De herbivoren die op de Afrikaanse savanne rondzwerven zijn massaal, en ze eten veel. Toch slagen ze er op de een of andere manier in om allemaal op ongeveer dezelfde plek te leven, gesteund door dezelfde schaars begroeide omgeving. In 2013 wilden ecologen precies weten hoe dit werkte. Maar omdat olifanten, zebra’s, buffels en impala’s vele kilometers afleggen om zich te voeden en er niet van houden dat nieuwsgierige mensen toekijken hoe ze eten, was het bijna onmogelijk om hun voedingspatroon te achterhalen.
De onderzoekers moesten, zoals zo vaak, poep onderzoeken. Maar de verteerde planten waren onmogelijk te identificeren met menselijke ogen alleen. Dus voor deze puzzel, wendden ze zich tot een relatief nieuwe genetische techniek: DNA barcoding.

Ecologen brachten monsters naar het lab en doorzochten het DNA van de plantenresten, op zoek naar een specifiek gen dat bekend staat als Cytochrome c oxidase I. Vanwege de locatie in de mitochondriën van de cel, heeft het gen, kortweg COI genoemd, een mutatiesnelheid die ruwweg drie keer zo hoog is als bij andere vormen van DNA. Dat betekent dat het de genetische verschillen tussen zelfs zeer nauw verwante organismen duidelijker laat zien, waardoor het een nuttige manier is om soorten in groepen van vogels tot vlinders uit elkaar te houden, zoals het label aan de binnenkant van je shirt, of de streepjescode van een kruidenierswinkel.

Voor deze ingenieuze methode, die toepasselijk DNA-barcoding wordt genoemd, kunnen we een geneticus bedanken die genoeg had van de “stressvolle” en tijdrovende methoden van de traditionele taxonomie. Paul Hebert, een moleculair bioloog aan de Universiteit van Guelph in Canada, herinnert zich een natte, bewolkte nacht die hij doorbracht met het verzamelen van insecten in een laken als postdoctoraal onderzoeker in Nieuw-Guinea.

“Toen we ze de volgende dag morfologisch sorteerden, realiseerden we ons dat er duizenden soorten waren binnengekomen,” zegt Hebert. Vele waren, voor zover hij kon zien, nog nooit beschreven door de wetenschap. “Ik realiseerde me op die ene avond dat ik genoeg specimens was tegengekomen om me voor de rest van mijn leven bezig te houden,” zegt hij.

Hebert vervolgt: “Het was op dat moment dat ik me zo’n beetje … realiseerde dat morfologische taxonomie niet de manier kon zijn om het leven op onze planeet te registreren.” Hij gaf zijn specimenverzamelingen weg en ging verder met ander onderzoek in de Arctische evolutiebiologie – de “habitats met de laagste soortenrijkdom die ik kon vinden”, in zijn woorden – maar het onderwerp van het meten van de biodiversiteit van de aarde bleef altijd in zijn achterhoofd hangen.

De technologie bleef in het midden van de jaren negentig vooruitgaan, waardoor onderzoekers steeds kleinere stukjes DNA konden isoleren en analyseren. Hebert, die als gastonderzoeker in Australië werkte, besloot te gaan “spelen” met de sequentiebepaling van het DNA van verschillende organismen en te zoeken naar één enkele sequentie die gemakkelijk kon worden geïsoleerd en gebruikt om snel soorten te onderscheiden. “Ik kwam uit op één mitochondriaal gengebied dat in veel gevallen effectief was,” zegt hij. Dat was COI.

Hebert besloot zijn methode in zijn eigen achtertuin te testen, door tientallen insecten te verzamelen en ze van een barcode te voorzien. Hij ontdekte dat hij de insecten gemakkelijk kon onderscheiden. “Ik dacht ‘Hé, als het werkt bij 200 soorten in mijn achtertuin, waarom zou het dan niet werken op de planeet?”

En, op enkele uitzonderingen na, heeft het gewerkt.

