Afrikan savannilla vaeltavat kasvinsyöjät ovat massiivisia, ja ne syövät paljon. Silti jotenkin ne kaikki onnistuvat elämään suunnilleen samassa paikassa, jota tukee sama niukkakasvustoinen ympäristö. Vuonna 2013 ekologit halusivat tietää tarkalleen, miten tämä toimii. Koska norsut, seeprat, puhvelit ja impalat vaeltavat monta kilometriä ruokailemaan eivätkä pidä uteliaista ihmisistä, jotka tarkkailevat niitä syömässä, niiden ruokavalion selvittäminen oli lähes mahdotonta.
Tutkijat joutuivat, kuten niin usein, tutkimaan kakkaa. Mutta sulatettuja kasveja oli mahdotonta tunnistaa pelkällä ihmissilmällä. Niinpä he kääntyivät tämän arvoituksen ratkaisemiseksi suhteellisen uuden geenitekniikan puoleen: DNA-viivakoodaukseen.
Ekologit veivät näytteet laboratorioon ja tutkivat kasvin jäänteiden DNA:ta etsien yhtä tiettyä geeniä, joka tunnetaan nimellä Sytokromi c -oksidaasi I. Koska geeni sijaitsee solun mitokondriossa, sen mutaatioaste on noin kolminkertainen muihin DNA-muotoihin verrattuna. Tämä tarkoittaa, että se osoittaa selvemmin geneettiset erot jopa hyvin läheisesti sukua olevien organismien välillä, mikä tekee siitä käyttökelpoisen tavan erottaa toisistaan lajeja ryhmissä linnuista perhosiin – kuten paitasi sisäpuolella oleva merkki tai ruokakaupan viivakoodi.
Tästä nerokkaasta menetelmästä, josta käytetään osuvasti nimitystä DNA-viivakoodaus, voimme kiittää erästä geenitutkijaa, joka sai tarpeekseen perinteisen taksonomian ”stressaavista” ja aikaa vievistä menetelmistä. Kanadalaisen Guelphin yliopiston molekyylibiologi Paul Hebert muistelee erästä märkää, pilvistä yötä, jonka hän vietti kerätessään hyönteisiä lakanaan post doc -tutkijana Uudessa-Guineassa.
”Kun lajittelimme niitä morfologisesti seuraavana päivänä, tajusimme, että lajeja oli tullut tuhansia”, Hebert kertoo. Monia hebertin käsityksen mukaan tiede ei ollut koskaan kuvannut. ”Tajusin sinä yönä, että olin kohdannut tarpeeksi yksilöitä pitääkseni itseni kiireisenä koko loppuelämäni ajan”, hän sanoo.
Hebert jatkaa: ”Sillä hetkellä aika lailla … tajusin, että morfologinen taksonomia ei voi olla tapa rekisteröidä elämää planeetallamme.” Hän luopui näytekokoelmistaan ja siirtyi muihin arktisen alueen evoluutiobiologian tutkimuksiin – hänen sanojensa mukaan ”alhaisimpiin lajirikkaisiin elinympäristöihin, joita pystyin löytämään” – mutta aihe maapallon biologisen monimuotoisuuden mittaamisesta pysyi aina hänen mielessään.
Teknologia kehittyi edelleen 1990-luvun puolivälissä, jolloin tutkijat pystyivät eristämään ja analysoimaan yhä pienempiä ja pienempiä DNA:n palasia. Australiassa vierailevana tutkijana työskennellyt Hebert päätti ryhtyä ”leikkimään” sekvensoimalla eri organismien DNA:ta ja etsimällä yhtä ainoaa sekvenssiä, joka voitaisiin helposti eristää ja jota voitaisiin käyttää lajien nopeaan erotteluun. ”Päädyin tähän yhteen mitokondrion geenialueeseen, joka oli tehokas monissa tapauksissa”, hän sanoo. Se oli COI.
Hebert päätti testata menetelmäänsä omalla takapihallaan keräämällä lukuisia hyönteisiä ja koodaamalla ne viivakoodilla. Hän huomasi, että pystyi erottamaan ötökät toisistaan helposti. ”Ajattelin: ’Hei, jos se toimii 200 lajiin takapihallani, miksei se voisi toimia koko planeetalla?'”
Ja joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta se on toiminutkin.
