Az afrikai szavannát körüljáró növényevők tömegesek, és sokat esznek. Mindazonáltal mindegyiknek sikerül nagyjából ugyanabban a helyen élni, ugyanazon a gyengén vegetált környezetben. 2013-ban az ökológusok pontosan meg akarták tudni, hogyan működik ez. Mivel azonban az elefántok, a zebrák, a bivalyok és az impala sok mérföldre távozott, hogy táplálkozzanak, és nem szereti a szomorú embereket, amikor figyeli, mikor eszik, szinte lehetetlen volt kitalálni étrendjukat.
A kutatók, amint ilyen gyakran vannak, hagyták a kakuk vizsgálatát. De az emésztett növényeket lehetetlen az emberi szemmel azonosítani. Tehát ehhez a kirakós játékhoz arra fordultak, ami viszonylag új genetikai technika volt: a DNS vonalkódolás.
kapcsolodo tartalom
- Mit jelent fajnak lenni? A genetika megváltoztatja a választ
- Hogyan használják a tudósok a maradék DNS kislányos bitjeit a vadon élő rejtélyek megoldására?
Az ökológusok mintákat vettek a laboratóriumba, és kimoszták a növény maradványainak DNS-ét, és egy specifikus gént kerestek, melyet citokróm c-oxidáz I néven ismertek. A sejt mitokondriumában elhelyezkedésének köszönhetően a gén, röviden COI néven ismert, mutációja nagyjából nagyjából háromszorosa a DNS más formáinak. Ez azt jelenti, hogy világosabbá fogja mutatni a nagyon szorosan rokon szervezetek genetikai különbségeit, és ezáltal hasznos módja lehet a fajok különféle csoportokban történő elcsúsztatására madaraktól pillangókig - például az ing belsejében található címke vagy az élelmiszerbolt vonalkódja.
Ezért a zseniális módszerért, amelyet helyesen DNS-vonalkódolásnak neveznek, köszönetet mondhatunk egy genetikusnak, aki kimerítette a hagyományos taxonómia „stresszes” és időigényes módszereit. Paul Hebert, a kanadai Guelphi Egyetem molekuláris biológusa emlékeztet egy nedves, felhős éjszakára, amelyet rovarok gyűjtésével töltött egy lapban posztdoktori kutatóként Új-Guineában.
"Amikor másnap morfológiailag válogattuk őket, rájöttünk, hogy több ezer faj jött be" - mondja Hebert. Sokan, amennyire tudta mondani, soha nem írták le a tudomány. "Rájöttem, hogy egy éjjel elég példányokkal találkoztam, hogy életem hátralévő részében elfoglalt lehessen" - mondja.
Hebert folytatja: „Abban a pillanatban nagyjából… rájöttem, hogy a morfológiai taxonómia nem lehet a bolygónkon az élet regisztrálásának módja.” Ő adta el mintagyűjteményeit, és továbbhaladt az Északi-sarkvidék evolúciós biológiájának más kutatásaiba - az ő szavaival a legalacsonyabb fajú sokféleségű élőhelyet találtam -, de a Föld biológiai sokféleségének mérése mindig a gondolataiba esett át.
A technológia az 1990-es évek közepén tovább haladt, lehetővé téve a kutatók számára, hogy elkülönítsék és elemezzék a kisebb és kisebb DNS-biteket. Hebert, aki Ausztráliában vendégkutatóként dolgozott, úgy döntött, hogy elkezdi „játszani” a különféle szervezetek DNS-jének szekvenálásával, és egyetlen olyan szekvenciát keres, amely könnyen elkülöníthető és felhasználható a fajok gyors megkülönböztetésére. "Ezen a mitokondriális génrégión sok esetben hatékonynak tartottam" - mondja. Az volt a COI.
Hebert úgy döntött, hogy kipróbálja a módszerét saját kertjében, rengeteg rovar gyűjtésével és vonalkódolással. Megállapította, hogy könnyen meg tudja különböztetni a hibákat. "Azt hittem, " Hé, ha 200 fajon működik a hátsó udvarban, akkor miért nem fog működni a bolygón? "
És néhány kivételtől eltekintve.
