Bylinožravci, kteří se potulují po africké savaně, jsou obrovští a hodně žerou. Přesto se jim všem nějakým způsobem daří žít zhruba na stejném místě a podporovat je stejné prostředí s řídkou vegetací. V roce 2013 chtěli ekologové zjistit, jak přesně to funguje. Protože však sloni, zebry, buvoli a impaly putují za potravou mnoho kilometrů a nemají rádi, když je zvědaví lidé pozorují při jídle, bylo téměř nemožné zjistit jejich jídelníček.
Výzkumníkům nezbylo než, jak už to tak bývá, zkoumat výkaly. Trávené rostliny však nebylo možné identifikovat pouhýma lidskýma očima. Proto se v případě této hádanky obrátili na relativně novou genetickou techniku:

Ekologové vzali vzorky do laboratoře a prozkoumali DNA rostlinných zbytků a hledali jeden specifický gen známý jako cytochrom c oxidáza I. Vzhledem ke svému umístění v mitochondriích buňky má tento gen, známý pod zkratkou COI, zhruba třikrát vyšší frekvenci mutací než jiné formy DNA. To znamená, že zřetelněji ukáže genetické rozdíly i mezi velmi blízce příbuznými organismy, což z něj činí užitečný způsob, jak oddělit druhy ve skupinách od ptáků po motýly – podobně jako visačka na vnitřní straně košile nebo čárový kód v obchodě s potravinami.

Za tuto důmyslnou metodu, příznačně označovanou jako čárové kódování DNA, můžeme poděkovat jednomu genetikovi, který zjistil, že už má dost „stresujících“ a časově náročných metod tradiční taxonomie. Paul Hebert, molekulární biolog z Guelphské univerzity v Kanadě, vzpomíná na jednu vlhkou, zamračenou noc, kterou jako postdoktorandský výzkumník strávil sběrem hmyzu v prostěradle na Nové Guineji.

„Když jsme je druhý den morfologicky roztřídili, zjistili jsme, že se k nám dostaly tisíce druhů,“ říká Hebert. Mnohé z nich, pokud mohl posoudit, nebyly nikdy vědecky popsány. „Uvědomil jsem si, že jsem během té jediné noci narazil na tolik exemplářů, že mě to zaměstná do konce života,“ říká.

Hebert pokračuje: „V tu chvíli jsem si v podstatě … uvědomil, že morfologická taxonomie nemůže být cestou k registraci života na naší planetě.“ Své sbírky vzorků rozdal a přešel k jinému výzkumu v oblasti evoluční biologie Arktidy – podle jeho slov „nejnižší druhové rozmanitosti stanovišť, které jsem mohl najít“, ale téma měření biologické rozmanitosti Země mu stále zůstávalo v pozadí mysli.

Technologie v polovině 90. let 20. století dále pokročila a umožnila vědcům izolovat a analyzovat stále menší a menší kousky DNA. Hebert, který pracoval v Austrálii jako hostující výzkumník, se rozhodl začít si „hrát“ se sekvenováním DNA různých organismů a hledáním jediné sekvence, kterou by bylo možné snadno izolovat a použít k rychlému rozlišení druhů. „Zjistil jsem, že tato jedna oblast mitochondriálního genu je účinná v mnoha případech,“ říká. To byl COI.

Hebert se rozhodl otestovat svou metodu na vlastním dvorku tím, že nasbíral desítky kusů hmyzu a opatřil je čárovým kódem. Zjistil, že brouky dokáže snadno rozlišit. „Řekl jsem si: ‚Hele, když to funguje na 200 druzích na mém dvorku, proč by to nemohlo fungovat na celé planetě?“

A až na výjimky se tak stalo.

Pomocí této techniky dokázali vědci ve studii o savanách z roku 2013 poskládat dohromady pestrou stravu těchto společně žijících živočichů. „Z čárového kódu jejich trusu jsme mohli zjistit, čím vším se zvířata živí,“ říká W. John Kress, kurátor botaniky ve Smithsonově národním přírodovědném muzeu, který na studii spolupracoval. Tím, že tyto výsledky informují manažery a vědce o tom, jakými travinami se jednotlivá zvířata přesně živí, „mohou mít přímý dopad na navrhování nových oblastí ochrany těchto zvířat,“ říká Kress.

Ekologům také poskytly širší obraz o tom, jak celý ekosystém funguje dohromady. „Nyní můžete vidět, jak tyto druhy v savaně skutečně koexistují,“ říká Kress. Dnes se díky čárovému kódu DNA a dalším genetickým technikám mění samotná představa o tom, co tvoří druh.

Od dob Darwina taxonomové třídili druhy na základě toho, co mohli pozorovat. Tj. pokud to vypadá jako kachna, chodí to jako kachna a zní to jako kachna – hoďte to na hromadu kachen. Nástup sekvenování DNA v 80. letech 20. století změnil pravidla hry. Přečtením genetického kódu, který dělá organismus tím, čím je, mohli vědci získat nové poznatky o evoluční historii druhů. Porovnávání milionů nebo miliard párů bází, které tvoří genom, však může být nákladné a časově náročné.

S markerem, jako je cytochrom c oxidáza I, lze tyto rozdíly určit rychleji a efektivněji. Čárovým kódováním lze během několika hodin – což je doba, kterou zabere sekvenování čárového kódu DNA v dobře vybavené laboratoři molekulární biologie – zjistit, že dva druhy, které na povrchu vypadají úplně stejně, se na genetické úrovni podstatně liší. Právě v loňském roce vědci v Chile pomocí čárového kódu DNA identifikovali nový druh včely, který vědci zabývající se výzkumem hmyzu posledních 160 let přehlíželi.

