המפתח להגנה על החיים על כדור הארץ עשוי להיות ברקוד זה

אוכלי העשב השוטטים בסוואנה האפריקאית הם מאסיביים, והם אוכלים המון. אולם איכשהו, כולם מצליחים לחיות באותו מקום בערך, נתמך על ידי אותה סביבה צמחונית. בשנת 2013, אקולוגים רצו לדעת בדיוק איך זה עובד. עם זאת, מכיוון שפילים, זברה, תאו ואימפלה מסתובבים קילומטרים רבים כדי להאכיל ואינם אוהבים שבני אדם חטטניים צופים בהם אוכלים, כמעט ולא ניתן היה להבין את הדיאטות שלהם.

החוקרים נותרו, כפי שהם לעתים קרובות כל כך, לבחון את הקקי. אך אי אפשר היה לזהות את הצמחים המעוכלים על ידי עיני האדם בלבד. אז לפאזל זה הם פנו למה שהיה טכניקה גנטית חדשה יחסית: ברקוד DNA.

תוכן קשור

• מה המשמעות של להיות מין? הגנטיקה משנה את התשובה
• כיצד מדענים משתמשים בפיסות זעירות של DNA שנותר כדי לפתור תעלומות חיות בר

אקולוגים לקחו דגימות למעבדה וגילו את ה- DNA של שרידי הצמח, וחיפשו גן ספציפי אחד המכונה ציטוכרום c אוקסידאז I. בגלל מיקומו במיטוכונדריה של התא, לגן, המכונה COI בקיצור, יש שיעור מוטציה בערך פי שלושה מזו של צורות אחרות של DNA. המשמעות היא שהיא תציג בצורה ברורה יותר את ההבדלים הגנטיים בין אורגניזמים אפילו מאוד קשורים מאוד, מה שהופך את זה לדרך שימושית להקניט מינים בקבוצות מעופות לפרפרים - כמו התג בחלק הפנימי של החולצה שלך, או ברקוד בחנויות מכולת.

על שיטה גאונית זו, המכונה גם בר-קידוד DNA, אנו יכולים להודות לגנטיקאי אחד שמצא את עצמו מאס בשיטות ה"לחוצות "והזמן רב של הטקסונומיה המסורתית. פול הברט, ביולוג מולקולרי מאוניברסיטת גאלף בקנדה, נזכר בלילה רטוב ומעונן אחד שהוא בילה באיסוף חרקים בסדין כחוקר פוסט-דוקטורט בגינאה החדשה.

"כשמייןנו אותם בצורה מורפולוגית למחרת, הבנו שיש אלפי מינים שנכנסו", אומר Hebert. רבים, עד כמה שיכול היה לדעת, מעולם לא תוארו על ידי המדע. "הבנתי באותו לילה אחד שנתקלתי בדגימות מספיקות כדי להעסיק אותי עד סוף חיי", הוא אומר.

הייברט ממשיך: "זה היה באותו הרגע שדי די ... הבנתי שטקסונומיה מורפולוגית לא יכולה להיות הדרך לרשום את החיים בכוכב הלכת שלנו." הוא חילק את אוספי הדגימה שלו ועבר למחקר אחר בביולוגיה ארקטית-ארקטית - לדבריו - "בתי הגידול הנמוכים ביותר במינים המגוונים הנמוכים ביותר למצוא", אך נושא מדידת המגוון הביולוגי של כדור הארץ תמיד השתרך בחלק האחורי של מוחו.

הטכנולוגיה המשיכה להתקדם באמצע שנות התשעים, ואיפשרה לחוקרים לבודד ולנתח חלקי DNA קטנים יותר וקטנים יותר. הברט, שעבד באוסטרליה כחוקר אורח, החליט להתחיל "לשחק סביב" ברצף ה- DNA של אורגניזמים שונים ולחפש רצף אחד שניתן לבודד בקלות ולהשתמש בו כדי להבדיל במהירות בין מינים. "הסתפקתי באיזור הגנים המיטוכונדריאלי הזה כיעיל במקרים רבים, " הוא אומר. זה היה COI.

הברט החליט לבדוק את שיטתו בחצר האחורית שלו, על ידי איסוף עשרות חרקים וקודקודם. הוא גילה שהוא יכול להבחין באגים בקלות. "חשבתי 'היי, אם זה עובד על 200 מינים בחצר האחורית שלי למה זה לא יעבוד על הפלנטה?'

ויש לכך כמה חריגים.

