Травоядные, которые бродят по африканской саванне, массивны и много едят. Тем не менее, каким-то образом им всем удается жить примерно в одном и том же месте, поддерживаемом одной и той же редкой растительностью. В 2013 году экологи хотели точно знать, как это работает. Однако, поскольку слоны, зебры, буйволы и импалы бродят много миль, чтобы накормить и не любят любопытных людей, наблюдающих за тем, как они едят, было почти невозможно определить их диеты.
Исследователям оставалось, как это часто бывает, тщательно изучать корма. Но переваренные растения невозможно было определить одним человеческим глазом. Таким образом, для этой загадки они обратились к тому, что было относительно новым генетическим методом: штрих-кодирование ДНК.
Связанный контент
- Что значит быть видовым? Генетика меняет ответ
- Как ученые используют крошечные остатки ДНК, чтобы разгадать тайны дикой природы
Экологи взяли образцы в лабораторию и исследовали ДНК растительных остатков в поисках одного специфического гена, известного как цитохром с оксидаза I. Из-за своего расположения в митохондриях клетки, ген, кратко известный как ИСП, имеет примерно частоту мутаций. в три раза больше, чем у других форм ДНК. Это означает, что он будет более отчетливо показывать генетические различия даже между очень тесно связанными организмами, что делает его полезным способом дразнить виды в группах от птиц до бабочек - например, бирки на внутренней стороне вашей рубашки или штрих-кода в продуктовом магазине.
За этот оригинальный метод, метко называемый ДНК-штрихкодированием, мы можем поблагодарить одного генетика, которому надоели «стрессовые» и трудоемкие методы традиционной таксономии. Пол Хеберт, молекулярный биолог в Университете Гвельфа в Канаде, вспоминает одну влажную облачную ночь, которую он провел, собирая насекомых на листе в качестве постдокторского исследователя в Новой Гвинее.
«Когда мы на следующий день морфологически отсортировали их, мы поняли, что вошли тысячи видов», - говорит Хеберт. Многие, насколько он мог судить, никогда не были описаны наукой. «Однажды ночью я понял, что натолкнулся на достаточно много образцов, чтобы занять меня на всю оставшуюся жизнь», - говорит он.
Хеберт продолжает: «Именно в этот момент я в значительной степени… понял, что морфологическая таксономия не может быть способом регистрации жизни на нашей планете». Он раздал свои коллекции образцов и перешел к другим исследованиям в эволюционной биологии Арктики - «места обитания самого низкого видового разнообразия, которые я мог найти», по его словам, - но тема измерения биоразнообразия Земли всегда оставалась у него в голове.
Технология продолжала развиваться в середине 1990-х годов, что позволило исследователям изолировать и анализировать все меньшие и меньшие фрагменты ДНК. Хеберт, который работал в Австралии в качестве приглашенного исследователя, решил начать «разыгрывать» последовательность ДНК различных организмов и искать единственную последовательность, которую можно легко выделить и использовать для быстрого различения видов. «Я остановился на этом одном митохондриальном генном регионе как на эффективном во многих случаях», - говорит он. Это была ИСП.
Хеберт решил проверить свой метод на собственном заднем дворе, собирая множество насекомых и штрихкодируя их. Он обнаружил, что может легко распознать ошибки. «Я подумал:« Эй, если он работает на 200 видах на моем заднем дворе, почему он не работает на планете? »
И, за некоторыми исключениями, это так.
Используя эту технику, исследователи в исследовании саванны 2013 года смогли собрать воедино разнообразные диеты этих сосуществующих животных. «Мы могли бы рассказать все, что ели животные, по штрих-кодам своих скатов», - говорит У. Джон Кресс, куратор ботаники в Смитсоновском национальном музее естественной истории, который участвовал в исследовании. По словам Кресс, эти результаты «могут оказать непосредственное влияние на разработку новых охраняемых территорий для этих животных», информируя менеджеров по дикой природе и ученых о том, какими травами питается каждое животное.
Это также дало экологам большую картину того, как вся экосистема работает вместе. «Теперь вы можете видеть, как эти виды на самом деле сосуществуют в саванне», - говорит Кресс. Сегодня сама идея того, что делает вид, меняется благодаря штрих-кодированию ДНК и другим генетическим методам.
Это не очень похоже на зелень. Но почему-то африканская саванна поддерживает множество знаковых травоядных. Штрих-код ДНК помогает показать, как. (Культура РМ / Алами) Со времен Дарвина таксономисты отсеивали виды, основываясь на том, что они могли наблюдать. Т.е. если оно похоже на утку, ходит как утка и звучит как утка - бросьте ее в груду утки. Появление последовательности ДНК в 1980-х изменило игру. Теперь, читая генетический код, который делает организм таким, какой он есть, ученые могут получить новое понимание эволюционной истории видов. Однако сравнение миллионов или миллиардов пар оснований, составляющих геном, может оказаться дорогостоящим и трудоемким предложением.
С таким маркером, как цитохром с оксидаза I, вы можете определить эти различия быстрее и эффективнее. Штриховое кодирование может сказать вам за считанные часы - то есть, сколько времени занимает последовательность ДНК-штрих-кода в хорошо оборудованной лаборатории молекулярной биологии - что два вида, которые выглядят абсолютно одинаково на поверхности, существенно отличаются на генетическом уровне. Только в прошлом году ученые в Чили использовали штрих-кодирование ДНК, чтобы идентифицировать новый вид пчел, который пропустили исследователи насекомых за последние 160 лет.
