Az afrikai szavannán élő növényevők hatalmasak, és sokat esznek. Mégis valahogyan sikerül mindannyiuknak nagyjából ugyanazon a helyen élniük, ugyanannak a gyér növényzetű környezetnek a támogatásával. 2013-ban az ökológusok pontosan tudni akarták, hogyan működik ez. Mivel azonban az elefántok, zebrák, bölények és impalák sok kilométert vándorolnak, hogy táplálkozzanak, és nem szeretik, ha a kíváncsi emberek figyelik őket, szinte lehetetlen volt kideríteni az étrendjüket.
A kutatóknak, mint oly gyakran, most is a kakit kellett vizsgálniuk. Az emésztett növényeket azonban lehetetlen volt pusztán emberi szemmel azonosítani. Ezért ehhez a rejtélyhez egy viszonylag új genetikai technikához fordultak:

Az ökológusok laboratóriumba vitték a mintákat, és átvizsgálták a növényi maradványok DNS-ét, egy bizonyos gén, a citokróm c oxidáz I. A sejt mitokondriumában való elhelyezkedése miatt a gén, röviden COI, mutációs rátája nagyjából háromszorosa a DNS más formáihoz képest. Ez azt jelenti, hogy még a nagyon közeli rokonságban álló szervezetek közötti genetikai különbségeket is jobban megmutatja, így hasznos módszer a fajok elkülönítésére a madaraktól a pillangókig terjedő csoportokban – mint az ing belső oldalán lévő címke, vagy egy élelmiszerbolt vonalkódja.

Ezért a zseniális módszerért, amelyet találóan DNS-vonalkódolásnak neveznek, egy genetikusnak köszönhetünk, akinek elege lett a hagyományos taxonómia “stresszes” és időigényes módszereiből. Paul Hebert, a kanadai Guelphi Egyetem molekuláris biológusa visszaemlékszik egy esős, felhős éjszakára, amelyet azzal töltött, hogy posztdoktori kutatóként Új-Guineában egy lepedőbe gyűjtött rovarokat.

“Amikor másnap morfológiailag rendeztük őket, rájöttünk, hogy több ezer faj érkezett” – mondja Hebert. Sokukat, amennyire ő meg tudta állapítani, a tudomány még soha nem írta le. “Azon az egy éjszakán rájöttem, hogy annyi egyeddel találkoztam, ami egész életem hátralévő részében lekötné a figyelmemet” – mondja.

Hebert folytatja: “Abban a pillanatban nagyjából … rájöttem, hogy a morfológiai rendszertan nem lehet a bolygónkon lévő élet regisztrálásának módja”. Elajándékozta mintagyűjteményét, és más kutatások felé fordult a sarkvidéki evolúcióbiológia területén – szavai szerint a “legalacsonyabb faji diverzitású élőhelyeken, amelyeket találtam” -, de a Föld biodiverzitásának mérésének témája mindig ott motoszkált az elméje mélyén.

A technológia az 1990-es évek közepén tovább fejlődött, lehetővé téve a kutatók számára, hogy egyre kisebb és kisebb DNS-darabkákat izoláljanak és elemezzenek. Hebert, aki Ausztráliában dolgozott vendégkutatóként, úgy döntött, hogy elkezd “játszani” a különböző élőlények DNS-ének szekvenálásával, és olyan egyetlen szekvenciát keres, amelyet könnyen el lehet különíteni és felhasználni a fajok gyors megkülönböztetésére. “Megállapodtam ebben az egy mitokondriális génrégióban, amely sok esetben hatásosnak bizonyult” – mondja. Ez volt a COI.

Hebert úgy döntött, hogy a módszerét a saját kertjében teszteli: rovarok sokaságát gyűjtötte össze, és vonalkódolta őket. Úgy találta, hogy könnyen meg tudja különböztetni a bogarakat. “Azt gondoltam: “Hé, ha ez működik 200 fajon a hátsó kertemben, miért ne működhetne az egész bolygón?”

És, néhány kivételtől eltekintve, működött is.