Spoluprací s Hebertem se odborníkům, jako je kurátor entomologie Národního muzea přírodní historie John Burns, podařilo rozlišit mnoho organismů, které byly dříve považovány za stejný druh. Pokroky v této technice nyní vědcům umožňují kódovat čárovým kódem muzejní exempláře z 19. století, říká Burns, což otevírá možnost reklasifikace dlouho ustálených definic druhů. Rok poté, co Hebert nastínil čárové kódy DNA, Burns sám použil tuto metodu k identifikaci jednoho takového případu – druhu motýla identifikovaného v roce 1700, který se ve skutečnosti ukázal být 10 samostatnými druhy.

Zpřesnění nejasných definic druhů má důsledky i mimo akademickou sféru. Podle Craiga Hiltona-Taylora, který řídí „červený seznam“ Mezinárodního svazu ochrany přírody, může vědcům a zákonodárcům poskytnout lepší představu o počtu a zdraví druhů, což jsou zásadní informace pro jejich ochranu. Přestože se organizace spoléhá na různé skupiny odborníků, kteří mohou pracovat s různými pohledy na to, jak nejlépe definovat určitý druh, čárové kódy DNA pomohly mnoha z těchto skupin přesněji rozlišovat mezi jednotlivými druhy.

„Žádáme je, aby přemýšleli o všech nových genetických důkazech, které se nyní objevují,“ říká Hilton-Taylor o dnešních postupech IUCN.

Původní technika čárového kódování byla sice inovativní, ale měla svá omezení. Fungovala například pouze u zvířat, nikoli u rostlin, protože gen COI u rostlin nemutuje dostatečně rychle. V roce 2007 Kress pomohl rozšířit Hebertovu techniku tím, že identifikoval další geny, které u rostlin mutují podobně rychle, což umožnilo provádět studie, jako je ta savanová.

Kress vzpomíná, jak od roku 2008 spolu se svým bývalým kolegou, ekologem z Connecticutské univerzity Carlosem Garcíou-Robledem, používali čárové kódování DNA k porovnávání různých rostlin, kterými se v kostarickém deštném pralese živily různé druhy hmyzu. Byli schopni nasbírat hmyz, rozemlít ho a rychle sekvenovat DNA z jeho vnitřností, aby zjistili, čím se živil.

Předtím by García-Robledo a další vědci museli hmyz zdlouhavě sledovat a dokumentovat jeho stravu. „Bez pomoci čárových kódů DNA může výzkumníkovi trvat roky, než plně pochopí jídelníček společenstva hmyzích býložravců v tropickém deštném lese,“ řekl Garcá-Robledo v rozhovoru pro Smithsonian Insider v roce 2013.

Od té doby mohli tento výzkum rozšířit a zkoumat, jak se liší počet druhů a jejich jídelníček v různých nadmořských výškách a jak by to mohly ovlivnit rostoucí teploty způsobené změnou klimatu, protože druhy jsou nuceny se pohybovat stále výše. „Vytvořili jsme celou komplexní síť vzájemného působení hmyzu a rostlin, což dříve nebylo možné,“ říká Kress.

„Najednou jsme mohli pomocí DNA mnohem jednodušším způsobem tyto experimenty skutečně sledovat, kvantifikovat a opakovat a pochopit tyto věci mnohem podrobněji,“ dodává. Kress a další výzkumníci nyní také používají čárové kódy k analýze vzorků půdy z hlediska společenstev organismů, které je obývají, říká. Čárový kód také slibuje pomoc při identifikaci zbytků genetického materiálu nalezeného v životním prostředí.

„Pro ekology,“ říká Kress, „čárový kód DNA skutečně otevírá zcela jiný způsob sledování věcí v biotopech, kde jsme je dříve nemohli sledovat.“

Hebert doufal, že díky tomu, že vědci mohou zkoumat jeden konkrétní gen, místo aby museli sekvenovat celé genomy a porovnávat je, umožní jeho metoda provádět genetické analýzy a identifikace mnohem rychleji a levněji než úplné sekvenování. „Uplynulých 14 let ukázalo, že to funguje mnohem efektivněji a je to mnohem jednodušší na realizaci, než jsem předpokládal,“ říká nyní.

Ale stále vidí prostor pro pokrok. „Opravdu se potýkáme s nedostatečnými údaji, pokud jde o početnost a rozšíření druhů,“ říká nyní Hebert o ochráncích přírody. Rychle se zdokonalující technologie pro rychlejší analýzu vzorků DNA s menším množstvím potřebného materiálu ve spojení s čárovým kódováním DNA nabízí podle Heberta východisko: moderní skenery již dokážou přečíst stovky milionů párů bází za několik hodin ve srovnání s tisíci páry bází, které za stejnou dobu dokázala přečíst dřívější technologie.

Hebert si představuje budoucnost, kdy se DNA bude sbírat a sekvenovat automaticky ze senzorů po celém světě, což ochranářům a taxonomům umožní přístup k obrovskému množství údajů o zdraví a rozšíření různých druhů. Nyní pracuje na uspořádání celosvětové knihovny čárových kódů DNA, kterou by vědci mohli použít k rychlé identifikaci neznámého exempláře – něco jako skutečný Pokedex.

„Jak byste předpovídali změny klimatu, kdybyste snímali teplotu na jednom místě planety nebo jeden den v roce?“ ptá se. Hebert upozorňuje. „Pokud to s ochranou biodiverzity myslíme vážně, musíme prostě zcela změnit naše názory na množství monitoringu, který bude zapotřebí.“

.