Zwierzęta roślinożerne, które przemierzają afrykańską sawannę, są masywne i dużo jedzą. Jednak w jakiś sposób udaje im się żyć w mniej więcej tym samym miejscu, wspierane przez to samo skąpo porośnięte środowisko. W 2013 roku ekolodzy chcieli się dowiedzieć, jak to dokładnie działa. Jednak, ponieważ słonie, zebry, bawoły i impale wędrować wiele mil do paszy i nie są lubi wścibskich ludzi oglądając je jeść, to było prawie niemożliwe, aby dowiedzieć się ich diets.
Badacze byli w lewo, jak często są, do kontroli kupy. Ale strawione rośliny były niemożliwe do zidentyfikowania przez ludzkie oczy sam. Więc dla tej zagadki, zwrócili się do tego, co było stosunkowo nową techniką genetyczną: DNA barcoding.

Ekologowie wzięli próbki do laboratorium i przeszukali DNA szczątków roślinnych, szukając jednego konkretnego genu znanego jako oksydaza cytochromu c I. Ze względu na jego lokalizację w mitochondriach komórki, gen ten, znany jako COI w skrócie, ma wskaźnik mutacji mniej więcej trzy razy większy niż inne formy DNA. Oznacza to, że będzie on wyraźniej pokazywał różnice genetyczne między nawet bardzo blisko spokrewnionymi organizmami, co czyni go użytecznym sposobem rozróżniania gatunków w grupach od ptaków po motyle, jak metka na wewnętrznej stronie koszuli lub kod kreskowy w sklepie spożywczym.

Za tę genialną metodę, trafnie nazwaną kodem kreskowym DNA, możemy podziękować jednemu genetykowi, który miał dość „stresujących” i czasochłonnych metod tradycyjnej taksonomii. Paul Hebert, biolog molekularny z Uniwersytetu Guelph w Kanadzie, wspomina pewną mokrą, pochmurną noc, którą spędził zbierając owady w arkuszu jako badacz podoktorski w Nowej Gwinei.

„Kiedy następnego dnia sortowaliśmy je morfologicznie, zdaliśmy sobie sprawę, że były tam tysiące gatunków, które się pojawiły”, mówi Hebert. Wiele z nich, o ile mógł powiedzieć, nigdy nie zostało opisanych przez naukę. „Zdałem sobie sprawę, że tej jednej nocy natrafiłem na tyle okazów, że będę miał zajęcie do końca życia,” mówi.

Hebert kontynuuje: „To było w tym momencie, że całkiem dużo … zdałem sobie sprawę, że morfologiczna taksonomia nie może być sposobem na rejestrowanie życia na naszej planecie”. Oddał swoje kolekcje okazów i przeniósł się do innych badań w biologii ewolucyjnej Arktyki – „najniższe siedliska różnorodności gatunkowej, jakie mogłem znaleźć”, według jego słów – ale temat pomiaru różnorodności biologicznej Ziemi zawsze pozostawał w tyle jego umysłu.

Technologia nadal posuwała się naprzód w połowie lat 90-tych, pozwalając naukowcom na izolowanie i analizowanie coraz mniejszych fragmentów DNA. Hebert, który pracował w Australii jako badacz wizytujący, postanowił zacząć „bawić się” sekwencjonowaniem DNA różnych organizmów i poszukiwaniem pojedynczej sekwencji, którą można by łatwo wyizolować i wykorzystać do szybkiego rozróżniania gatunków. „Zdecydowałem się na ten jeden region genu mitochondrialnego, który okazał się skuteczny w wielu przypadkach” – mówi. To był COI.

Hebert postanowił przetestować swoją metodę na własnym podwórku, zbierając dziesiątki owadów i kodując je za pomocą kodów kreskowych. Odkrył, że może łatwo rozróżnić owady. „Pomyślałem 'Hej, jeśli to działa na 200 gatunkach w moim ogródku, dlaczego nie będzie działać na całej planecie?”

I, z pewnymi wyjątkami, tak się stało.

Używając tej techniki, badacze w 2013 roku w badaniu sawanny byli w stanie poskładać razem zróżnicowane diety tych współistniejących zwierząt. „Mogliśmy powiedzieć wszystko, co zwierzęta jedzą z barcoding ich scats,” mówi W. John Kress, kurator botaniki w Smithsonian’s National Museum of Natural History, który współpracował w badaniu. Informując menedżerów dzikiej przyrody i naukowców dokładnie to, co trawy każde zwierzę karmi, wyniki te „może mieć bezpośredni wpływ na projektowanie nowych obszarów ochrony dla tych zwierząt” Kress mówi.

To również dał ekologów większy obraz tego, jak cały ekosystem działa razem. „Teraz można zobaczyć, jak te gatunki współistnieją na sawannie” – mówi Kress. Dziś sama idea tego, co tworzy gatunek, zmienia się dzięki kodowaniu paskowemu DNA i innym technikom genetycznym.

Od czasów Darwina, taksonomowie odsiewali gatunki na podstawie tego, co mogli zaobserwować. Tzn. jeśli wygląda jak kaczka, chodzi jak kaczka i brzmi jak kaczka – wrzucali to do stosu kaczek. Pojawienie się sekwencjonowania DNA w latach 80. zmieniło zasady gry. Teraz, odczytując kod genetyczny, który czyni organizm tym, czym jest, naukowcy mogli uzyskać nowy wgląd w historię ewolucji gatunków. Jednak porównywanie milionów lub miliardów par zasad, które tworzą genom, może być kosztowne i czasochłonne.

