Planteetere, der strejfer om den afrikanske savanne, er enorme, og de spiser meget. Alligevel lykkes de alle på en eller anden måde at leve i stort set det samme sted, understøttet af det samme tyndt vegeterede miljø. I 2013 ønskede økologer nøjagtigt, hvordan dette fungerede. Fordi elefanter, zebra, bøffler og impala strejfer mange kilometer for at fodre og ikke er begejstrede for nysgerrige mennesker, der ser dem spise, var det næsten umuligt at finde ud af deres kost.
Forskerne blev, som de så ofte er, til at undersøge bæsj. Men de fordøjede planter var umulige at identificere ved menneskelige øjne alene. Så for dette puslespil vendte de sig til, hvad der var en relativt ny genetisk teknik: DNA-stregkodning.
Relateret indhold
- Hvad betyder det at være en art? Genetik ændrer svaret
- Sådan bruger forskere Teeny Bits of Left DNA til at løse vilde mysterier
Økologer tog prøver til laboratoriet og skurede DNA fra plantresterne på udkig efter et specifikt gen kendt som Cytochrome c oxidase I. På grund af dets placering i cellens mitokondrier har genet, kendt som COI kort, en mutationsgrad omtrent tre gange den for andre former for DNA. Det betyder, at det mere tydeligt viser de genetiske forskelle mellem endda meget nært beslægtede organismer, hvilket gør det til en nyttig måde at drille fra hinanden arter i grupper fra fugle til sommerfugle - som mærket på indersiden af din skjorte eller en købmandsforretning stregkode.
For denne geniale metode, der også kaldes DNA-stregkodning, kan vi takke en genetiker, der befandt sig træt af de "stressende" og tidskrævende metoder i traditionel taksonomi. Paul Hebert, en molekylærbiolog ved University of Guelph i Canada, minder om en våd, overskyet aften, som han tilbragte med at indsamle insekter i et ark som postdoktorisk forsker i New Guinea.
”Da vi sorterede dem morfologisk næste dag, indså vi, at der var tusinder af arter, der var kommet ind, ” siger Hebert. Mange, så vidt han kunne fortælle, var aldrig blevet beskrevet af videnskaben. ”Jeg indså, at jeg den ene nat stødte på nok prøver til at holde mig travlt resten af mit liv, ” siger han.
Hebert fortsætter: ”Det var i det øjeblik, at jeg temmelig ... indså, at morfologisk taksonomi ikke kunne være måden at registrere liv på vores planet.” Han gav sine eksempler fra samlinger og gik videre til anden forskning i arktisk evolutionær biologi— ”de laveste artsdiversiteter, jeg kunne finde, ” med hans ord - men emnet for måling af Jordens biologiske mangfoldighed hænger altid bagpå i hans sind.
Teknologi fortsatte fremskridt i midten af 1990'erne, hvilket gjorde det muligt for forskere at isolere og analysere mindre og mindre bit af DNA. Hebert, der arbejdede i Australien som besøgende forsker, besluttede at begynde at "lege rundt" i rækkefølge af DNA fra forskellige organismer og søge efter en enkelt sekvens, der let kunne isoleres og bruges til hurtigt at skelne arter. ”Jeg besluttede mig med denne ene mitokondriske genregion som effektiv i mange tilfælde, ” siger han. Det var COI.
Hebert besluttede at teste sin metode i sin egen baghave ved at samle snesevis af insekter og stregkode dem. Han fandt, at han let kunne skelne mellem fejlene. ”Jeg tænkte” Hej, hvis det fungerer på 200 arter i min baghave, hvorfor fungerer det ikke på planeten? ”
Og det har nogle undtagelser.
Ved hjælp af denne teknik var forskerne i savanneundersøgelsen i 2013 i stand til at sammensætte de forskellige diæter fra disse sameksisterende dyr. "Vi kunne fortælle alt, hvad dyrene spiste af at strecke deres scats, " siger W. John Kress, botanikcurator ved Smithsonian's National Museum of Natural History, som samarbejdede om undersøgelsen. Ved at informere dyrelivsledere og videnskabsmænd præcist om, hvad græsser hvert dyr fodrer med, kunne disse resultater "have direkte indflydelse på at designe nye bevaringsområder for disse dyr, " siger Kress.
Det gav også økologer et større billede af, hvordan hele økosystemet fungerer sammen. "Nu kan du se, hvordan disse arter faktisk sameksisterer i savannen, " siger Kress. I dag er selve ideen om, hvad der får en art til at ændre sig, takket være DNA-stregkodning og andre genetiske teknikker.
Det ser måske ikke meget ud, grøntsagsmæssigt. Men på en eller anden måde understøtter den afrikanske savanne en række ikoniske planteetere. DNA-stregkodning hjælper med at vise hvordan. (Cultura RM / Alamy) Siden Darwins dage har taxonomer sigtet arter ud på grundlag af hvad de kunne observere. Dvs. hvis det ser ud som en and, går som en and, og det lyder som en and - smid det i andebunken. Fremkomsten af DNA-sekventering i 1980'erne ændrede spillet. Ved at læse den genetiske kode, der gør en organisme til det, kunne forskere hente ny indsigt i artens evolutionære historie. At sammenligne de millioner eller milliarder af basepar, der udgør genomet, kan imidlertid være et dyrt og tidskrævende forslag.
