כיצד מדענים משתמשים בפיסות זעירות של DNA שנותר כדי לפתור תעלומות חיות בר

לניל ג'ממל יש תוכנית סודית למציאת מקום הימצאה של נסי מפלצת הלוך נס.

תוכן קשור

• המפתח להגנה על החיים על כדור הארץ עשוי להיות ברקוד זה
• בקרוב תוכל לדעת אם דגי האקווריום שלך נתפסו עם ציאניד
• מינים מאוימים? מדע להצלה (גנטית)!
• מדענים יכולים לדעת איזה דגים חיים איפה הם מבוססים על DNA במים

לא, באמת, הוא חשב את זה. אם יש משהו גדול ומוזר בלוך, זה היה משליך תאים מלאים ב- DNA כמו כל דבר אחר. כנראה הרבה מזה. ואף על פי שאין לנו דינו-די-אן-אי בספריית הייחוס לבדיקת דגימות נגד, ג'ממל, פרופסור לגנומיקה באוניברסיטת אוטאגו בניו זילנד, אומר שאנחנו יודעים מספיק איך זה צריך להיראות כדי לדעת אם יש פלזוזאור שחי בסקוטלנד של ימינו.

כל מה שאתה צריך, אם כן, הוא דרך לקבוע אם יש DNA של פלסיוזאור שצף במצולות המימיות האלה. הזן eDNA. לא, זו לא הגרסה האלקטרונית של ה- DNA. במונחים הפשוטים ביותר, eDNA הוא מה שמדענים מכנים כל חומר גנטי שנרכש מהסביבה ולא היצור עצמו. ובעוד שניתן למצוא טכנית eDNA המסתתרת באדמה או באוויר, מים הם אמצעי שימושי במיוחד מכיוון שניתן לאסוף אותם, להתאמץ ולהקטין אותם בקלות.

קח כוס מים מזרם החצר האחורית שלך והחזק אותם אל האור. אותם מים בוציים ומסתחררים מלאים עקבות חיים בלתי נראים. מהבריכה של דג הזהב הזוהר בקניון ועד הגלים המפליגים על שפת הים, כל גוף מים הוא גרעין של תאים מרופדים. יתרה מזאת, מדענים המציאו לאחרונה שיטות שבאמצעותם הם יכולים לנפות את רצפי ה- DNA באותה גרעין כדי להבדיל בין סרטן כחול, לוויתן כחול או אפילו מפלצת Loch Ness - מבלי לפקוח עין על החיה עצמה.

ליתר דיוק, ג'מל לא מהמר על האפשרות למצוא פלסיוזאור בלוך נס. אבל הוא מוכן לבצע הימור על כוחה של eDNA כדי לעזור לנו לתכנן אסטרטגיות שימור חדשות, ואפילו לפתור כמה מהמסתוריות האקולוגיות המתמשכות ביותר של זמננו.

הפוטנציאל הטכני בטכניקה זו הוא עצום: בקרואטיה מדענים משתמשים בה כדי לחפש במערות אחר סלמנדרה מימית עיוורת, המכונה דרקון המערה, או עולם. בדרום-מזרח אמריקה, eDNA מספר לנו עד כמה דו-חיים ענקיים וסודיים הידועים ככובשי גיהינום ירדו על פני טווח ההיסטוריה שלהם. באסיה, החוקרים רק הוכיחו שניתן להשתמש גם ב- eDNA לחקר מדוזות כמו סרפד הים היפני. ובאוסטרליה, מדענים מצאו שניתן להשתמש במבחנים דומים לחקר פעילות ההשרצה במוט המקוואר בסכנת הכחדה.

"אני באמת לא רוצה להתפרסם כבחור שמחפש את מפלצת הלוך נס", אומר ג'ממל. "אבל אני כן חושב שזה וו נהדר לגרום לאנשים לדבר על eDNA."

עצי נחמה ללא יאנג במכון ההידרוביולוגיה תחת האקדמיה הסינית למדעים, בווהאן, מרכז מחוז הוביי הסיני, 10 במאי 2016. אוכלוסיית הערבות חסרת הסופי הנוכחית, על פי מדענים, היא פחות מאלף. (שינהואה / עלמי)

כדי לתת לך מושג איך נראה eDNA, דמיין שאתה מכין לחם ופיזרת חבורה של קמח מעבר לדלפק. אחרי שאתה לוש את הכיכר במשך זמן מה, אותו מעט אבק שנשאר? זה בעצם מה שהוא יכול לחלץ מליטר מים שהוצא מנהר ההדסון, אומר מארק סטוקל, עמית מחקר בכיר בתוכנית לאוניברסיטת רוקפלר לסביבה האנושית. רק eDNA אינו לבן מולבן. הוא חום חום.

