Bylinožravci, kteří se potulují po africké savaně, jsou masivní a hodně jedí. Přesto se jim nějak podaří žít na zhruba stejném místě, podporovaném stejným řídce vegetovaným prostředím. V roce 2013 chtěli ekologové přesně vědět, jak to funguje. Protože se však sloni, zebra, buvoli a impala toulají mnoho kilometrů ke krmení a nemají rádi zvědaví lidé, kteří je sledují, jak jíst, bylo téměř nemožné zjistit jejich stravu.
Vědci byli ponecháni, tak často, zkoumat hovno. Trávené rostliny však nebylo možné identifikovat pouze lidskýma očima. Takže pro tuto hádanku se obrátili na to, co byla relativně nová genetická technika: DNA čárový kód.
Související obsah
- Co to znamená být druhem? Genetika mění odpověď
- Jak vědci používají drobné zbytky DNA k vyřešení záhad divočiny
Ekologové odebrali vzorky do laboratoře a prohledali zbytky DNA rostlin a hledali jeden specifický gen známý jako cytochrom c oxidáza I. Díky jeho poloze v mitochondriích v buňce má gen známý jako COI krátce mutační rychlost zhruba třikrát více než u jiných forem DNA. To znamená, že to zřetelněji ukáže genetické rozdíly mezi dokonce velmi blízce příbuznými organismy, což z něj činí užitečný způsob, jak dráždit druhy ve skupinách od ptáků po motýly - jako je značka na vnitřní straně vaší košile nebo čárový kód obchodu s potravinami.
Za tuto geniální metodu, vhodně označovanou jako DNA čárová kódování, můžeme poděkovat jednomu genetikovi, který se ocitl ve stavu „stresujících“ a časově náročných metod tradiční taxonomie. Paul Hebert, molekulární biolog na University of Guelph v Kanadě, si vzpomíná na jednu mokrou, zataženou noc, kterou strávil sběrem hmyzu v listu jako postdoktorandský výzkumník v Nové Guineji.
"Když jsme je morfologicky třídili druhý den, uvědomili jsme si, že sem přišly tisíce druhů, " říká Hebert. Mnoho, pokud dokázal říci, nebylo vědou nikdy popsáno. "V tu noc jsem si uvědomil, že jsem potkal dost vzorků, abych se po zbytek života držel práce, " říká.
Hebert pokračuje: „Právě v tu chvíli jsem si docela dobře… uvědomil, že morfologická taxonomie nemůže být způsobem, jak zaregistrovat život na naší planetě.“ Rozdával své sbírky vzorků a pokračoval v dalším výzkumu arktické evoluční biologie - „stanoviště s nejnižší druhovou rozmanitostí, které jsem mohl najít“, ale podle jeho slov stále přetrvávalo téma měření biologické rozmanitosti Země.
Technologie pokračovala v pokroku v polovině 90. let, což vědcům umožnilo izolovat a analyzovat menší a menší kousky DNA. Hebert, který pracoval v Austrálii jako hostující výzkumný pracovník, se rozhodl zahájit „hraní“ sekvenování DNA různých organismů a hledání jediné sekvence, kterou lze snadno izolovat a použít k rychlému rozlišení druhů. "Usoudil jsem, že tato jedna mitochondriální genová oblast je v mnoha případech účinná, " říká. To bylo COI.
Hebert se rozhodl vyzkoušet svou metodu na svém vlastním dvorku sbíráním mnoha druhů hmyzu a jejich čárovým kódováním. Zjistil, že dokáže snadno rozlišit chyby. "Myslel jsem si 'Hej, jestli to funguje na 200 druzích na mém dvorku, proč to nebude fungovat na planetě?"
A až na některé výjimky ano.
Pomocí této techniky dokázali vědci ve studii savany v roce 2013 spojit rozmanitou stravu těchto koexistujících zvířat. „Dalo by se říct, že všechno, co zvířata jedla, z čárových kódů svých šupin, “ říká W. John Kress, kurátor botaniky v Smithsonianově Národním přírodovědném muzeu, který spolupracoval na studii. Tím, že přesně informují manažery a vědce o divoké zvěře, na jaké trávy se každé zvíře živí, by tyto výsledky „mohly mít přímý dopad na navrhování nových chráněných oblastí pro tato zvířata, “ říká Kress.
Ekologům také poskytl větší obrázek o tom, jak celý ekosystém spolupracuje. „Teď můžete vidět, jak tyto druhy ve savaně skutečně koexistují, “ říká Kress. Dnes se samotná představa o tom, co dělá druh, mění díky DNA kódování a jiným genetickým technikám.
Nemusí to vypadat jako moc zeleně. Africká savana však nějak podporuje celou řadu ikonických býložravců. Čárový kód DNA pomáhá ukázat jak. (Cultura RM / Alamy) Od dob Darwina taxonomové prosadili druhy na základě toho, co mohli pozorovat. Tj., Když to vypadá jako kachna, chodí jako kachna a zní jako kachna - hodit ji do hromady kachen. Příchod DNA sekvenování v 80. letech změnil hru. Nyní, když si vědci přečtou genetický kód, díky kterému je organismus tím, čím je, mohou získat nové poznatky o evoluční historii druhu. Srovnání miliónů nebo miliard párů bází, které tvoří genom, však může být nákladný a časově náročný návrh.
Pomocí markeru, jako je cytochrom c oxidáza I, můžete tyto rozdíly určit rychleji a efektivněji. Čárové kódování vám může během několika hodin říct - jak dlouho trvá sekvenování čárového kódu DNA v dobře vybavené laboratoři molekulární biologie - že dva druhy, které vypadají přesně na povrchu, se na genetické úrovni podstatně liší. Teprve v loňském roce vědci v Chile použili čárové kódy DNA k identifikaci nového druhu včel, které vědci hmyzu minul 160 let.
