Urteaktene som streiferer rundt den afrikanske savannen er enorme, og de spiser mye. Likevel klarer de alle å leve på omtrent samme sted, støttet av det samme tynt vegeterte miljøet. I 2013 ønsket økologer å vite nøyaktig hvordan dette fungerte. Fordi elefanter, sebra, bøffler og impala streifer mange mil for å fôre og ikke er glad i at nysgjerrige mennesker ser på dem spise, var det nesten umulig å finne ut diettene deres.
Forskerne sto, som de så ofte er, til å granske bæsj. Men de fordøyede plantene var umulige å identifisere med menneskelige øyne alene. Så for dette puslespillet vendte de seg mot det som var en relativt ny genetisk teknikk: DNA-strekkoding.
Relatert innhold
- Hva betyr det å være en art? Genetikk endrer svaret
- Hvordan forskere bruker Teeny Bits of Left DNA for å løse dyrelivets mysterier
Økologer tok prøver til laboratoriet og skurte DNAet fra plantrestene, og lette etter ett spesifikt gen kjent som Cytochrome c oxidase I. På grunn av sin beliggenhet i cellens mitokondrier, har genet, kjent som COI kort, en mutasjonsrate omtrent tre ganger den for andre former for DNA. Det betyr at det tydeligere vil vise de genetiske forskjellene mellom til og med veldig nært beslektede organismer, noe som gjør det til en nyttig måte å drille fra hverandre arter i grupper fra fugler til sommerfugler - som taggen på innsiden av skjorta eller strekkode i en matbutikk.
For denne geniale metoden, passende referert til som DNA-strekkoding, kan vi takke en genetiker som fant seg lei av de "stressende" og tidkrevende metodene for tradisjonell taksonomi. Paul Hebert, en molekylærbiolog ved University of Guelph i Canada, minner om en våt, overskyet natt som han tilbrakte å samle insekter i et ark som postdoktor i New Guinea.
"Da vi sorterte dem morfologisk dagen etter, innså vi at det var tusenvis av arter som hadde kommet inn, " sier Hebert. Mange hadde så vidt han kunne fortalt aldri blitt beskrevet av vitenskapen. "Jeg skjønte at jeg en dag hadde møtt nok prøver til å holde meg opptatt en natt til resten av livet, " sier han.
Hebert fortsetter: "Det var i det øyeblikket at jeg ganske ... innså at morfologisk taksonomi ikke kunne være måten å registrere livet på planeten vår." Han ga bort eksempelsamlingene sine og gikk videre til annen forskning innen arktisk evolusjonært biologi— "det laveste artsmangfoldet jeg kunne finne, " med hans ord - men temaet for å måle jordens biologiske mangfold satte seg alltid bak i hodet.
Teknologi fortsatte å avansere på midten av 1990-tallet, slik at forskere kunne isolere og analysere mindre og mindre biter av DNA. Hebert, som jobbet i Australia som en besøkende forsker, bestemte seg for å begynne å "leke" og sekvensere DNA fra forskjellige organismer og søke etter en enkelt sekvens som lett kunne isoleres og brukes til å skille arter raskt. "Jeg slo meg til ro med denne ene mitokondrielle genregionen som effektiv i mange tilfeller, " sier han. Det var COI.
Hebert bestemte seg for å teste metoden sin i sin egen hage, ved å samle score til insekter og strekkode dem. Han fant ut at han lett kunne skille feilene. "Jeg tenkte 'Hei, hvis det fungerer på 200 arter i bakgården min, hvorfor fungerer den ikke på planeten?"
Og det har det med noen unntak.
Ved hjelp av denne teknikken var forskerne i savanne-studien i 2013 i stand til å sette sammen de forskjellige diettene til disse sameksisterende dyrene. "Vi kunne fortelle alt dyrene spiste fra å strecke kodene sine, " sier W. John Kress, botanikurator ved Smithsonians National Museum of Natural History, som samarbeidet om studien. Ved å informere naturforvaltere og forskere nøyaktig hva gress hvert dyr fôrer på, kan disse resultatene ha direkte innvirkning på utformingen av nye verneområder for disse dyrene, sier Kress.
Det ga også økologer et større bilde av hvordan hele økosystemet fungerer sammen. "Nå kan du se hvordan disse artene faktisk sameksisterer i savannen, " sier Kress. I dag endres ideen om hva som gjør en art, takket være DNA-strekkoding og andre genetiske teknikker.
Det ser kanskje ikke så mye ut, grønnsaksmessig. Men på en eller annen måte støtter den afrikanske savannen en rekke ikoniske planteetere. DNA-strekkoding er med på å vise hvordan. (Cultura RM / Alamy) Siden Darwins dager har taksonomer siktet ut arter basert på hva de kunne observere. Dvs hvis det ser ut som en and, går som en and og høres ut som en and - kast den i andhaugen. Fremkomsten av DNA-sekvensering på 1980-tallet endret spillet. Ved å lese den genetiske koden som gjør en organisme til hva den er, kunne forskere skaffe seg ny innsikt i artens evolusjonshistorie. Å sammenligne millioner eller milliarder av basepar som utgjør genomet, kan imidlertid være et dyrt og tidkrevende forslag.
