Biljci koji lutaju afričkim savanama masivni su i jedu puno. Pa ipak, nekako uspijevaju živjeti na otprilike istom mjestu, podržano istim rijetko vegetacijskim okruženjem. U 2013. godini ekolozi su željeli znati kako to točno funkcionira. Međutim, s obzirom na to da slonovi, zebre, bivoli i insula pješače mnogo kilometara kako bi se nahranili i ne vole da ih nosni ljudi gledaju kako jedu, bilo je gotovo nemoguće shvatiti njihovu prehranu.
Istraživači su, kao i do sada, bili preispitani psi. No, probavljene biljke bilo je nemoguće prepoznati samo ljudskim očima. Stoga su se za ovu zagonetku okrenuli ono što je relativno nova genetska tehnika: barkodiranje DNA.
Povezani sadržaj
- Što znači biti vrsta? Genetika mijenja odgovor
- Kako znanstvenici koriste tinejdžerske komade ostatka DNK za rješavanje misterija divljine
Ekolozi su uzeli uzorke u laboratorij i pregledali DNK biljnih ostataka, tražeći jedan specifičan gen poznat kao Cytochrome c oksidaza I. Zbog svog položaja u stanicama mitohondrija, gen, poznat kao COI ukratko, ima otprilike brzinu mutacije tri puta više od ostalih oblika DNK. To znači da će jasnije pokazati genetske razlike između čak vrlo usko povezanih organizama, što će biti koristan način razdvajanja vrsta u skupinama od ptica do leptira - poput oznake s unutarnje strane vaše košulje ili barkoda s namirnicama.
Za ovu genijalnu metodu, koja se prikladno naziva DNK barkodom, možemo zahvaliti jednom genetičaru koji se zasitio "stresnih" i dugotrajnih metoda tradicionalne taksonomije. Paul Hebert, molekularni biolog sa Sveučilišta u Guelphu u Kanadi, sjeća se jedne mokre, oblačne noći koju je proveo skupljajući insekte u plahti kao postdoktorski istraživač u Novoj Gvineji.
"Kad smo ih sljedećeg dana morfološki razvrstali, shvatili smo da je došlo tisuće vrsta", kaže Hebert. Mnoge, koliko je mogao reći, znanost nikad nije opisala. "Shvatio sam da sam jedne noći našao dovoljno primjeraka da me ostavi zauzet do kraja života", kaže on.
Hebert nastavlja: "U tom trenutku sam prilično ... shvatio da morfološka taksonomija ne može biti način za registraciju života na našem planetu." Dao je svoje zbirke uzoraka i prešao na druga istraživanja arktičke evolucijski biologije - Prema njegovim riječima, "staništa najniže raznolikosti vrsta koje sam mogao pronaći", ali tema mjerenja biološke raznolikosti na Zemlji uvijek se zadržavala u njegovom umu.
Sredina 1990-ih tehnologija je nastavila s napretkom omogućujući istraživačima izolaciju i analizu manjih i manjih dijelova DNK. Hebert, koji je radio u Australiji kao gostujući istraživač, odlučio je započeti „igrajući se“ sekvencirajući DNK različitih organizama i tražeći jedan slijed koji se može lako izolirati i koristiti za brzo razlikovanje vrsta. "Pristao sam na ovom genskom području mitohondrije kao učinkovit u mnogim slučajevima", kaže on. To je bio COI.
Hebert je odlučio testirati svoju metodu u vlastitom dvorištu, prikupljajući mnoštvo insekata i barširajući ih. Otkrio je da može lako razlikovati bube. „Mislila sam:„ Hej, ako djeluje na 200 vrsta u mom dvorištu, zašto to neće raditi na planeti? “
I, uz neke iznimke, ima.
Koristeći ovu tehniku, istraživači u studiji savane iz 2013. uspjeli su sastaviti raznoliku prehranu ovih suživotinja. "Mogli bismo reći sve što životinje jedu od barkodiranja njihovih scats-a", kaže W. John Kress, kustos botanike u Smithsonian-ovom Nacionalnom prirodoslovnom muzeju, koji je surađivao na studiji. Informiranjem menadžera divljih životinja i znanstvenika točno kojom travom se svaka životinja hrani, ovi bi rezultati "mogli imati izravan utjecaj na oblikovanje novih područja zaštite ovih životinja", kaže Kress.
Također je ekolozima dala širu sliku o tome kako cijeli ekosustav djeluje zajedno. "Sada možete vidjeti kako ove vrste zapravo koegzistiraju u savani", kaže Kress. Danas se sama ideja o tome što čini vrstu mijenja zahvaljujući barkodu DNA i drugim genetskim tehnikama.
Možda ne izgleda previše, zeleno-mudro. Ali nekako, afrička savana podržava razne ikone biljojede. DNK barkodiranje pomaže pokazati kako. (Cultura RM / Alamy) Još od Darwinovih dana taksonomisti su prosijali vrste na temelju onoga što su mogli promatrati. Ako izgleda kao patka, hoda poput patke i zvuči kao patka - baci je u patku. Pojava DNK sekvence u 1980-ima promijenila je igru. Sada su, čitajući genetski kod koji organizam čini kakvim jest, znanstvenici mogli donijeti nove uvide u evolucijsku povijest vrsta. Međutim, usporedba milijuna ili milijardi baznih parova koji čine genom može biti skup i dugotrajan prijedlog.
Pomoću markera poput Cytochrome c oksidaze I, te razlike možete brže i učinkovitije odrediti. Barkodiranje vam može reći za nekoliko sati - koliko je potrebno da se sekvencionira DNK barkod u dobro opremljenom laboratoriju za molekularnu biologiju - da se dvije vrste koje izgledaju potpuno isto na površini bitno razlikuju na genetskoj razini. Samo prošle godine, znanstvenici u Čileu koristili su DNK barkod za identifikaciju nove vrste pčela koje su istraživači insekata propustili u zadnjih 160 godina.
