Gli erbivori che vagano nella savana africana sono enormi e mangiano molto. Eppure, in qualche modo, riescono a vivere tutti più o meno nello stesso posto, sostenuti dallo stesso ambiente scarsamente vegetato. Nel 2013, gli ecologisti volevano sapere esattamente come funzionava. Tuttavia, perché elefanti, zebre, bufali e impala vagano per molte miglia per nutrirsi e non amano gli esseri umani ficcanaso che li guardano mangiare, era quasi impossibile capire le loro diete.
I ricercatori sono stati lasciati, come sono così spesso, a scrutare la cacca. Ma le piante digerite erano impossibili da identificare con i soli occhi umani. Così per questo puzzle, si sono rivolti a ciò che era una tecnica genetica relativamente nuova:

Gli ecologi hanno portato i campioni in laboratorio e hanno setacciato il DNA dei resti vegetali, alla ricerca di un gene specifico noto come citocromo c ossidasi I. A causa della sua posizione nei mitocondri della cellula, il gene, noto come COI in breve, ha un tasso di mutazione circa tre volte quello di altre forme di DNA. Ciò significa che mostra più distintamente le differenze genetiche tra organismi anche molto vicini, rendendolo un modo utile per distinguere le specie in gruppi che vanno dagli uccelli alle farfalle, come l’etichetta all’interno della camicia o il codice a barre di un negozio di alimentari.

Per questo metodo ingegnoso, giustamente chiamato DNA barcoding, possiamo ringraziare un genetista che si è trovato stanco dei metodi “stressanti” e lunghi della tassonomia tradizionale. Paul Hebert, un biologo molecolare presso l’Università di Guelph in Canada, ricorda una notte umida e nuvolosa che ha trascorso raccogliendo insetti in un lenzuolo come ricercatore post-dottorato in Nuova Guinea.

“Quando li abbiamo ordinati morfologicamente il giorno dopo, ci siamo resi conto che c’erano migliaia di specie che erano arrivate”, dice Hebert. Molte, per quanto poteva dire, non erano mai state descritte dalla scienza. “Mi resi conto in quella notte che avevo incontrato abbastanza esemplari da tenermi occupato per il resto della mia vita”, dice.

Hebert continua: “È stato in quel momento che ho praticamente … capito che la tassonomia morfologica non poteva essere il modo di registrare la vita sul nostro pianeta”. Diede via le sue collezioni di esemplari e passò ad altre ricerche nella biologia evolutiva dell’Artico – “gli habitat con la più bassa diversità di specie che potessi trovare”, secondo le sue parole – ma il tema della misurazione della biodiversità della Terra rimase sempre in fondo alla sua mente.

La tecnologia ha continuato a progredire a metà degli anni ’90, permettendo ai ricercatori di isolare e analizzare pezzi di DNA sempre più piccoli. Hebert, che lavorava in Australia come ricercatore in visita, decise di iniziare a “giocare” a sequenziare il DNA di diversi organismi e a cercare una singola sequenza che potesse essere facilmente isolata e utilizzata per distinguere rapidamente le specie. “Mi sono stabilito su questa regione del gene mitocondriale come efficace in molti casi”, dice. Questo era COI.

Hebert ha deciso di testare il suo metodo nel suo cortile, raccogliendo decine di insetti e codificandoli a barre. Ha scoperto che poteva distinguere facilmente gli insetti. Ho pensato: “Ehi, se funziona su 200 specie nel mio cortile, perché non dovrebbe funzionare sul pianeta?”

E, con alcune eccezioni, lo ha fatto.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori dello studio del 2013 sulla savana sono stati in grado di mettere insieme le varie diete di questi animali coesistenti. “Potremmo dire tutto ciò che gli animali stavano mangiando dal codice a barre dei loro escrementi”, dice W. John Kress, curatore di botanica presso il Museo Nazionale di Storia Naturale dello Smithsonian, che ha collaborato allo studio. Informando i manager della fauna selvatica e gli scienziati esattamente di quali erbe si nutre ogni animale, questi risultati “potrebbero avere un impatto diretto sulla progettazione di nuove aree di conservazione per questi animali”, dice Kress.

Ha anche dato agli ecologi un quadro più grande di come l’intero ecosistema funziona insieme. “Ora si può vedere come queste specie coesistono effettivamente nella savana”, dice Kress. Oggi l’idea stessa di ciò che fa una specie sta cambiando, grazie al DNA barcoding e ad altre tecniche genetiche.

Dai tempi di Darwin, i tassonomisti hanno setacciato le specie in base a ciò che potevano osservare. Cioè se sembra un’anatra, cammina come un’anatra e suona come un’anatra – buttarlo nel mucchio anatra. L’avvento del sequenziamento del DNA negli anni ’80 ha cambiato il gioco. Ora, leggendo il codice genetico che fa di un organismo ciò che è, gli scienziati potevano ricavare nuove intuizioni sulla storia evolutiva delle specie. Tuttavia, confrontare i milioni o i miliardi di paia di basi che compongono il genoma può essere una proposta costosa e dispendiosa in termini di tempo.

Con un marcatore come il citocromo c ossidasi I, è possibile individuare queste distinzioni in modo più rapido ed efficiente. La codifica a barre può dirvi in poche ore – che è il tempo necessario per sequenziare un codice a barre del DNA in un laboratorio di biologia molecolare ben attrezzato – che due specie che sembrano esattamente uguali sulla superficie sono sostanzialmente diverse a livello genetico. Proprio l’anno scorso, gli scienziati in Cile hanno usato il codice a barre del DNA per identificare una nuova specie di ape che i ricercatori di insetti avevano mancato negli ultimi 160 anni.

