Taimsed sööjad, kes Aafrika savannis ringi rändavad, on tohutud ja nad söövad palju. Kuid kuidagi õnnestub neil kõigil elada enam-vähem samas kohas, mida toetab sama hõredalt taimestunud keskkond. 2013. aastal soovisid ökoloogid täpselt teada, kuidas see toimis. Kuna elevandid, sebrad, pühvlid ja impala rändasid aga palju miile, et neid toita ja ei armastaks neid sööma hakkavaid inimesi, oli nende dieedi väljamõtlemine peaaegu võimatu.
Teadlastel jäeti - nagu nad nii sageli on - pooku uurima. Kuid seeditud taimi oli ainuüksi inimese silma järgi võimatu tuvastada. Niisiis pöördusid nad selle mõistatuse juurde suhteliselt uue geneetilise tehnika juurde: DNA triipkood.
Seotud sisu
- Mida tähendab olla liik? Geneetika muudab vastust
- Kuidas teadlased looduslike mõistatuste lahendamiseks kasutavad järelejäänud DNA bitti
Ökoloogid võtsid laborisse proove ja puhastasid taimejäänuste DNA-d, otsides ühte konkreetset geeni, mida tuntakse tsütokroom c oksüdaasi I nime all. Kuna geen, mida lühidalt nimetatakse COI-ks, paikneb raku mitokondrites, on selle mutatsioonimäär umbkaudu kolm korda suurem kui teistel DNA vormidel. See tähendab, et see näitab selgemalt geneetilisi erinevusi isegi väga lähedaste organismide vahel, muutes selle kasulikuks viisiks liikide eristamiseks rühmades lindudest liblikateni - näiteks silt särgi siseküljel või toidupoe vöötkood.
Selle leidliku meetodi eest, mida nimetatakse DNA triipkoodiks, võime tänada ühte geneetikut, kes leidis, et talle on kõrini traditsioonilise taksonoomia "stressirohketest" ja aeganõudvatest meetoditest. Kanada Guelphi ülikooli molekulaarbioloog Paul Hebert tuletab meelde ühte niisket pilvist ööd, mille ta veetis putukate kogumisel lehel doktorikraadina Uus-Guineas.
"Kui me järgmisel päeval neid morfoloogiliselt sorteerisime, saime aru, et siia oli tulnud tuhandeid liike, " räägib Hebert. Paljusid, nii nagu ta võis öelda, polnud teadus kunagi kirjeldanud. "Mõistsin, et ühel õhtul kohtasin piisavalt palju isendeid, et mind kogu ülejäänud elu hõivata, " ütleb ta.
Hebert jätkab: “Just sel hetkel sain ma üsna palju aru, et morfoloogiline taksonoomia ei saa olla viis meie planeedil elu registreerimiseks.” Ta andis ära oma näidiskollektsioonid ja siirdus muudele Arktika evolutsiooniliselt bioloogia uuringutele - tema sõnade järgi "madalaima liigirikkusega elupaiku, mida ma leidsin", kuid Maa bioloogilise mitmekesisuse mõõtmise teema hõlmas tema mõtteid alati.
1990ndate keskel arenes tehnoloogia edasi, võimaldades teadlastel eraldada ja analüüsida väiksemaid ja väiksemaid DNA bitte. Austraalias külalisuurijana töötanud Hebert otsustas hakata "mängima" erinevate organismide DNA sekveneerimisega ja otsima ühte järjestust, mida saaks hõlpsasti eraldada ja kasutada liikide kiireks eristamiseks. "Ma otsustasin selle mitokondrite geenipiirkonna üle, mis on paljudel juhtudel efektiivne, " ütleb ta. See oli COI.
Hebert otsustas katsetada oma meetodit oma aias, kogudes hulgaliselt putukaid ja neid triipkoodiga. Ta leidis, et oskab vigu hõlpsalt eristada. "Ma mõtlesin:" Kuule, kui see töötab 200 aias minu aias, siis miks see planeedil ei toimi? "
Ja mõne erandiga on.