בעזרת טכניקה זו הצליחו החוקרים במחקר הסוואנה לשנת 2013 לחבר את הדיאטות המגוונות של בעלי חיים אלה המצויים בדו-קיום. "יכולנו לספר את כל מה שהחיות אכלו מביצוע קידוד סקאטים שלהם", אומר וו. ג'ון קרס, אוצר בוטניקה במוזיאון הטבע ההיסטורי של סמיתסוניאן, ששיתף פעולה במחקר. על ידי יידוע מנהלי חיות בר ומדענים במדויק על אילו עשבים אוכלים כל בעלי חיים, תוצאות אלו "יכולות להיות בעלות השפעה ישירה על תכנון אזורי שימור חדשים עבור בעלי חיים אלה", אומר קרס.

זה גם נתן לאקולוגים תמונה גדולה יותר של האופן שבו המערכת האקולוגית כולה עובדת יחד. "עכשיו אתה יכול לראות איך המינים האלה מתקיימים בדו-קיום בסוואנה", אומר קרס. כיום עצם הרעיון של הגורם למין משתנה, הודות לקידוד DNA וטכניקות גנטיות אחרות.

זה אולי לא נראה כמו הרבה יותר, חכם-ירק. אבל איכשהו, הסוואנה האפריקאית תומכת במגוון עשבוני איקונים. קידוד DNA מסייע להראות כיצד. (Cultura RM / Alamy)

מאז ימי דארווין, טקסונומיסטים חילקו מינים על סמך מה שיכלו לצפות. כלומר אם זה נראה כמו ברווז, הולך כמו ברווז ונשמע כמו ברווז - זרוק אותו לערמת הברווז. הופעת רצף ה- DNA בשנות השמונים שינתה את המשחק. כעת, על ידי קריאת הקוד הגנטי שהופך את האורגניזם למה שהוא, מדענים יכולים לצבור תובנות חדשות על ההיסטוריה האבולוציונית של המינים. עם זאת, השוואה בין מיליוני או מיליארדי זוגות הבסיס המרכיבים את הגנום יכולה להיות הצעה יקרה וארוכה זמן.

בעזרת סמן כמו Cytochrome c oxidase I, תוכלו לאתר את ההבחנות הללו במהירות וביעילות רבה יותר. ברקודינג יכול לומר לך תוך שעות - וזה לוקח כמה זמן לרצף ברקוד DNA במעבדה לביולוגיה מולקולרית מצוידת היטב - ששני מינים שנראים זהים לחלוטין על פני השטח שונים זה מזה ברמה הגנטית. רק בשנה שעברה, מדענים בצ'ילה השתמשו בקידוד DNA על מנת לזהות מין חדש של דבורים שחוקרי חרקים החמיצו במהלך 160 השנים האחרונות.

בעבודה עם Hebert, מומחים כמו אוצר האנטומולוגיה של המוזיאון הלאומי להיסטוריה טבעית ג'ון ברנס הצליחו להבחין באורגניזמים רבים שנחשבו בעבר לאותו המין. ההתקדמות בטכניקה מאפשרת כעת לחוקרים דגימות של מוזיאונים בברקוד משנות ה- 1800, אומר ברנס, ופותחת אפשרות לסווג מחדש את הגדרות המינים המיושבות. שנה לאחר שהברט תיאר את ברקוד ה- DNA, ברנס השתמש בו בעצמו כדי לזהות מקרה אחד כזה - מין פרפר שזוהה בשנות ה- 1700 והתגלה למעשה כעשרה מינים נפרדים.

להצמדת הגדרות מינים עכורים יש השלכות מחוץ לאקדמיה. זה יכול להעניק למדענים ולמחוקקים תחושה טובה יותר של מספר המין ובריאותו, מידע חיוני להגנה עליהם, אומר קרייג הילטון-טיילור, המנהל את האיחוד הבינלאומי לשימור הטבע "הרשימה האדומה". בעוד שהארגון מסתמך על קבוצות מומחים שונות שיכולות לעבוד מנקודות מבט שונות על אופן ההגדרה הטוב ביותר של מין, ברקוד ה- DNA סייע לרבים מקבוצות אלו להבחין במדויק יותר בין מינים שונים.

"אנו מבקשים מהם לחשוב על כל העדויות הגנטיות החדשות שעולות כעת, " אומרת הילטון-טיילור על הנהלים של ה- IUCN כיום.

אמנם חדשנית, אך לטכניקת הברקודוד המקורית היו מגבלות. למשל, זה עבד רק על בעלי חיים ולא על צמחים מכיוון שגן ה- COI לא השתנה מספיק בצמחים. בשנת 2007 עזר קרס להרחיב את הטכניקה של הרברט על ידי זיהוי גנים אחרים המשתנים במהירות דומה בצמחים, ומאפשרים למחקרים כמו הסוואנה להתקיים.