Tämän tekniikan avulla tutkijat pystyivät vuonna 2013 tehdyssä savannitutkimuksessa kokoamaan yhteen näiden rinnakkain elävien eläinten erilaiset ruokavaliot. ”Pystyimme kertomaan kaiken, mitä eläimet söivät, niiden ulosteiden viivakoodauksen perusteella”, sanoo W. John Kress, Smithsonianin luonnonhistorian kansallismuseon kasvitieteen kuraattori W. John Kress, joka osallistui tutkimukseen. Kress sanoo, että tulokset ”voivat vaikuttaa suoraan uusien suojelualueiden suunnitteluun näille eläimille”, koska ne kertovat villieläinten hoitajille ja tiedemiehille tarkalleen, mitä ruohoja kukin eläin syö.
Tulokset antoivat myös ekologeille laajemman kuvan siitä, miten koko ekosysteemi toimii yhdessä. ”Nyt voidaan nähdä, miten nämä lajit todella elävät rinnakkain savannilla”, Kress sanoo. Nykyään käsitys siitä, mikä tekee lajista lajin, on muuttumassa DNA-viivakoodauksen ja muiden geenitekniikoiden ansiosta.
Darwinin ajoista lähtien taksonomit ovat seuloneet lajeja sen perusteella, mitä he ovat voineet havaita. Eli jos se näyttää ankalta, kävelee kuin ankka ja kuulostaa ankalta – heitä se ankkakasaan. DNA-sekvensoinnin tulo 1980-luvulla muutti pelin. Lukemalla geneettisen koodin, joka tekee organismista sen, mikä se on, tutkijat pystyivät saamaan uutta tietoa lajien evoluutiohistoriasta. Genomin muodostavien miljoonien tai miljardien emäsparien vertailu voi kuitenkin olla kallista ja aikaa vievää.
Sytokromi c-oksidaasi I:n kaltaisen markkerin avulla nämä erot voidaan määrittää nopeammin ja tehokkaammin. Viivakoodaus voi kertoa muutamassa tunnissa – yhtä kauan kestää DNA-viivakoodin sekvensointi hyvin varustetussa molekyylibiologian laboratoriossa – että kaksi lajia, jotka näyttävät pinnaltaan täsmälleen samanlaisilta, eroavat toisistaan huomattavasti geneettisellä tasolla. Juuri viime vuonna chileläiset tutkijat tunnistivat DNA-viivakoodin avulla uuden mehiläislajin, joka oli jäänyt hyönteistutkijoilta huomaamatta viimeisten 160 vuoden aikana.
Hebertin kanssa työskennellessään asiantuntijat, kuten National Museum of Natural Historyn hyönteistieteen intomologian intendentti John Burns, ovat kyenneet erottamaan toisistaan monia organismeja, jotka aiemmin luultiin samaksi lajiksi. Burns sanoo, että tekniikan kehittymisen ansiosta tutkijat voivat nyt viivakoodata 1800-luvun museonäytteitä, mikä avaa mahdollisuuden luokitella pitkään vakiintuneita lajimääritelmiä uudelleen. Vuosi sen jälkeen, kun Hebert esitteli DNA-viivakoodauksen, Burns käytti sitä itse yksilöidäkseen yhden tällaisen tapauksen – 1700-luvulla määritellyn perhoslajin, joka osoittautui itse asiassa kymmeneksi erilliseksi lajiksi.
Lajimääritelmien hämärtymisellä on seurauksia myös akateemisen maailman ulkopuolella. Se voi antaa tiedemiehille ja lainsäätäjille paremman käsityksen lajien määrästä ja terveydentilasta, mikä on elintärkeää tietoa niiden suojelemiseksi, sanoo Craig Hilton-Taylor, joka johtaa Kansainvälisen luonnonsuojeluliiton ”punaista listaa”. Vaikka järjestö luottaa erilaisiin asiantuntijaryhmiin, jotka voivat työskennellä eri näkökulmista sen suhteen, miten laji määritellään parhaiten, DNA-viivakoodaus on auttanut monia näistä ryhmistä erottamaan tarkemmin eri lajit toisistaan.
”Pyydämme heitä ajattelemaan kaikkia uusia geneettisiä todisteita, joita nyt esitetään”, Hilton-Taylor sanoo IUCN:n nykyisistä menettelytavoista.
Vaikka innovatiivinenkin, alkuperäisellä viivakoodaustekniikalla oli rajoituksia. Se toimi esimerkiksi vain eläimillä, ei kasveilla, koska COI-geeni ei mutatoitunut tarpeeksi nopeasti kasveissa. Vuonna 2007 Kress auttoi laajentamaan Hebertin tekniikkaa tunnistamalla muita geenejä, jotka mutaantuvat yhtä nopeasti kasveissa, mikä mahdollisti savannin kaltaiset tutkimukset.