ועבור בעלי חיים שאינם היפותטיים כמו נלי, החומר החום-זועף מבטיח אמיתית. עיין בספרות המדעית ותגלה ש- eDNA כבר משמש בכל רחבי העולם כדי להבין טוב יותר את התנהגותם ודינמיקות האוכלוסיה של מינים ביקורתיים.

דוגמא אחת לכך היא הנקבה הבלתי נגמרת של יאנגצה, נושא קשה מאוד ללימוד. בתור התחלה, נותרו פחות מ -1, 050 בעלי חיים, המקנים למין מעמד בסכנת הכחדה על ידי האיחוד הבינלאומי לשימור הטבע. יתרה מזאת, הנקבים (כמו ששמם מרמז) חסרים סנפיר גבי, מה שאומר שהם בקושי שוברים את פני השטח כשמגיעים לנשום, ועורם הוא אותו גוון אפור כהה כמו המים שהם חיים בהם.

"אני יכולה לומר בכנות שמעולם לא ראיתי אחת בטבע, " אומרת קתרין סטיוארט, ביולוגית במכון למגוון ביולוגי של אוניברסיטת אמסטרדם ודינמיקה של מערכת אקולוגית. אבל בזכות eDNA, זה לא מונע את סטיוארט ללמוד את המין הקריפי הזה. "על ידי שימוש ב- eDNA אנו יכולים לקצץ בעלויות ובזמן הדרושים לדגימה מקיפה ומדויקת, שתמיד מהווה דאגה לעבודות שימור, במיוחד במדינות מתפתחות בהן לעתים קרובות עדיפות וכסף נמוכים, " היא אומרת.

בסופו של דבר המטרה היא להבין מהם הגורמים התורמים ביותר לירידת הנקבה - ובמהירות. על פי IUCN, המין נמצא בסכנת הכחדה "גבוהה במיוחד" רק בשלושת הדורות הבאים. "סכרונים, רשתות זימים ותעבורת סירות מוגברת כולם נראים כמו הימורים טובים, אך בהתחשב בכמה קשה לבעלי החיים להתחקות, זה כמעט בלתי אפשרי להבין היכן נמצאים אחיזותיו האחרונות של המין ומה הופך את האזורים הללו למגורים יותר מאשר בשטחי הנחל העצומים שבהם יונקים ימיים נהגו לשגשג.

כעת, סטיוארט פועל לפיתוח דרכים עבור eDNA לא רק לחשוף אם מין קיים או נעדר, אלא כמה שפע זה יכול להיות בנתח מים נתון. לאחר מכן ניתן היה לתאם תוצאות אלה עם מידע אחר - נוכחותם של מינים טרף מסוימים, למשל, או קרבה לאזורים צפופים למגורים אנושיים - כדי לקבוע באילו תנאים יכולת הטובה ביותר לסבול את הנקבה ללא קץ Yangtze.

"ברור שיש הרבה עבודות מכאב שמעבירות אופטימיזציה של טכניקות eDNA למינים וסביבות שונות, " אומר סטיוארט, "אבל לרוב, זה צעד ענק קדימה - מהפכה אם תרצו - לביולוגיה לשימור."

בעוד שנהר ההדסון בניו יורק אולי לא נראה כמו מעוז של מגוון ביולוגי, זהו מערכת אקולוגית מעניינת ומאתגרת במיוחד עבור חוקרי eDNA. (גאווין הלייר / עלמי)

DNA הוא מולקולה של ניגודים. במובנים מסוימים, זה נוקשה באופן מרשים, שורד מאות אלפי שנים שקבורות בסלע מוצק או בטמפרטורות כמעט רותחות שנמצאות ליד פתחי אוורור מים עמוקים בים (אם כי לא, חובבי פארק היורה, כנראה שהוא לא יכול לשרוד בחרקים עטופי ענבר במשך מיליוני שנים). במובנים אחרים, זה שברירי ביותר: DNA יכול גם להיות מפורק על ידי אור שמש, סערת מים וכימיקלים מסוימים.

אבל כשמגיעים אליו, איזו איכות מנצחת?