Ennek a módszernek a felhasználásával a 2013. évi szavannah tanulmány kutatói képesek voltak összeállítani ezeknek az együttélő állatoknak a változatos étrendjét. "Mindent elmondhatunk mindazoknak az állatoknak, amik elkísérték a sávok vonalkódolását" - mondja W. John Kress, a Smithsonian Nemzeti Természettudományi Múzeum botanikus kurátora, aki együttmûködött a tanulmányban. Ha a vadon élő állatok kezelői és tudósai pontosan tájékoztatják az egyes állatokat, hogy melyik fűből táplálkoznak, ezek az eredmények „közvetlen hatással lehetnek az új állatok védelmére szolgáló területek megtervezésére” - mondja Kress.
Nagyobb képet adott az ökológusokról arról is, hogy az egész ökoszisztéma hogyan működik együtt. "Most már láthatja, hogy ezek a fajok valóban léteznek egymás mellett a szavannában" - mondja Kress. Ma a DNS vonalkódolásának és más genetikai technikáknak köszönhetően változik a faj készítésének gondolata.
Lehet, hogy nem néz ki sokkal, zöld szempontból. De valahogy az afrikai szavanna számos ikonikus növényevõt támogat. A DNS vonalkódolása megmutatja, hogyan. (Cultura RM / Alamy) Darwin napja óta az taxonómusok megfigyelésük alapján szétváltották a fajokat. Vagyis, ha úgy néz ki, mint egy kacsa, sétál, mint egy kacsa, és úgy hangzik, mint egy kacsa - dobja el a kacsahalomba. A DNS-szekvenálás megjelenése az 1980-as években megváltoztatta a játékot. Azáltal, hogy elolvassa azt a genetikai kódot, amely egy organizmust azzá teszi, a tudósok új betekintést nyerhetnek a faj evolúciós történetébe. A genomot alkotó milliók vagy milliárd alappár összehasonlítása azonban költséges és időigényes javaslat lehet.
Egy olyan markerrel, mint a Cytochrome c oxidase I, ezeket a megkülönböztetéseket gyorsabban és hatékonyabban meg lehet határozni. A vonalkód néhány órán belül megtudhatja, hogy mennyi ideig tart egy jól felszerelt molekuláris biológiai laboratóriumban a DNS vonalkód szekvenciája -, hogy két faj, amelyek a felületen pontosan azonosak, genetikai szinten lényegesen különböznek egymástól. Csak tavaly a chilei tudósok DNS-vonalkóddal használták fel egy új méhfaj azonosítását, amelyről a rovarkutatók elmulasztottak az elmúlt 160 évben.
A Heberttel együttműködve olyan szakértők, mint például a Nemzeti Természettudományi Múzeum entomológiai kurátora, John Burns, képesek voltak megkülönböztetni sok olyan szervezetet, amelyeket egykor ugyanazon fajnak gondoltak. A technika fejlődése lehetővé teszi a kutatók számára az 1800-as évekből származó múzeumi minták vonalkódolását - mondja Burns, és megnyitja a lehetőséget a régóta letelepedett fajdefiníciók újraosztályozására. Egy évvel azután, hogy Hebert felvázolta a DNS-vonalkódolást, Burns maga használta fel egy ilyen eset azonosítására - az 1700-as években azonosított pillangófajnak, amely valójában 10 különálló fajnak bizonyult.
A homályos fajok meghatározásainak lerontása következményekkel jár az egyetemeken kívül. Ez a tudósok és a törvényhozók számára jobban megértheti a fajok számát és egészségét, és kulcsfontosságú információkat nyújt azok védelmére - mondja Craig Hilton-Taylor, aki a Természetvédelem Nemzetközi Uniójának "Vörös listája" kezeli. Míg a szervezet különféle szakértői csoportokra támaszkodik, akik különböző szempontok alapján dolgozhatnak a faj meghatározásának legjobb módjain, a DNS vonalkódolása segített ezeknek a csoportoknak a pontosabb megkülönböztetésében a különféle fajok között.
"Felkérjük őket, hogy gondolkozzanak az összes új genetikai bizonyítékkal, amelyek most előkerülnek" - mondta Hilton-Taylor az IUCN mai eljárásairól.
Noha innovatív, az eredeti vonalkódolási technika korlátai voltak. Például csak állatokon működött, nem növényeken, mert a COI gén nem változott elég gyorsan a növényekben. 2007-ben Kress segített Hebert technikájának kibővítésében azáltal, hogy azonosított más géneket, amelyek hasonlóan gyorsan mutálódnak a növényekben, lehetővé téve olyan vizsgálatokat, mint a szavanna.