Ve spolupráci s Hebertem byli odborníci jako kurátor entomologie Národního muzea přírodní historie John Burns schopni rozlišit mnoho organismů, které byly kdysi považovány za stejný druh. Pokroky v této technice nyní umožňují výzkumníkům snímat vzorky čárových kódů z 18. století, říká Burns, což otevírá možnost překlasifikovat definice dlouho usazených druhů. Rok poté, co Hebert nastínil čárové kódy DNA, použil Burns sám sebe, aby identifikoval jeden takový případ - druh motýla identifikovaný v 17. století, který se ukázal jako skutečně 10 samostatných druhů.
Definice temných druhů má důsledky mimo akademickou půdu. Může vědcům a zákonodárcům poskytnout lepší pocit o počtu a zdraví druhů, což jsou zásadní informace pro jejich ochranu, říká Craig Hilton-Taylor, který řídí „Červený seznam“ Mezinárodní unie pro ochranu přírody. I když se organizace spoléhá na různé skupiny odborníků, kteří mohou pracovat z různých perspektiv na tom, jak nejlépe definovat druh, čárový kód DNA pomohl mnoha z těchto skupin přesněji rozlišovat mezi různými druhy.
„Žádáme je, aby přemýšleli o všech nových genetických důkazech, které nyní přicházejí, “ říká Hilton-Taylor o postupech IUCN dnes.
Původní technika čárových kódů byla sice inovativní, ale měla omezení. Například to fungovalo pouze na zvířatech, nikoli na rostlinách, protože gen COI nemutoval dostatečně rychle v rostlinách. V roce 2007 pomohl Kress rozšířit Hebertovu techniku tím, že identifikoval další geny, které mutují podobně rychle v rostlinách, což umožnilo provádět studie jako savana.
Kress si vzpomíná, jak od roku 2008 on a bývalý kolega jeho ekologa z University of Connecticut Carlos García-Robledo použili k porovnávání různých rostlin, které různé druhy hmyzu živily v Kostarickém deštném pralese, čárový kód DNA. Byli schopni sbírat hmyz, rozdrtit je a rychle sekvenovat DNA ze svých vnitřností, aby určili, co jedli.
Dříve by García-Robledo a další vědci museli únavně sledovat hmyz a dokumentovat jejich stravu. "Výzkumníkovi může trvat roky, než plně pochopí stravu komunity hmyzu býložravců v tropickém deštném pralese bez pomoci čárových kódů DNA, " řekl Garcá-Robledo Smithsonian Insider v rozhovoru pro 2013.
Od té doby byli schopni rozšířit tento výzkum tím, že se podívali na to, jak se počet druhů a jejich strava liší v různých nadmořských výškách a jak to může mít vliv rostoucí teploty způsobené změnou klimatu, protože druhy jsou nuceny pohybovat se výš a výš. "Vyvinuli jsme celou komplexní síť vzájemného působení hmyzu a rostlin, což nebylo dříve možné udělat, " říká Kress.
"Najednou, mnohem jednodušším způsobem, pomocí DNA, jsme mohli tyto experimenty skutečně sledovat, kvantifikovat a opakovat a porozumět těmto věcem mnohem podrobnějším způsobem, " dodává. Kress a další vědci nyní také používají čárové kódy k analýze vzorků půdy pro společenství organismů, které je obývají. Čárové kódy také slibují, že pomáhají identifikovat zbytky genetického materiálu nalezeného v prostředí.
"Pro ekology, " říká Kress, "DNA čárový kód skutečně otevírá úplně jiný způsob sledování věcí na stanovištích, kde jsme je dříve nemohli sledovat."
Tím, že vědcům umožnil zkoumat jeden konkrétní gen místo toho, aby museli sekvenovat celé genomy a srovnávat je, Hebert doufal, že jeho metoda umožní, aby genetická analýza a identifikace byly prováděny mnohem rychleji a levněji než úplné sekvenování. „Posledních 14 let ukázalo, že funguje mnohem efektivněji a implementace je mnohem jednodušší, než jsem očekával, “ říká nyní.
Stále však vidí prostor pro pokrok. "Opravdu se potýkáme s nedostatečnými údaji, pokud jde o početnost a rozšíření druhů, " říká Hebert nyní o ochráncích přírody. Rychle se zlepšující technologie pro analýzu vzorků DNA rychleji as méně potřebným materiálem ve spojení s čárovým kódováním DNA nabízí cestu ven, říká Hebert, s moderními skenery, které jsou již schopny přečíst stovky milionů párů bází za hodiny, ve srovnání s tisíci párů bází, které by mohly ve stejné době číst dřívější technologií.
Hebert předvídá budoucnost, kdy je DNA shromažďována a sekvenována automaticky ze senzorů po celém světě, což umožňuje památkářům a taxonomům přístup k obrovskému množství údajů o zdraví a distribuci různých druhů. Nyní pracuje na organizaci celosvětové knihovny čárových kódů DNA, které mohou vědci použít k rychlé identifikaci neznámého exempláře - něco jako Pokedex v reálném životě.
"Jak byste předpovídali změnu klimatu, kdybyste odečítali teplotu v jednom bodě na planetě nebo jeden den v roce?" Podotýká Hebert. "Pokud budeme brát ohled na ochranu biologické rozmanitosti vážně, musíme zcela změnit názor na množství monitorování, které bude vyžadováno."