A 2013-as szavanna-tanulmány kutatói ezt a technikát alkalmazva össze tudták rakni az együtt élő állatok változatos étrendjét. “Mindent meg tudtunk állapítani, amit az állatok ettek a barmok vonalkódolásából” – mondja W. John Kress, a Smithsonian’s National Museum of Natural History botanikai kurátora, aki a tanulmányban közreműködött. Azáltal, hogy a vadgazdálkodók és a tudósok pontosan megtudhatják, hogy az egyes állatok milyen fűfélékkel táplálkoznak, ezek az eredmények “közvetlen hatással lehetnek az új természetvédelmi területek kialakítására ezen állatok számára” – mondja Kress.

Az ökológusok nagyobb képet kaptak arról is, hogyan működik együtt az egész ökoszisztéma. “Most már láthatjuk, hogy ezek a fajok valójában hogyan élnek együtt a szavannán” – mondja Kress. Ma már a DNS-vonalkódolásnak és más genetikai technikáknak köszönhetően maga az elképzelés is változik, hogy mitől lesz faj egy faj.

Darwin óta a taxonómusok az alapján szűrték ki a fajokat, amit meg tudtak figyelni. Vagyis ha úgy néz ki, mint egy kacsa, úgy jár, mint egy kacsa, és úgy hangzik, mint egy kacsa – dobd a kacsák közé. A DNS-szekvenálás megjelenése az 1980-as években megváltoztatta a játékot. Most már a genetikai kód leolvasásával, amely egy organizmust azzá tesz, ami, a tudósok új betekintést nyerhettek a fajok evolúciós történetébe. A genomot alkotó több millió vagy milliárd bázispár összehasonlítása azonban drága és időigényes feladat lehet.

Egy olyan markerrel, mint a citokróm c oxidáz I, gyorsabban és hatékonyabban lehet ezeket a különbségeket megállapítani. A vonalkódolással néhány óra alatt – ennyi időbe telik egy DNS-vonalkód szekvenálása egy jól felszerelt molekuláris biológiai laboratóriumban – megállapítható, hogy két, a felszínen teljesen egyformának tűnő faj genetikai szinten jelentősen különbözik egymástól. Éppen tavaly chilei tudósok a DNS-vonalkódolás segítségével azonosítottak egy új méhfajt, amelyet a rovarkutatók az elmúlt 160 évben nem vettek észre.

A Heberttel együttműködve az olyan szakértők, mint John Burns, a National Museum of Natural History entomológiai kurátora, számos olyan élőlényt tudtak megkülönböztetni, amelyekről korábban azt hitték, hogy ugyanaz a faj. Burns szerint a technika fejlődése ma már lehetővé teszi a kutatók számára, hogy az 1800-as évekből származó múzeumi példányokat vonalkóddal lássák el, ami megnyitja a lehetőséget a régóta elfogadott fajmeghatározások újbóli besorolására. Egy évvel azután, hogy Hebert ismertette a DNS-vonalkódolást, Burns maga is használta azt egy ilyen eset azonosítására – egy 1700-as években azonosított lepkefajról derült ki, hogy valójában 10 különböző fajról van szó.

A homályos fajmeghatározásoknak a tudományos életen kívül is vannak következményei. Craig Hilton-Taylor, a Nemzetközi Természetvédelmi Unió “Vörös Listájának” vezetője szerint a tudósok és a törvényhozók így jobban megismerhetik a fajok számát és egészségi állapotát, ami kulcsfontosságú információ a védelmükhöz. Bár a szervezet különböző szakértői csoportokra támaszkodik, amelyek különböző szempontok alapján dolgozhatnak azon, hogyan lehet a legjobban meghatározni egy fajt, a DNS-vonalkódolás sok ilyen csoportnak segített pontosabban megkülönböztetni a különböző fajokat.

“Arra kérjük őket, hogy gondoljanak az összes új genetikai bizonyítékra, amelyek most kerülnek elő” – mondja Hilton-Taylor az IUCN mai eljárásairól.

Bár innovatív volt, az eredeti vonalkódolási technikának voltak korlátai. Például csak állatokon működött, növényeken nem, mert a COI gén nem mutálódott elég gyorsan a növényekben. 2007-ben Kress segített Hebert technikájának kibővítésében azzal, hogy azonosított más olyan géneket, amelyek hasonlóan gyorsan mutálódnak a növényekben, így lehetővé váltak a szavannához hasonló vizsgálatok.