Seda tehnikat kasutades suutsid 2013. aasta savannis tehtud uuringu teadlased kokku panna nende samaaegsete loomade mitmekesised dieedid. "Me võiksime rääkida kõigest, mida loomad söövad, alates nende skaalade vöötkoodimisest, " ütleb Smithsoniani Riikliku Loodusmuuseumi botaanika kuraator W. John Kress, kes tegi uuringu käigus koostööd. Teavitades metsloomade haldajaid ja teadlasi täpselt sellest, millist rohtu iga loom toidab, võivad need tulemused "avaldada otsest mõju nende loomade uute kaitsealade kujundamisel", ütles Kress.
See andis ökoloogidele ka suurema pildi sellest, kuidas kogu ökosüsteem koos töötab. "Nüüd näete, kuidas need liigid savannis tegelikult eksisteerivad, " ütleb Kress. Tänaseks on tänu DNA triipkoodile ja muudele geneetilistele võtetele liikide idee muutumas.
See ei pruugi roheliselt mõistlik välja näha. Kuid millegipärast toetab Aafrika savann mitmesuguseid ikoonilisi taimtoidulisi. DNA vöötkood aitab näidata kuidas. (Cultura RM / Alamy) Alates Darwini päevast on taksonoomid liikidest välja sõelunud selle põhjal, mida nad võiksid jälgida. St kui see näeb välja nagu part, kõnnib nagu part ja kõlab nagu part - visake see pardihunnikusse. DNA sekveneerimise tulek 1980. aastatel muutis mängu. Nüüd, lugedes geneetilist koodi, mis muudab organismi selliseks, nagu see on, võiksid teadlased saada uusi teadmisi liigi evolutsiooniajaloost. Kuid genoomi moodustavate miljonite või miljardite aluspaaride võrdlemine võib olla kallis ja aeganõudev ettepanek.
Sellise markeriga nagu tsütokroom c oksüdaas I saate need eristused kiiremini ja tõhusamalt kindlaks teha. Vöötkood võib mõne tunniga öelda - kui kaua kulub DNA vöötkoodi järjestamiseks hästivarustatud molekulaarbioloogia laboris -, et kaks pinda, mis näevad pinnal täpselt ühesugused, on geneetiliselt väga erinevad. Just eelmisel aastal kasutasid Tšiili teadlased DNA vöötkoodiga uue mesilaseliigi tuvastamiseks, millest putukauurijad olid viimase 160 aasta jooksul puudust tundnud.
Koostöös Hebertiga on eksperdid, näiteks Riikliku loodusmuuseumi entomoloogia kuraator John Burns, suutnud eristada paljusid organisme, mida kunagi arvati olevat samad liigid. Selle tehnika areng võimaldab teadlastel 1800-ndatest pärit muuseumieksemplaride vöötkoodide kasutamist, ütles Burns, pakkudes võimalust ümber klassifitseerida pikaajaliselt asustatud liikide määratlused. Aasta pärast seda, kui Hebert kirjeldas DNA vöötkoodimist, kasutas Burns seda ise ühe sellise juhtumi tuvastamiseks - 1700ndatel tuvastatud liblikaliik, mis osutus tegelikult 10 eraldi liigiks.
Häguse liigi määratluste lükamisel on tagajärgi väljaspool akadeemilisi ringkondi. Craig Hilton-Taylor, kes juhib Rahvusvahelise Looduskaitse Liidu "Punast nimekirja", vahendab Craig Hilton-Taylor. See aitab teadlastel ja seadusandjatel paremini mõista liikide arvu ja tervist ning saada olulist teavet nende kaitseks. Kui organisatsioon tugineb erinevatele eksperdirühmadele, kes saavad liigi määratlemisel kõige paremini lähtuda erinevatest vaatenurkadest, siis DNA vöötkoodimine on aidanud paljudel neist rühmadest täpsustada eri liike.
"Palume neil mõelda kõigi uute geneetiliste tõendite üle, mis praegu välja tulevad, " räägib Hilton-Taylor IUCNi tänapäevastest protseduuridest.
Ehkki uuenduslik, oli algsel vöötkooditehnikal piiranguid. Näiteks töötas see ainult loomadel, mitte taimedel, kuna COI geen ei muteerunud taimedes piisavalt kiiresti. 2007. aastal aitas Kress Heberti tehnikat laiendada, tuvastades muud geenid, mis muteeruvad taimedes sama kiiresti, võimaldades uuringuid, nagu näiteks savann.