Met behulp van deze techniek waren de onderzoekers in de savanne-studie van 2013 in staat om de verschillende diëten van deze samenlevende dieren samen te stellen. “We konden alles vertellen wat de dieren aten door hun uitwerpselen te barcoderen”, zegt W. John Kress, conservator botanica van het Smithsonian’s National Museum of Natural History, die meewerkte aan de studie. Door wildbeheerders en wetenschappers precies te informeren over welke grassen elk dier zich voedt, kunnen deze resultaten “direct van invloed zijn op het ontwerpen van nieuwe beschermingsgebieden voor deze dieren,” zegt Kress.

Het gaf ecologen ook een groter beeld van hoe het hele ecosysteem samenwerkt. “Nu kun je zien hoe deze soorten eigenlijk naast elkaar bestaan op de savanne,” zegt Kress. Tegenwoordig is het idee van wat een soort is aan het veranderen, dankzij DNA-barcoding en andere genetische technieken.

Sinds de dagen van Darwin hebben taxonomen soorten uitgezocht op basis van wat ze konden waarnemen. D.w.z. als het eruit ziet als een eend, loopt als een eend, en klinkt als een eend – gooi het op de eendenstapel. De komst van DNA-sequencing in de jaren 1980 veranderde het spel. Door nu de genetische code te lezen die een organisme maakt tot wat het is, konden wetenschappers nieuwe inzichten verwerven in de evolutionaire geschiedenis van soorten. Het vergelijken van de miljoenen of miljarden basenparen waaruit het genoom bestaat, kan echter een dure en tijdrovende aangelegenheid zijn.

Met een merker als Cytochroom c oxidase I kun je deze verschillen sneller en efficiënter aanwijzen. Met behulp van barcoding kun je in een paar uur – zo lang duurt het om een DNA-barcode te sequencen in een goed uitgerust laboratorium voor moleculaire biologie – vaststellen dat twee soorten die er aan de oppervlakte precies hetzelfde uitzien, op genetisch niveau wezenlijk van elkaar verschillen. Vorig jaar nog hebben wetenschappers in Chili met behulp van DNA-barcoding een nieuwe bijensoort geïdentificeerd die insectenonderzoekers de afgelopen 160 jaar over het hoofd hadden gezien.

In samenwerking met Hebert hebben deskundigen zoals John Burns, conservator entomologie van het National Museum of Natural History, een onderscheid kunnen maken tussen veel organismen waarvan men vroeger dacht dat ze tot dezelfde soort behoorden. Vooruitgang in de techniek stelt onderzoekers nu in staat om museumexemplaren uit de jaren 1800 van een streepjescode te voorzien, zegt Burns, wat de mogelijkheid opent om lang gevestigde definities van soorten opnieuw te classificeren. Een jaar nadat Hebert de DNA-barcoding schetste, gebruikte Burns het zelf om één zo’n geval te identificeren – een vlindersoort die in de jaren 1700 werd geïdentificeerd en die in feite tien verschillende soorten bleek te zijn.

Het vaststellen van duistere soortdefinities heeft vertakkingen buiten de academische wereld. Het kan wetenschappers en wetgevers een beter idee geven van de aantallen en de gezondheid van een soort, cruciale informatie voor de bescherming ervan, zegt Craig Hilton-Taylor, die de “Rode Lijst” van de International Union for the Conservation of Nature beheert. Hoewel de organisatie afhankelijk is van verschillende groepen deskundigen die kunnen werken vanuit verschillende perspectieven over hoe een soort het beste kan worden gedefinieerd, heeft DNA-barcoding veel van deze groepen geholpen nauwkeuriger onderscheid te maken tussen verschillende soorten.

“We vragen hen om na te denken over al het nieuwe genetische bewijs dat nu naar voren komt,” zegt Hilton-Taylor over de procedures van de IUCN vandaag.

Hoewel innovatief, had de oorspronkelijke barcodingtechniek beperkingen. Het werkte bijvoorbeeld alleen op dieren, niet op planten, omdat het COI-gen bij planten niet snel genoeg muteerde. In 2007 hielp Kress de techniek van Hebert uit te breiden door andere genen te identificeren die even snel muteren in planten, waardoor studies zoals die op de savanne konden worden uitgevoerd.