Kress muistelee, kuinka hän ja hänen entinen kollegansa, Connecticutin yliopiston ekologi Carlos García-Robledo, käyttivät vuodesta 2008 alkaen DNA-viivakoodausta vertaillakseen eri kasveja, joilla eri hyönteislajit söivät ravintonsa Costa Rican sademetsässä. He pystyivät keräämään hyönteisiä, jauhamaan ne ja sekvensoimaan nopeasti DNA:n niiden suolistosta määrittääkseen, mitä ne söivät.
Aiemmin García-Robledon ja muiden tutkijoiden olisi pitänyt vaivalloisesti seurata hyönteisiä ja dokumentoida niiden ruokavalio. ”Tutkijalta voi viedä vuosia ymmärtää täysin trooppisen sademetsän hyönteisten kasvinsyöjäyhteisön ruokavaliota ilman DNA-viivakoodien apua”, Garcá-Robledo kertoi Smithsonian Insiderin haastattelussa vuonna 2013.
Sittemmin he ovat voineet laajentaa tuota tutkimusta tarkastelemalla, miten lajien määrä ja ruokavalio eroavat toisistaan eri korkeuksilla ja miten ilmastonmuutoksen aiheuttama lämpötilan nousu voi vaikuttaa tähän, kun lajit joutuvat siirtymään yhä korkeammalle. ”Olemme kehittäneet kokonaisen monimutkaisen verkoston hyönteisten ja kasvien vuorovaikutuksesta, mikä oli ennen mahdotonta”, Kress sanoo.
”Yhtäkkiä pystyimme paljon yksinkertaisemmalla tavalla, DNA:n avulla, seuraamaan, kvantifioimaan ja toistamaan näitä kokeita ja ymmärtämään näitä asioita paljon yksityiskohtaisemmin”, hän lisää. Kress ja muut tutkijat käyttävät nyt myös viivakoodausta analysoidakseen maaperänäytteitä niissä elävien eliöyhteisöjen kannalta, hän sanoo. Viivakoodaus lupaa myös auttaa tunnistamaan ympäristöstä löytyviä geneettisen materiaalin jäänteitä.
”Ekologeille”, Kress sanoo, ”DNA-viivakoodaus avaa aivan uudenlaisen tavan seurata elinympäristöissä esiintyviä asioita, joita emme ennen voineet seurata.”
Sallimalla tiedemiesten tutkia vain yhtä tiettyä geeniä sen sijaan, että heidän tarvitsisi sekvensoida kokonaisia perimän osatekijöitä (genomeja) ja vertailla niitä, Hebert toivoi menetelmänsä mahdollistavan geneettisen analyysin ja tunnistamisen paljon nopeammin ja halvemmalla kuin täydellisen geenisekvensoinnin tekeminen. ”Viimeiset 14 vuotta ovat osoittaneet, että se toimii paljon tehokkaammin ja on paljon yksinkertaisempi toteuttaa kuin odotin”, hän sanoo nyt.
Mutta hän näkee vielä parantamisen varaa. ”Meillä on todella vaikeuksia puutteellisten tietojen kanssa lajien runsaudesta ja levinneisyydestä”, Hebert sanoo luonnonsuojelijoista nyt. Nopeasti kehittyvä teknologia, jolla DNA-näytteitä voidaan analysoida nopeammin ja vähemmällä aineistolla, yhdistettynä DNA-viivakoodaukseen, tarjoaa Hebertin mukaan ulospääsyn. Nykyaikaiset skannerit pystyvät jo lukemaan satoja miljoonia emäspareja muutamassa tunnissa verrattuna tuhansiin emäspareihin, jotka pystyttiin lukemaan samassa ajassa aikaisemmalla teknologialla.
Hebert visioi tulevaisuutta, jossa DNA:ta keräillään ja sekvensoidaan automaattisesti sensoreilla ympäri maailmaa, jolloin luonnonsuojeluasiantuntijoilla ja taksonomisteilla on käytössään valtavia määriä tietoa eri lajien terveydentilasta ja leviämisestä. Hän työskentelee parhaillaan järjestääkseen maailmanlaajuisen kirjaston DNA-viivakoodeista, joita tutkijat voivat käyttää tuntemattoman yksilön nopeaan tunnistamiseen – ikään kuin todellisen Pokedexin tapaan.
”Miten ennustaisit ilmastonmuutosta, jos lukisit lämpötilan yhdessä pisteessä planeetalla tai yhtenä päivänä vuodessa?”, hän sanoo. Hebert huomauttaa. ”Jos aiomme ryhtyä tosissamme suojelemaan biologista monimuotoisuutta, meidän on vain muutettava täysin näkemyksiämme tarvittavan seurannan määrästä.”