Kress meenutab, kuidas ta alates 2008. aastast kasutas koos oma endise kolleegi, Connecticuti ülikooli ökoloogi Carlos García-Robledoga, DNA vöötkoodiga, et võrrelda erinevaid taimi, mida erinevad putukaliigid toitsid Costa Rica vihmametsas. Nad suutsid putukaid koguda, neid jahvatada ja DNA-d kiiresti oma sisikonnast järjestada, et teha kindlaks, mida nad söövad.
Varem oleks García-Robledo ja teised teadlased pidanud tüütult putukaid jälgima ja toitumist dokumenteerima. "Troopilises vihmametsas tegutsevate putukataimtoiduliste kogukondade toitumise täielikuks mõistmiseks teadlase jaoks võib kuluda aastaid, ilma DNA vöötkoodide abita, " rääkis Garcá-Robledo Smithsonian Insiderile 2013. aasta intervjuus.
Pärast seda on nad suutnud seda uurimistööd laiendada, uurides, kuidas liikide arv ja nende toitumine erinevad erinevatel kõrgustel ning kuidas kliimamuutustest tulenev temperatuuri tõus võib seda mõjutada, kuna liigid on sunnitud liikuma üha kõrgemale. "Oleme välja töötanud terve putukate ja taimede koostoimimise keeruka võrgu, mida varem polnud võimalik teha, " räägib Kress.
"Äkki saaksime DNA abil palju lihtsamal viisil neid katseid jälgida, kvantifitseerida ja korrata ning neid asju palju detailsemalt mõista, " lisab ta. Nüüd kasutavad Kress ja teised teadlased vöötkoodiga ka neid ümbritsevate organismide kogukondade mullaproovide analüüsimiseks. Vöötkoodid lubavad ka aidata tuvastada keskkonnas leiduva geneetilise materjali jäänuseid.
"Ökoloogide jaoks, " ütleb Kress, "avab DNA triipkood täiesti erineva viisi asjade jälgimiseks elupaikades, kus me ei suutnud neid varem jälgida."
Lubades teadlastel uurida ühte konkreetset geeni, selle asemel et kogu genoome sekveneerida ja neid võrrelda, lootis Hebert, et tema meetod võimaldab geenianalüüsi ja tuvastamist läbi viia palju kiiremini ja odavamalt kui täielik sekveneerimine. "Viimased 14 aastat on näidanud, et see töötab palju tõhusamalt ja seda on palju lihtsam rakendada, kui ma eeldasin, " ütleb ta nüüd.
Kuid ta näeb siiski arenguruumi. "Me tõesti võitleme ebapiisavate andmetega liikide arvukuse ja leviku osas, " räägib Hebert nüüd looduskaitsjatest. DNA-proovide kiiremaks analüüsimiseks vajaliku tehnoloogia kiire arendamine ja DNA triipkoodiga sidumiseks vajaliku vähem materjaliga pakub väljapääs, väidavad Hebert, moodsate skanneritega, mis suudavad juba tundide kaupa lugeda sadu miljoneid aluspaare võrreldes tuhandete aluspaaridega, mis võiksid lugeda samal ajal varasema tehnoloogia abil.
Hebert kavandab tulevikku, kus DNA kogutakse ja järjestatakse automaatselt kogu maailmas olevatelt anduritelt, võimaldades looduskaitsjatel ja taksonoomilistel isikutel saada tohutul hulgal andmeid mitmesuguste liikide tervise ja leviku kohta. Nüüd töötab ta ülemaailmse DNA vöötkoodide raamatukogu korraldamiseks, mida teadlased saavad kasutada tundmatu isendi kiireks tuvastamiseks - näiteks reaalse elu Pokedexi sarnaseks.
“Kuidas ennustaksite kliimamuutusi, kui loeksite temperatuuri ühel planeedi punktis või ühel päeval aastas?” Osutab Hebert. "Kui me hakkame bioloogilise mitmekesisuse säilitamise suhtes tõsiselt mõtlema, peame lihtsalt täielikult muutma oma arvamust vajaliku seire mahu kohta."