Kress herinnert zich hoe hij en een vroegere collega van hem, de ecoloog Carlos García-Robledo van de Universiteit van Connecticut, vanaf 2008 DNA-barcoding gebruikten om de verschillende planten te vergelijken waar verschillende insectensoorten zich mee voedden in het regenwoud van Costa Rica. Ze waren in staat om insecten te verzamelen, ze te vermalen, en snel het DNA van hun darmen te sequencen om te bepalen wat ze aten.

Voorheen zouden García-Robledo en andere wetenschappers moeizaam insecten hebben moeten volgen en hun diëten hebben moeten documenteren. “Het kan jaren duren voordat een onderzoeker de diëten van een gemeenschap van insectenherbivoren in een tropisch regenwoud volledig begrijpt zonder de hulp van DNA-barcodes,” vertelde García-Robledo Smithsonian Insider in een interview in 2013.

Ze zijn sindsdien in staat geweest om dat onderzoek uit te breiden door te kijken naar hoe het aantal soorten en hun diëten verschillen op verschillende hoogten, en hoe stijgende temperaturen als gevolg van klimaatverandering dit zouden kunnen beïnvloeden als soorten gedwongen worden om steeds hoger te gaan wonen. “We hebben een heel, complex netwerk ontwikkeld van hoe insecten en planten op elkaar inwerken, wat voorheen onmogelijk was om te doen,” zegt Kress.

“Plotseling, op een veel eenvoudigere manier, met behulp van DNA, konden we deze experimenten daadwerkelijk volgen, kwantificeren en herhalen en deze dingen op een veel gedetailleerdere manier begrijpen,” voegt hij eraan toe. Kress en andere onderzoekers gebruiken barcoding nu ook om bodemmonsters te analyseren op de gemeenschappen van organismen die erin leven, zegt hij. Barcoding is ook veelbelovend voor het helpen identificeren van restanten van genetisch materiaal dat in het milieu wordt gevonden.

“Voor ecologen,” zegt Kress, “opent DNA-barcoding echt een heel andere manier om dingen te volgen in habitats waar we ze eerder niet konden volgen.”

Door wetenschappers in staat te stellen één specifiek gen te onderzoeken in plaats van volledige genomen te sequencen en ze te vergelijken, had Hebert gehoopt dat zijn methode genetische analyse en identificatie veel sneller en goedkoper zou kunnen uitvoeren dan volledige sequencing. “De afgelopen 14 jaar hebben aangetoond dat het veel effectiever werkt en dat het veel eenvoudiger te implementeren is dan ik had verwacht,” zegt hij nu.

Maar hij ziet nog steeds ruimte voor vooruitgang. “We worstelen echt met ontoereikende gegevens in termen van soortenrijkdom en verspreiding,” zegt Hebert van natuurbeschermers nu. Snel verbeterende technologie om DNA-monsters sneller en met minder materiaal te analyseren in combinatie met DNA-barcoding biedt een uitweg, zegt Hebert, met moderne scanners die al in staat zijn om honderden miljoenen basenparen in uren te lezen, vergeleken met de duizenden basenparen die in diezelfde tijd konden worden gelezen door eerdere technologie.

Hebert ziet een toekomst waarin DNA automatisch wordt verzameld en gesequenced van sensoren over de hele wereld, waardoor natuurbeschermers en taxonomen toegang krijgen tot enorme hoeveelheden gegevens over de gezondheid en de verspreiding van verschillende soorten. Hij werkt nu aan een wereldwijde bibliotheek van DNA-barcodes die wetenschappers kunnen gebruiken om snel een onbekend exemplaar te identificeren – zoiets als een echte Pokedex.

“Hoe zou je klimaatverandering kunnen voorspellen als je de temperatuur op één punt op de planeet of op één dag per jaar zou aflezen?” Hebert wijst erop. “Als we serieus werk willen maken van het behoud van biodiversiteit, moeten we onze opvattingen over de hoeveelheid monitoring die nodig is, volledig herzien.