Lavorando con Hebert, esperti come il curatore di entomologia del Museo Nazionale di Storia Naturale John Burns sono stati in grado di distinguere molti organismi che una volta si pensava fossero la stessa specie. I progressi della tecnica permettono ora ai ricercatori di applicare codici a barre agli esemplari dei musei a partire dal 1800, dice Burns, aprendo la possibilità di riclassificare le definizioni di specie stabilite da tempo. Un anno dopo che Hebert ha delineato la codifica a barre del DNA, Burns l’ha usata lui stesso per identificare uno di questi casi – una specie di farfalla identificata nel 1700 che si è rivelata essere in realtà 10 specie separate.

Stabilire le definizioni di specie torbide ha ramificazioni fuori dal mondo accademico. Può dare agli scienziati e ai legislatori un senso migliore dei numeri e della salute di una specie, informazioni cruciali per la loro protezione, dice Craig Hilton-Taylor, che gestisce la “Lista rossa” dell’Unione internazionale per la conservazione della natura. Mentre l’organizzazione si affida a diversi gruppi di esperti che possono lavorare da diverse prospettive su come definire al meglio una specie, la codifica a barre del DNA ha aiutato molti di questi gruppi a discriminare più precisamente tra le diverse specie.

“Chiediamo loro di pensare a tutte le nuove prove genetiche che stanno arrivando ora”, dice Hilton-Taylor delle procedure dell’IUCN oggi.

Anche se innovativa, la tecnica originale di codifica a barre aveva dei limiti. Per esempio, funzionava solo sugli animali, non sulle piante perché il gene COI non mutava abbastanza velocemente nelle piante. Nel 2007, Kress ha contribuito ad espandere la tecnica di Hebert identificando altri geni che mutano altrettanto rapidamente nelle piante, consentendo studi come quello della savana.

Kress ricorda come, a partire dal 2008, lui e un suo ex collega, l’ecologo dell’Università del Connecticut Carlos García-Robledo, hanno usato il DNA barcoding per confrontare le varie piante di cui si nutrivano diverse specie di insetti nella foresta pluviale del Costa Rica. Sono stati in grado di raccogliere gli insetti, macinarli e sequenziare rapidamente il DNA dalle loro viscere per determinare ciò che mangiavano.

In precedenza, García-Robledo e altri scienziati avrebbero dovuto tediosamente seguire gli insetti e documentare le loro diete. “Ci possono volere anni per un ricercatore per comprendere appieno le diete di una comunità di insetti erbivori in una foresta pluviale tropicale senza l’aiuto dei codici a barre del DNA”, ha detto Garcá-Robledo a Smithsonian Insider in un’intervista del 2013.

Da allora sono stati in grado di estendere quella ricerca guardando come il numero di specie e le loro diete differiscono a diverse altitudini, e come l’aumento delle temperature dal cambiamento climatico potrebbe influenzare questo come specie sono costrette a muoversi sempre più in alto. “Abbiamo sviluppato un’intera e complessa rete di interazione tra insetti e piante, che era impossibile da fare prima”, dice Kress.

“Improvvisamente, in un modo molto più semplice, utilizzando il DNA, abbiamo potuto effettivamente tracciare, quantificare e ripetere questi esperimenti e capire queste cose in modo molto più dettagliato”, aggiunge. Kress e altri ricercatori stanno ora utilizzando la codifica a barre per analizzare campioni di suolo per le comunità di organismi che li abitano, dice. Il barcoding è anche promettente per aiutare a identificare i resti di materiale genetico trovati nell’ambiente. “Per gli ecologisti”, dice Kress, “il barcoding del DNA sta davvero aprendo un modo completamente diverso di seguire le cose negli habitat dove non potevamo seguirle prima.”

Permettendo agli scienziati di esaminare un gene specifico invece di dover sequenziare interi genomi e confrontarli, Hebert sperava che il suo metodo avrebbe permesso di eseguire analisi genetiche e identificazione molto più rapidamente ed economicamente rispetto al sequenziamento completo. “Gli ultimi 14 anni hanno dimostrato che funziona molto più efficacemente ed è molto più semplice da implementare di quanto avessi previsto”, dice ora.

Ma vede ancora spazio per il progresso. “Siamo davvero alle prese con dati inadeguati in termini di abbondanza e distribuzione delle specie”, dice Hebert dei conservazionisti ora. Il rapido miglioramento della tecnologia per analizzare i campioni di DNA più velocemente e con meno materiale richiesto accoppiato al DNA barcoding offre una via d’uscita, dice Hebert, con i moderni scanner già in grado di leggere centinaia di milioni di coppie di basi in ore, rispetto alle migliaia di coppie di basi che potrebbero essere lette nello stesso tempo dalla tecnologia precedente.

Hebert immagina un futuro in cui il DNA viene raccolto e sequenziato automaticamente da sensori in tutto il mondo, permettendo ai conservazionisti e tassonomisti di accedere a grandi quantità di dati sulla salute e sulla distribuzione di varie specie. Sta lavorando ora per organizzare una biblioteca mondiale di codici a barre del DNA che gli scienziati possono utilizzare per identificare rapidamente un esemplare sconosciuto – qualcosa come un vero e proprio Pokedex.

“Come si potrebbe prevedere il cambiamento climatico se si legge la temperatura in un punto del pianeta o un giorno all’anno? Sottolinea Hebert. “Se vogliamo prendere sul serio la conservazione della biodiversità, dobbiamo cambiare completamente il nostro punto di vista sulla quantità di monitoraggio che sarà necessario”.