זו השאלה שסטוקל אוניברסיטת רוקפלר ועמיתיו יצאו לענות בשנה שעברה. הצוות בילה שישה חודשים באיסוף דגימות מים שבועיות משני נהרות העיר ניו יורק כדי לבדוק מה ה- eDNA שבתוכו יכול לספר לנו על מיני הדגים החיים שם. התפוח הגדול אולי לא יכה בעיקר כאחת מבתי הגידול הימיים הבתולים או הצבעוניים ביותר בכדור הארץ, אך סטוקל אומר כי המפגש של כל מה שמים מתוקים ומי מלח הופכים לאזור מחקר מעניין ומאתגר במיוחד לבדיקת eDNA.

סטוקל רצה לדעת: האם ה- DNA כה חזק עד שדגימה של נמל תחזיר מערך מסחרר של מינים מקווי ראש ההרים וגדות הנהר אל שפך החוף, האוקיאנוס הפתוח והים העמוק? או שה- DNA כל כך שביר שהוא נעלם או התדרדר לפני שהספקנו לאסוף אותו ולנתח אותו? מסתבר שהתשובה נעוצה בין לבין.

"לא רק שמצאנו את סוגי הדגים הנכונים, אלא מצאנו אותם בזמן הנכון, " אומר סטוקלה. "בחורף, כשהדייגים יגידו לך שלא כדאי להכניס קו למים, אנחנו מקבלים מעט מאוד או לא eDNA של דגים. ואז, החל מאפריל ומאי, אנו מקבלים התאוששות הולכת וגוברת של DNA של דגים עד אמצע הקיץ כשמגיעים בין 10 ל -15 מינים במדגם ממוצע. "

במילים אחרות, ממצאיו של סטוקל, שפורסמו בכתב העת PLOSONE באפריל השנה, אישרו את מה שכבר ידענו על נדידת דגים בנמלים של ניו יורק: למשל, שבס הים השחור עובר לחוף הים בחורף וחוזר לנמל באביב.

וזה מכריע. בעוד שהמחקר ככל הנראה היה מקבל הרבה יותר כותרות אילו היו מוצאים DNA של תנין המחלחל מהביוב (או נסי!), תוצאות אלה חשובות בהרבה מכיוון שהן צפויות. הסיבה לכך היא eDNA הוא עדיין כלי חדש יחסית, ואם זה ייקח ברצינות, יש לכייל אותו מול הנתונים האמינים שנאספו מהשיטות שהוא עשוי להחליף יום אחד.

אבל אולי ההבטחה הגדולה ביותר שמציעה eDNA? הפוטנציאל של מדענים לערוך מדע מטורף-מגניב בנקודת מחיר מטורפת-זולה.

נוף לנהר המזרחי של ניו יורק, אחד מאתרי האיסוף של סטוקל. (מארק סטוקל)

רוב מה שאנחנו יודעים על נדידת דגים נובע מהשמטת טונות רשתות ובחירת מה שעולה, או שימוש בנגיעות סולריות ליצירת תמונת מצב של המתרחש למטה. בנחלים ונהרות קטנים יותר, מדענים יכולים להשתמש בנדנדים מחושמלים כדי להדהים דגים ויצורים מימיים אחרים, מה שמאפשר להם לערוך סקרים יחסית יסודיים אפילו על היצורים המגניבים ביותר. אבל כל השיטות הללו דורשות שני דברים בכמות גדולה: זמן וכסף.

"כל מי שעושה סקרים על החיים הימיים רוצה להגדיל את התדירות ואת הצפיפות של הדגימה, " אומר ג'סי אואובל, ממקימי ומנהיגי מפקד מפקד החיים הימיים. עם זאת, אוובל אומר כי זה יכול לעלות בין 10, 000 ל -150 אלף דולר ליום כדי לשכור ספינה, מה שמגביל מאוד כמה פעמים מדענים יכולים להרשות לעצמם להפיל את הרשתות שלהם או להפעיל את מכשירי הסונאר שלהם.

"התוצאה היא שיש פערים עצומים במה שאנחנו יודעים", אומר אוובל, שהוא גם מנהל התוכנית לאוניברסיטת רוקפלר לאיכות הסביבה האנושית, שם הוא מוביל את הקבוצה שסטואקל היא חלק ממנה.