Kress emlékeztet arra, hogy 2008-tól kezdve ő és társa, a Connecticuti Egyetem ökológusa, Carlos García-Robledo egy-egy DNS-vonalkóddal hasonlította össze a különböző növényeket, amelyeket a különböző rovarfajok táplálkoztak a Costa Rica-i esőerdőkben. Képesek voltak rovarokat összegyűjteni, őrölni őket, és gyorsan szekvenálni a DNS-t a belekből, hogy meghatározzák, mit esznek.
Korábban García-Robledo-nak és más tudósoknak kellett volna unalmasan követniük a rovarokat és dokumentálniuk étrendjukat. „Évekbe telhet, amíg egy kutató teljesen megérti a trópusi esőerdőkben található rovarölő növények közösségének étrendjét DNS-vonalkódok nélkül” - mondta Garcá-Robledo a Smithsonian Insidernek egy 2013. évi interjúban.
Azóta képesek voltak kibővíteni ezt a kutatást azzal, hogy megvizsgálták, hogy a fajok száma és étrendje eltérő magasságban különbözik egymástól, és hogyan befolyásolhatja ezt az éghajlatváltozás miatti emelkedő hőmérséklet, mivel a fajok egyre magasabbra és magasabbra kényszerülnek. "Egy egész, összetett hálózatot fejlesztettünk ki a rovarok és a növények kölcsönhatásáról, amit korábban lehetetlen megtenni" - mondja Kress.
"Hirtelen, sokkal egyszerűbb módon, a DNS felhasználásával valóban nyomon követhetjük, számszerűsíthetjük és megismételhetjük ezeket a kísérleteket, és sokkal részletesebben megérthetjük ezeket a dolgokat" - teszi hozzá. Kress és más kutatók most már vonalkódot is használnak a talajminták elemzésére az azokat élő organizmusok közösségeinél - mondja. A vonalkódolás azt is ígéretesnek tartja, hogy elősegíti a környezetben található genetikai anyag maradványainak azonosítását.
"Az ökológusok számára - mondja Kress - a DNS-vonalkódolás valóban egészen más módon nyitja meg a dolgok nyomon követését az élőhelyekben, ahol korábban nem tudtuk őket követni."
Ha Hebert lehetővé tette a tudósok számára, hogy egy specifikus gént megvizsgálja ahelyett, hogy teljes genomokat szekvenáljon és összehasonlítson, Hebert azt remélte, hogy módszere sokkal gyorsabban és olcsóbban fogja lehetővé tenni a genetikai elemzést és az azonosítást, mint a teljes szekvenálás. "Az elmúlt 14 év megmutatta, hogy sokkal hatékonyabban működik, és sokkal egyszerűbb végrehajtani, mint amire számítottam." - mondja most.
De még mindig látja a teret a haladásnak. "Tényleg küzdenek az elégtelen adatokkal a fajok sokasága és eloszlása szempontjából" - mondja Hebert a természetvédőkről. A DNS-minták gyorsabb fejlesztése és a DNS-vonalkódokkal párosított kevesebb anyag elemzésének technológiájának gyors fejlesztése kiutat kínál - mondja Hebert, a modern szkennerekkel, amelyek órákban már több száz millió bázispárt tudnak leolvasni, összehasonlítva az ezer bázispárral, amelyek képesek voltak ugyanabban az időben kell olvasni a korábbi technológiával.
Hebert azt a jövőt tervezi, ahol a DNS-t automatikusan gyűjtik és szekvenálják az érzékelőktől a világ minden tájáról, lehetővé téve a természetvédőknek és taxonómusoknak, hogy hatalmas mennyiségű információhoz férjenek hozzá a különféle fajok egészségéről és elterjedéséről. Most azon dolgozik, hogy szervezzen egy globális DNS-vonalkód-könyvtárat, amelyet a tudósok felhasználhatnak az ismeretlen példány gyors azonosítására - valami hasonló a valódi Pokedexhez.
„Hogyan tudnád megjósolni az éghajlatváltozást, ha a hőmérsékletet a bolygó egy pontján vagy egy évben egy nap alatt olvassa?” - mutat rá Hebert. "Ha komolyan vesszük a biológiai sokféleség megőrzését, akkor teljesen át kell állítanunk véleményünket a szükséges monitoring mennyiségéről."
