jo znanstveniki lahko uporabijo za hitro identifikacijo neznanega vzorca - nekaj takega, kot je Pokedex v resničnem življenju.
"Kako bi napovedali podnebne spremembe, če bi brali temperaturo na eni točki planeta ali en dan v letu?" Poudarja Hebert. "Če se bomo resno posvetili ohranjanju biotske raznovrstnosti, bomo morali popolnoma spremeniti svoje mnenje o obsegu spremljanja, ki bo potrebno."