Kress felidézi, hogy 2008-tól kezdve ő és egy korábbi kollégája, a Connecticuti Egyetem ökológusa, Carlos García-Robledo DNS-strakkódolással összehasonlították a Costa Rica-i esőerdőben a különböző rovarfajok által táplált különböző növényeket. Képesek voltak rovarokat gyűjteni, ledarálni őket, és gyorsan szekvenálni a bélrendszerükből származó DNS-t, hogy meghatározzák, mit ettek.

Előtte García-Robledónak és más tudósoknak fáradságos munkával kellett volna követniük a rovarokat, és dokumentálni a táplálkozásukat. “Évekig is eltarthat, amíg egy kutató a DNS-vonalkódok segítsége nélkül teljesen megérti egy trópusi esőerdőben élő rovarnövényevő közösség étrendjét” – mondta Garcá-Robledo a Smithsonian Insidernek egy 2013-as interjúban.

Azóta ezt a kutatást ki tudták terjeszteni azzal, hogy megnézték, hogyan különbözik a fajok száma és étrendjük a különböző magasságokban, és hogy az éghajlatváltozás miatt emelkedő hőmérséklet hogyan befolyásolhatja ezt, mivel a fajok egyre magasabbra és magasabbra kényszerülnek. “Egy egész, összetett hálózatot alakítottunk ki arról, hogy a rovarok és a növények hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással, ami korábban lehetetlen volt” – mondja Kress.

“Hirtelen, sokkal egyszerűbb módon, a DNS segítségével ténylegesen nyomon követhetjük, számszerűsíthetjük és megismételhetjük ezeket a kísérleteket, és sokkal részletesebben megérthetjük ezeket a dolgokat” – teszi hozzá. Kress és más kutatók most már a vonalkódolást is használják a talajminták elemzésére az azokat benépesítő élőlényközösségek szempontjából, mondja. A vonalkódolás ígéretes a környezetben található genetikai anyag maradványainak azonosításában is.

“Az ökológusok számára”, mondja Kress, “a DNS-vonalkódolás valóban egy teljesen más módját nyitja meg a dolgok nyomon követésének olyan élőhelyeken, ahol korábban nem tudtuk követni őket.”

Mivel a tudósok egy adott gént vizsgálhatnak meg ahelyett, hogy egész genomokat kellene szekvenálniuk és összehasonlítaniuk, Hebert azt remélte, hogy a módszerével a genetikai elemzés és azonosítás sokkal gyorsabban és olcsóbban elvégezhető, mint a teljes szekvenálás. “Az elmúlt 14 év megmutatta, hogy sokkal hatékonyabban működik, és sokkal egyszerűbb a megvalósítása, mint amire számítottam” – mondja most.”

De még mindig lát teret a fejlődésre. “Tényleg elégtelen adatokkal küszködünk a fajok gyakoriságát és elterjedését illetően” – mondja Hebert a természetvédőkről. A DNS-minták gyorsabb és kevesebb anyagszükségletű elemzésére szolgáló, gyorsan fejlődő technológia a DNS-vonalkódolással párosulva kínál kiutat, mondja Hebert: a modern szkennerek már képesek órák alatt több százmillió bázispár leolvasására, szemben a korábbi technológiával ugyanennyi idő alatt leolvasható több ezer bázispárral.

Hebert egy olyan jövőt képzel el, ahol a DNS-t automatikusan gyűjtik és szekvenálják a világ minden tájáról származó érzékelőkből, lehetővé téve a természetvédők és taxonómusok számára, hogy hatalmas mennyiségű adathoz jussanak a különböző fajok egészségéről és elterjedéséről. Jelenleg azon dolgozik, hogy megszervezze a DNS-vonalkódok világméretű könyvtárát, amelyet a tudósok felhasználhatnak egy ismeretlen példány gyors azonosítására – valami olyasmi, mint egy igazi Pokedex.

“Hogyan jósolná meg az éghajlatváltozást, ha a bolygó egy pontján vagy az év egy napján leolvasná a hőmérsékletet?”. mutat rá Hebert. “Ha komolyan akarjuk venni a biológiai sokféleség megőrzését, akkor teljesen meg kell változtatnunk a nézeteinket a szükséges megfigyelés mértékéről.”