למרבה המזל, ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית רצפי DNA הביאה את העלויות הכרוכות במבחני eDNA לכדי $ 50 למדגם. המשמעות היא שמדענים יכולים לאסוף דגימות ולבצע סקרים בתדירות גבוהה הרבה יותר ממה שהם היו יכולים להרשות לעצמם בשיטות ניטור מסורתיות. ובניגוד לזיהוי מין על סמך התכונות הגופניות שלו - מיומנות מסובכת הדורשת המון ניסיון ועדיין יכול לייצר נתונים כוזבים - ניתן לאסוף דגימות eDNA בקלות יחסית על ידי כל מי שקצת אימון ומכל סטרילי.

לבסוף, בניגוד לדיג, סונאר או אלקטרופיש, דגימת eDNA היא כמעט ללא השפעה. זה הופך את הטכניקה למושכת במיוחד עבור סקר מינים שנמצאים כבר על החבלים. מבחינת סטיוארט, זה אחד הדברים הטובים ביותר בשימוש ב- eDNA: זה מאפשר לה לשאול שאלות על חורבות יאנגצה מבלי להוסיף עוד יותר תנועת סירות לבתי הגידול שלהם.

סטיוארט מציין כי eDNA עשוי להיות חשוב במיוחד עבור מדינות מתפתחות, מכיוון שלרוב יש להם רמות גבוהות של אנדמיזם והגברת הסיכון לאובדן מינים, ובמקביל יש להם פחות משאבים להשקעה בשימור. "למרות שאנחנו רוצים להגן על המגוון הביולוגי ככל האפשר, המציאות היא שאנחנו צריכים לקבל החלטות קשות לגבי היכן ואיך לממן שימור, " היא אומרת. ועם eDNA, אנו יכולים לגרום לכספים המוגבלים הללו להתקדם עוד יותר.

יתר על כן, מעבר לשמירת בעלי חיים ידועים, eDNA יכול גם לעזור לביולוגים לחשוף מינים נסתרים ששוחים תחת אפנו. דייוויד לודג ', ביולוג מאוניברסיטת קורנל ומנהל מרכז אטקינסון לעתיד בר-קיימא, מצביע על הפוטנציאל של שימוש בטכניקה זו במערכות אקולוגיות כמו אגם טנגניקה המסיבי אך אפריקני. בעוד החוקרים יודעים שהאגם ​​שופע דגים ציקלידים שונים, ככל הנראה ישנם הרבה יותר מינים שעדיין לא נחשפו.

"אנו מאמינים שנחשוף מגוון אפל - מינים בחיים שמעולם לא תוארו, " אמר לודג 'במהלך פסגת האופטימיות העולמית של סמית'סוניאן, כינוס של אזרחים, מדענים ופעילים, בעלי תחושת שימור, בתחילת החודש.

סטויקל, קרפדת צדפות, מין "מכוער בצורה מקסימה" הנפוצה בנמלים של ניו יורק. (barrierislandnaturalist)

בינתיים, כאלה כמו ג'ממל מעוררים עניין ברעיון. גממל אומר שאחרי כמה ציוצים על השימוש ב- eDNA כדי לחפש את נסי, היה לו עניין רב יותר בעבודת ה- eDNA האמיתית שהוא עושה בניו זילנד בשבועיים האחרונים ממה שהוא ראה בשנתיים של איסוף ובדיקה של דוגמאות מים.

עבודת eDNA אמיתית זו, אגב, כרוכה בשימוש ב- eDNA לאיתור אצות פולשניות וטוניקות לפני שהם יכולים לתפוס את דרכי המים של ניו זילנד. כרגע, אנו מתוודעים ליצורים כאלה רק לאחר שהשתלטו. אבל אם בדיקות eDNA שגרתיות של דרכי מים יגלו את נוכחותם של יצורים כאלה מוקדם מספיק, ייתכן שנוכל להמשיך בהתקפה, לשרש את הפלישות כמעט לפני שהן מתחילות.

לרוע המזל, ציד המפלצות הסקוטי כנראה יצטרך לחכות עד שמישהו ירצה להשתעל במימון כלשהו. אבל סטוקל אומר שהוא אוהב את הרעיון, ואינו רואה מגבלה טכנית מדוע הוא לא יעבוד. "הבעיה היחידה, " אומר סטוקל, "היא האם מפלצת הלוך נס אכן קיימת."

ואם היא לא? זו בעיה שאפילו מדענים המפעילים eDNA לא יכולים לפתור.