Med en markør som Cytochrome c oxidase I kan du fastlægge disse distinktioner hurtigere og mere effektivt. Stregkodning kan fortælle dig i løbet af timer - hvilket er, hvor lang tid det tager at sekvensere en DNA-stregkode i et veludstyret molekylærbiologilaboratorium - at to arter, der ser nøjagtigt ens på overfladen, er væsentligt forskellige på genetisk niveau. Lige sidste år brugte forskere i Chile DNA-stregkodning til at identificere en ny biart, som insektforskere havde savnet de sidste 160 år.
I samarbejde med Hebert har eksperter som National Museum of Natural History entomologikurator John Burns været i stand til at skelne mellem mange organismer, der engang blev antaget at være den samme art. Fremskridt inden for teknikken tillader nu forskere at stregkode museeksempler fra 1800-tallet, siger Burns, og åbner muligheden for at klassificere definitioner af lang aflejrede arter. Et år efter at Hebert skitserede DNA-stregkodning, brugte Burns det selv til at identificere et sådant tilfælde - en sommerfuglart, der blev identificeret i 1700-tallet, og som viste sig at være 10 separate arter.
Afgrænsning af grumsete definitioner har forgreninger uden for akademien. Det kan give forskere og lovgivere en bedre fornemmelse af en arts antal og helbred, afgørende oplysninger for at beskytte dem, siger Craig Hilton-Taylor, der administrerer Den Internationale Union for Bevarelse af Naturens "rødliste". Mens organisationen er afhængig af forskellige ekspertgrupper, der kan arbejde ud fra forskellige perspektiver på, hvordan man bedst kan definere en art, har DNA-stregkodning hjulpet mange af disse grupper til mere præcist at skelne mellem forskellige arter.
"Vi beder dem om at tænke på alle de nye genetiske bevis, der kommer frem nu, " siger Hilton-Taylor om IUCNs procedurer i dag.
Selvom den var nyskabende, havde den originale stregkodningsteknik begrænsninger. For eksempel fungerede det kun på dyr, ikke planter, fordi COI-genet ikke muterede hurtigt nok i planter. I 2007 hjalp Kress med at udvide Heberts teknik ved at identificere andre gener, der muteres lignende hurtigt i planter, hvilket tillader undersøgelser som den savanne en at finde sted.
Kress minder om, hvordan han og en tidligere kollega for ham, University of Connecticut-økolog Carlos García-Robledo, anvendte DNA-stregkodning til at sammenligne de forskellige planter, som forskellige insektarter fodres med i den Costa Ricaanske regnskov. De var i stand til at samle insekter, slibe dem op og hurtigt sekvensere DNA'et fra deres tarme for at bestemme, hvad de spiste.
Tidligere ville García-Robledo og andre videnskabsfolk have været nødt til langsomt at følge insekter omkring og dokumentere deres kost. ”Det kan tage år, før en forsker fuldt ud forstår dieterne i et samfund af insektplanter i en tropisk regnskov uden hjælp af DNA-stregkoder, ” fortalte Garcá-Robledo Smithsonian Insider i et 2013-interview.
De har siden været i stand til at udvide denne forskning ved at se på, hvordan antallet af arter og deres diæter adskiller sig i forskellige højder, og hvordan stigende temperaturer fra klimaforandringer kan påvirke dette, da arter tvinges til at bevæge sig højere og højere. "Vi har udviklet et helt, komplekst netværk af, hvordan insekter og planter interagerer, hvilket var umuligt at gøre før, " siger Kress.
”Pludselig på en meget enklere måde ved hjælp af DNA kunne vi faktisk spore, kvantificere og gentage disse eksperimenter og forstå disse ting på en meget mere detaljeret måde, ” tilføjer han. Kress og andre forskere bruger nu også stregkodning til at analysere jordprøver for samfundene af organismer, der bor i dem, siger han. Barcoding giver også løfte om at hjælpe med at identificere rester af genetisk materiale, der findes i miljøet.
"For økologer, " siger Kress, "DNA-stregkodning åbner virkelig en helt anden måde at spore ting på i levesteder, hvor vi ikke kunne spore dem før."
Ved at lade forskerne undersøge et specifikt gen i stedet for at skulle sekvensere hele genomer og sammenligne dem, havde Hebert håbet, at hans metode ville tillade genetisk analyse og identifikation at blive udført meget hurtigere og billigt end fuld sekventering. "De sidste 14 år har vist, at det fungerer meget mere effektivt, og det er meget enklere at implementere, end jeg forventede, " siger han nu.
Men han ser stadig plads til fremskridt. "Vi kæmper virkelig med utilstrækkelige data med hensyn til artsens overflod og fordeling, " siger Hebert om bevaringsmænd nu. Hurtig forbedring af teknologi til analyse af DNA-prøver hurtigere og med mindre krævet materiale parret med DNA-stregkodning giver en udvej, siger Hebert, med moderne scannere, der allerede er i stand til at læse hundreder af millioner basepar i timer sammenlignet med de tusinder af basepar, der kunne læses på samme tid af tidligere teknologi.
Hebert ser for sig en fremtid, hvor DNA automatisk indsamles og sekventeres fra sensorer over hele verden, hvilket giver naturvæsen og taxonomister adgang til store mængder data om sundhed og distribution af forskellige arter. Han arbejder nu med at organisere et verdensomspændende bibliotek med DNA-stregkoder, som forskere kan bruge til hurtigt at identificere et ukendt eksemplar - noget som en rigtig Pokedex.
”Hvordan ville du forudsige klimaændringer, hvis du læste temperaturen på et tidspunkt på planeten eller en dag om året?” Påpeger Hebert. ”Hvis vi kommer til at tage alvorligt hensyn til bevarelse af biodiversitet, er vi bare nødt til at ændre vores synspunkter på mængden af overvågning, der skal kræves.”