Работая с Гебертом, такие эксперты, как куратор энтомологии Национального музея естественной истории Джон Бернс, смогли выделить многие организмы, которые когда-то считались одним и тем же видом. По словам Бернса, достижения в технике позволяют исследователям создавать штрих-коды музейных экспонатов 1800-х годов, открывая возможность реклассификации давних определений видов. Через год после того, как Геберт описал штрих-кодирование ДНК, Бернс сам использовал его, чтобы идентифицировать один такой случай - вид бабочки, идентифицированный в 1700-х годах, который на самом деле оказался 10 отдельными видами.
Закрепление определений мутных видов имеет разветвления за пределами академических кругов. По словам Крейга Хилтона-Тейлора, который руководит «Красным списком» Международного союза охраны природы, он может дать ученым и законодателям лучшее представление о количестве и здоровье видов, а также о важной информации для их защиты. В то время как организация полагается на разные группы экспертов, которые могут по-разному работать над определением вида, штрих-кодирование ДНК помогло многим из этих групп более точно различать разные виды.
«Мы просим их подумать обо всех новых генетических доказательствах, которые появятся сейчас», - говорит Хилтон-Тейлор о процедурах МСОП сегодня.
Несмотря на новаторство, оригинальная методика штрих-кодирования имела ограничения. Например, он работал только на животных, а не на растениях, потому что ген COI не достаточно быстро мутировал в растениях. В 2007 году Кресс помог расширить технику Геберта, выявив другие гены, которые так же быстро мутируют в растениях, что позволило провести такие исследования, как саванна.
Кресс вспоминает, как, начиная с 2008 года, он и его бывший коллега, эколог из Университета Коннектикута Карлос Гарсия-Робледо, использовали штрих-кодирование ДНК для сравнения различных растений, которыми питались различные виды насекомых в тропических лесах Коста-Рики. Они смогли собрать насекомых, размолоть их и быстро отделить ДНК от кишок, чтобы определить, что они едят.
Ранее Гарсия Робледо и другие ученые должны были утомительно следить за насекомыми и документировать свои диеты. «Исследователю могут потребоваться годы, чтобы полностью понять диету сообщества травоядных насекомых в тропических лесах без помощи штрих-кодов ДНК», - сказал Гарка Робледо в интервью Smithsonian Insider в 2013 году.
С тех пор они смогли расширить это исследование, посмотрев на то, как количество видов и их диеты различаются на разных высотах, и как повышение температуры в результате изменения климата может повлиять на это, когда виды вынуждены двигаться все выше и выше. «Мы разработали целую, сложную сеть взаимодействия насекомых и растений, что раньше было невозможно», - говорит Кресс.
«Внезапно, намного проще, используя ДНК, мы на самом деле можем отслеживать, количественно и повторять эти эксперименты и понимать эти вещи гораздо более детально», - добавляет он. Кресс и другие исследователи в настоящее время также используют штрих-кодирование для анализа образцов почвы для сообществ организмов, которые их населяют, говорит он. Штриховое кодирование также обещает помочь в идентификации остатков генетического материала, обнаруженного в окружающей среде.
«Для экологов, - говорит Кресс, - штрих-кодирование ДНК действительно открывает совершенно другой способ отслеживания вещей в местах обитания, где мы не могли их отследить раньше».
Позволив ученым тщательно исследовать один конкретный ген вместо того, чтобы упорядочивать целые геномы и сравнивать их, Хеберт надеялся, что его метод позволит проводить генетический анализ и идентификацию гораздо быстрее и дешевле, чем полное секвенирование. «Последние 14 лет показали, что он работает гораздо эффективнее, и его реализация намного проще, чем я ожидал», - говорит он сейчас.
Но он все еще видит пространство для прогресса. «Мы действительно сталкиваемся с неадекватными данными с точки зрения численности и распределения видов», - говорит Хеберт о защитниках природы. По словам Хеберта, быстрое совершенствование технологии для более быстрого анализа образцов ДНК с меньшими затратами материала в сочетании со штрих-кодированием ДНК дает выход из положения, поскольку современные сканеры уже способны считывать сотни миллионов пар оснований в часах по сравнению с тысячами пар оснований, которые могут быть прочитанным в то же время по более ранней технологии.
Хеберт предвидит будущее, в котором ДНК будет собираться и автоматически секвенироваться с датчиков по всему миру, что позволит защитникам природных ресурсов и таксономистам получить доступ к огромным объемам данных о здоровье и распространении различных видов. Сейчас он работает над созданием всемирной библиотеки штрих-кодов ДНК, которую ученые могут использовать для быстрой идентификации неизвестного образца - что-то вроде реального Pokedex.
«Как бы вы прогнозировали изменение климата, если бы вы читали температуру в одной точке планеты или один день в году?», - подчеркивает Хеберт. «Если мы собираемся серьезно относиться к сохранению биоразнообразия, нам просто нужно полностью изменить наши взгляды на объем мониторинга, который потребуется».