Radeći s Hebertom, stručnjaci poput kustosa entomologije Nacionalnog muzeja prirodne povijesti John Burns uspjeli su razlikovati mnoge organizme za koje se nekoć mislilo da su ista vrsta. Napredak tehnike sada omogućuje istraživačima da kodiraju primjerke muzejskih kodova iz 1800-ih, kaže Burns, otvarajući mogućnost reklasifikacije dugo naseljenih definicija vrsta. Godinu dana nakon što je Hebert iscrtao barkodiranje DNA, Burns je sam koristio da identificira jedan takav slučaj - vrstu leptira identificiranu u 1700-im, za koju se pokazalo da je zapravo 10 zasebnih vrsta.
Utvrđivanje definicija mutnih vrsta ima posljedice izvan akademskih krugova. Znanstvenicima i zakonodavcima može pružiti bolji uvid u broj i zdravlje vrsta, presudne informacije za zaštitu tih vrsta, kaže Craig Hilton-Taylor, koja upravlja "Crvenim popisom" Međunarodne unije za zaštitu prirode. Dok se organizacija oslanja na različite skupine stručnjaka koji mogu raditi iz različitih perspektiva na koji je način najbolje definirati neku vrstu, barkodiranje DNA pomoglo je mnogim tim skupinama da preciznije razluče različite vrste.
"Od njih tražimo da razmisle o svim novim genetskim dokazima koji se sada pojavljuju", kaže Hilton-Taylor o današnjoj proceduri IUCN-a.
Iako inovativna, izvorna tehnika barkodiranja imala je ograničenja. Primjerice, djelovao je samo na životinjama, a ne na biljkama jer gen COI nije dovoljno brzo mutirao u biljkama. Kress je 2007. pomogao proširiti Hebertovu tehniku identificirajući druge gene koji na biljkama slično mutiraju, omogućujući tako istraživanje poput savane.
Kress se sjeća kako je, počevši od 2008., on i bivši njegov kolega ekolog sa sveučilišta Connecticut Carlos García-Robledo koristio DNK barkod za usporedbu različitih biljaka kojima se različite vrste insekata hrane u kostaričkoj prašumi. Bili su u stanju prikupiti insekte, samljeti ih i brzo slijediti DNK iz njihovih crijeva kako bi utvrdili što jedu.
Prije toga, García-Robledo i drugi znanstvenici morali bi dosadno pratiti insekte oko sebe i dokumentirati njihovu prehranu. "Mogu proći godine da istraživač u potpunosti shvati prehranu zajednice biljojeda insekata u tropskoj kišnoj šumi bez pomoći barkodova DNA", rekao je Garcá-Robledo za Smithsonian Insider u intervjuu iz 2013. godine.
Oni su od tada uspjeli proširiti to istraživanje gledajući kako se broj vrsta i njihova prehrana razlikuju na različitim visinama i kako porast temperature od klimatskih promjena može utjecati na to jer su vrste prisiljene kretati se sve više i više. "Razvili smo čitavu, složenu mrežu interakcije insekata i biljaka, što je prije bilo nemoguće učiniti", kaže Kress.
"Odjednom, na mnogo jednostavniji način, koristeći DNK, mogli bismo zapravo pratiti, kvantificirati i ponoviti ove eksperimente i razumjeti ove stvari na mnogo detaljniji način", dodaje. Kress i drugi istraživači također koriste barcoding za analizu uzoraka tla za zajednice organizama koje ih obitavaju, kaže on. Barkodiranje također obećava za pomoć u prepoznavanju ostataka genetskog materijala koji se nalaze u okolišu.
"Za ekologe", kaže Kress, "DNK barkod zapravo otvara sasvim drugačiji način praćenja stvari u staništima gdje ih prije nismo mogli pratiti."
Omogućujući znanstvenicima da pomno prouče jedan određeni gen umjesto da sekvenciraju čitave genome i uspoređuju ih, Hebert se nadao da će njegova metoda omogućiti genetsku analizu i identifikaciju da se provede mnogo brže i jeftinije od punog sekvenciranja. "Proteklih 14 godina pokazalo je da djeluje mnogo učinkovitije i da ga je mnogo jednostavnije implementirati nego što sam predviđao", kaže on sada.
Ali još uvijek vidi prostor za napredak. "Doista se suočavamo s neadekvatnim podacima u pogledu obilja i rasprostranjenosti vrsta", kaže Hebert o zaštitnicima prirode. Brzo poboljšavanje tehnologije za bržu analizu DNK uzoraka i s manje potrebnog materijala upareno s DNK barkodom nudi izlaz, kaže Hebert, s modernim skenerima koji već mogu satima čitati stotine milijuna baznih parova u odnosu na tisuće baznih parova koji bi mogli čitati u to isto vrijeme ranijom tehnologijom.
Hebert predviđa budućnost u kojoj se DNK prikuplja i sekvencira automatski od senzora širom svijeta, omogućujući prirodoslovcima i taksonomistima pristup ogromnoj količini podataka o zdravlju i distribuciji različitih vrsta. Sada radi na organiziranju svjetske knjižnice DNK barkodova koje znanstvenici mogu upotrijebiti za brzo identificiranje nepoznatog uzorka - nešto poput stvarnog Pokedexa.
"Kako biste predvidjeli klimatske promjene ako biste čitali temperaturu u jednoj točki planeta ili jedan dan u godini?", Ističe Hebert. "Ako ćemo se ozbiljno pozabaviti očuvanjem biološke raznolikosti, jednostavno ćemo u potpunosti prebaciti svoje stavove o količini praćenja koja će biti potrebna."