קרס נזכר כיצד החל משנת 2008 הוא ועמיתו לשעבר של האקולוג של אוניברסיטת קונטיקט, קרלוס גרסיה-רובלדו, השתמשו בקידוד DNA על מנת להשוות בין הצמחים השונים שזני חרקים שונים ניזונו מיער הגשם בקוסטה ריקה. הם הצליחו לאסוף חרקים, לטחון אותם ולעשות במהירות את ה- DNA מהמעיים שלהם כדי לקבוע מה הם אוכלים.

בעבר, גרסיה-רובלדו ומדענים אחרים היו צריכים לעקוב בעקביות אחר חרקים ולתעד את הדיאטות שלהם. "זה יכול לקחת שנים עד שחוקר יכול להבין היטב את הדיאטות של קהילה של עשבוני חרקים ביער גשם טרופי ללא עזרתם של ברקודים של די.אנ.איי", אמר גרצ'ה-רובלדו ל- Smithsonian Insider בראיון לשנת 2013.

מאז הם הצליחו להרחיב את המחקר על ידי בחינת האופן בו מספר המינים והתזונה שלהם שונים בגבהים שונים, וכיצד עליית הטמפרטורות משינוי האקלים עלולה להשפיע על כך מכיוון שמינים נאלצים לנוע גבוה יותר ויותר. "פיתחנו רשת שלמה ומורכבת של האופן שבו חרקים וצמחים מתקשרים זה עם זה, דבר שאי אפשר היה לעשות קודם", אומר קרס.

"פתאום, בצורה הרבה יותר פשוטה, באמצעות DNA, נוכל למעשה לעקוב אחר, לכמת ולחזור על הניסויים האלה ולהבין את הדברים בצורה הרבה יותר מפורטת", הוא מוסיף. קרס וחוקרים אחרים משתמשים כעת ברקוד גם לצורך ניתוח דגימות אדמה עבור קהילות האורגניזמים המאכלסים אותם, הוא אומר. ברקודדינג מתחייבת גם לסייע בזיהוי שאריות של חומר גנטי שנמצא בסביבה.

"עבור אקולוגים, " אומר קרס, "קידוד DNA הוא באמת פתיחת דרך אחרת לגמרי לעקוב אחר דברים בבתי גידול שבהם לא יכולנו לעקוב אחריהם לפני כן."

בכך שיאפשר למדענים לבחון גן ספציפי אחד במקום להצטרך לרצף גנום שלם ולהשוות ביניהם, קיווה הברט ששיטתו תאפשר לבצע ניתוח וזיהוי גנטי בצורה מהירה וזולה הרבה יותר מאשר רצף מלא. "14 השנים האחרונות הראו שזה עובד בצורה הרבה יותר יעילה וזה הרבה יותר פשוט ליישום ממה שציפיתי", הוא אומר כעת.

אבל הוא עדיין רואה מקום להתקדמות. "אנחנו באמת מתמודדים עם נתונים לא מספיקים מבחינת שפע המינים וההפצה שלהם", אומר Hebert על אנשי שמירה כעת. שיפור מהיר של טכנולוגיה לניתוח דגימות DNA מהירה יותר ועם פחות חומר הנדרש בשילוב עם ברקוד DNA, מציע דרך לצאת, עם סורקים מודרניים שכבר הצליחו לקרוא מאות מיליוני זוגות בסיס בשעות, לעומת אלפי זוגות הבסיס שיכולים תקראו באותה תקופה על ידי טכנולוגיה קודמת.

הברט רואה לעצמו עתיד שבו DNA נאסף ורצף אוטומטית מחיישנים ברחבי העולם, ומאפשר לשמירת אנשי שימור וטקסונומים גישה לכמויות אדירות של נתונים על בריאותם והפצתם של מינים שונים. הוא עובד כעת על מנת לארגן ספריה עולמית של ברקודים של DNA בהם מדענים יכולים להשתמש בכדי לזהות במהירות דגימה לא ידועה - משהו כמו פוקדקס אמיתי.

"איך היית חוזה את שינויי האקלים אם היית קורא טמפרטורה בנקודה מסוימת על פני כדור הארץ או יום בשנה?", מצביע Hebert. "אם אנחנו הולכים להתייחס ברצינות לשמירה על המגוון הביולוגי, עלינו רק לשנות לחלוטין את השקפותינו לגבי כמות הניטור שתידרש."