Med en markør som Cytochrome c oxidase I, kan du finne disse distinksjonene raskere og mer effektivt. Strekkoding kan fortelle deg i løpet av timer - som er hvor lang tid det tar å sekvensere en DNA-strekkode i et velutstyrt molekylærbiologilaboratorium - at to arter som ser nøyaktig like ut på overflaten er vesentlig forskjellige på genetisk nivå. Akkurat i fjor brukte forskere i Chile DNA-strekkoding for å identifisere en ny bieart som insektforskere hadde savnet de siste 160 årene.
I samarbeid med Hebert har eksperter som National Museum of Natural History entomology curator John Burns vært i stand til å skille mange organismer som en gang ble antatt å være den samme arten. Fremskritt i teknikken gjør det nå mulig for forskere å strekkode museumseksempler fra 1800-tallet, sier Burns, og åpner muligheten for å klassifisere lang bosatte artsdefinisjoner. Et år etter at Hebert skisserte DNA-strekkoding, brukte Burns det selv for å identifisere et slikt tilfelle - en sommerfuglart identifisert på 1700-tallet som viste seg å være 10 separate arter.
Å feste ned skumle artsdefinisjoner har forgreninger utenfor akademia. Det kan gi forskere og lovgivere en bedre følelse av artenes antall og helse, avgjørende informasjon for å beskytte dem, sier Craig Hilton-Taylor, som leder av International Union for the Conservation of Nature's "Red List." Mens organisasjonen er avhengig av forskjellige grupper av eksperter som kan jobbe fra forskjellige perspektiver på hvordan de best kan definere en art, har DNA-strekkoding hjulpet mange av disse gruppene mer nøyaktig å skille mellom forskjellige arter.
"Vi ber dem tenke på alle de nye genetiske bevisene som kommer frem nå, " sier Hilton-Taylor om IUCNs prosedyrer i dag.
Mens den var nyskapende hadde den originale strekkodeteknikken begrensninger. For eksempel fungerte det bare på dyr, ikke planter fordi COI-genet ikke muterte raskt nok i planter. I 2007 bidro Kress til å utvide Heberts teknikk ved å identifisere andre gener som muteres på samme måte raskt i planter, slik at studier som savannen kunne finne sted.
Kress husker hvordan han og en tidligere kollega fra hans, University of Connecticut-økolog Carlos García-Robledo, startet i 2008, med DNA-strekkoding for å sammenligne de forskjellige plantene som forskjellige insektarter matet på i den Costa Rica regnskogen. De var i stand til å samle insekter, slipe dem opp og raskt sekvensere DNA fra tarmen for å bestemme hva de spiste.
Tidligere ville García-Robledo og andre forskere måttet nøye følge insekter rundt og dokumentere dietten. Garcá-Robledo sa til Smithsonian Insider i et 2013-intervju. "Det kan ta år for en forsker å forstå diettene til et samfunn med insektplante i en tropisk regnskog uten hjelp av DNA-strekkoder."
De har siden vært i stand til å utvide denne forskningen ved å se på hvordan antall arter og dietter skiller seg fra hverandre i forskjellige høydedrag, og hvordan stigende temperaturer fra klimaendringer kan påvirke dette ettersom arter tvinges til å bevege seg høyere og høyere. "Vi har utviklet et helt, sammensatt nettverk av hvordan insekter og planter samhandler, noe som var umulig å gjøre før, " sier Kress.
"Plutselig, på en mye enklere måte, ved å bruke DNA, kunne vi faktisk spore, kvantifisere og gjenta disse eksperimentene og forstå disse tingene på en mye mer detaljert måte, " legger han til. Kress og andre forskere bruker nå også strekkoding for å analysere jordprøver for samfunn av organismer som bor i dem, sier han. Barcoding løfter også for å hjelpe til med å identifisere rester av genetisk materiale som finnes i miljøet.
"For økologer, " sier Kress, "DNA-strekkoding er virkelig å åpne for en helt annen måte å spore ting på i naturtyper der vi ikke kunne spore dem før."
Ved å la forskere granske ett spesifikt gen i stedet for å måtte sekvensere hele genomer og sammenligne dem, hadde Hebert håpet at metoden hans ville tillate genetisk analyse og identifikasjon å bli utført mye raskere og billigere enn full sekvensering. "De siste 14 årene har vist at det fungerer mye mer effektivt og at det er mye enklere å implementere enn jeg forventet, " sier han nå.
Men han ser fortsatt rom for fremgang. "Vi kjemper virkelig med mangelfulle data når det gjelder artsforekomst og fordeling, " sier Hebert om naturvernere nå. Rask forbedring av teknologi for å analysere DNA-prøver raskere og med mindre materiale som kreves parret med DNA-strekkoding gir en vei ut, sier Hebert, med moderne skannere som allerede er i stand til å lese hundrevis av millioner basepar i timer, sammenlignet med de tusenvis av basepar som kunne leses på samme tid av tidligere teknologi.
Hebert ser for seg en fremtid der DNA blir samlet inn og sekvensert automatisk fra sensorer over hele verden, slik at bevaringseksperter og taksonomister får tilgang til store mengder data om helse og distribusjon av forskjellige arter. Han jobber nå for å organisere et verdensomspennende bibliotek med DNA-strekkoder som forskere kan bruke for å raskt identifisere et ukjent eksemplar - noe som en ekte Pokedex.
“Hvordan ville du forutsi klimaendringer hvis du hadde lest temperaturen på et tidspunkt på planeten eller en dag i året?” Påpeker Hebert. "Hvis vi kommer til å bli seriøse når det gjelder bevaring av biologisk mangfold, må vi bare skifte synspunkter fullstendig om hvor mye overvåking det vil være nødvendig."