Z markerem takim jak oksydaza cytochromu c I, możesz wskazać te rozróżnienia szybciej i skuteczniej. W ciągu kilku godzin – tyle trwa sekwencjonowanie kodu kreskowego DNA w dobrze wyposażonym laboratorium biologii molekularnej – można stwierdzić, że dwa gatunki, które na powierzchni wyglądają dokładnie tak samo, różnią się znacznie na poziomie genetycznym. Zaledwie w zeszłym roku naukowcy z Chile wykorzystali kod kreskowy DNA do zidentyfikowania nowego gatunku pszczoły, którego badacze owadów nie dostrzegli przez ostatnie 160 lat.

Współpracując z Hebertem, eksperci tacy jak kurator entomologii Narodowego Muzeum Historii Naturalnej John Burns byli w stanie rozróżnić wiele organizmów, które kiedyś uważano za ten sam gatunek. Postępy w tej technice pozwalają teraz badaczom na kod kreskowy okazów muzealnych z 1800 roku, mówi Burns, otwierając możliwość przeklasyfikowania dawno ustalonych definicji gatunków. Rok po tym, jak Hebert przedstawił zarys kodowania kreskowego DNA, Burns sam użył go do zidentyfikowania jednego z takich przypadków – gatunku motyla zidentyfikowanego w 1700 roku, który w rzeczywistości okazał się być 10 odrębnymi gatunkami.

Odgraniczenie mrocznych definicji gatunków ma konsekwencje poza środowiskiem akademickim. Może dać naukowcom i ustawodawcom lepsze wyczucie liczby i zdrowia gatunków, co jest kluczową informacją dla ich ochrony, mówi Craig Hilton-Taylor, który zarządza „Czerwoną Listą” Międzynarodowej Unii Ochrony Przyrody. Podczas gdy organizacja opiera się na różnych grupach ekspertów, którzy mogą pracować z różnych perspektyw, jak najlepiej zdefiniować gatunek, kodowanie kreskowe DNA pomogło wielu z tych grup bardziej precyzyjnie rozróżnić różne gatunki.

„Prosimy ich, aby pomyśleli o wszystkich nowych dowodach genetycznych, które pojawiają się teraz,” Hilton-Taylor mówi o dzisiejszych procedurach IUCN.

Chociaż innowacyjna, oryginalna technika kodowania kreskowego miała ograniczenia. Na przykład, działała tylko na zwierzętach, a nie na roślinach, ponieważ gen COI nie mutował wystarczająco szybko w roślinach. W 2007 roku Kress pomógł rozwinąć technikę Heberta, identyfikując inne geny, które mutują podobnie szybko w roślinach, co pozwoliło na przeprowadzenie badań takich jak te na sawannie.

Kress wspomina, jak w 2008 roku on i jego dawny kolega, ekolog z Uniwersytetu Connecticut Carlos García-Robledo, użyli kodowania paskowego DNA do porównania różnych roślin, którymi żywiły się różne gatunki owadów w lasach deszczowych Kostaryki. Byli w stanie zebrać owady, zmielić je i szybko sekwencjonować DNA z ich wnętrzności, aby określić, co jedli.

Poprzednio, García-Robledo i inni naukowcy musieliby żmudnie śledzić owady wokół i dokumentować ich diety. „To może zająć lata dla badacza, aby w pełni zrozumieć diety społeczności roślinożerców owadów w tropikalnym lesie deszczowym bez pomocy kodów kreskowych DNA,” García-Robledo powiedział Smithsonian Insider w wywiadzie 2013.

Od tego czasu byli w stanie rozszerzyć te badania, patrząc na to, jak liczba gatunków i ich diety różnią się na różnych wysokościach, i jak rosnące temperatury ze zmian klimatycznych mogą wpłynąć na to, jak gatunki są zmuszone do poruszania się wyżej i wyżej. „Stworzyliśmy całą, złożoną sieć interakcji między owadami i roślinami, co wcześniej było niemożliwe” – mówi Kress.

„Nagle, w znacznie prostszy sposób, przy użyciu DNA, mogliśmy faktycznie śledzić, kwantyfikować i powtarzać te eksperymenty i zrozumieć te rzeczy w znacznie bardziej szczegółowy sposób”, dodaje. Kress i inni badacze wykorzystują obecnie kodowanie kreskowe do analizy próbek gleby pod kątem społeczności organizmów, które je zamieszkują. Barcoding posiada również obietnicę pomocy w identyfikacji pozostałości materiału genetycznego znalezionego w środowisku.

„Dla ekologów,” mówi Kress, „DNA barcoding jest naprawdę otwarciem zupełnie inny sposób śledzenia rzeczy w siedliskach, gdzie nie mogliśmy śledzić je wcześniej.”

Pozwalając naukowcom na zbadanie jednego konkretnego genu zamiast konieczności sekwencjonowania całych genomów i porównywania ich, Hebert miał nadzieję, że jego metoda pozwoli na analizę genetyczną i identyfikację, aby być wykonywane znacznie szybciej i taniej niż pełne sekwencjonowanie. „Ostatnie 14 lat pokazało, że działa to znacznie skuteczniej i jest znacznie prostsze do wdrożenia niż przewidywałem”, mówi teraz.

Ale nadal widzi miejsce na postęp. „Naprawdę zmagamy się z niewystarczającą ilością danych na temat liczebności i rozmieszczenia gatunków” – mówi Hebert o konserwatorach przyrody. Szybko poprawiająca się technologia analizy próbek DNA szybciej i przy mniejszej ilości potrzebnego materiału w połączeniu z kodowaniem paskowym DNA oferuje wyjście z sytuacji, mówi Hebert, przy czym nowoczesne skanery są już w stanie odczytać setki milionów par zasad w ciągu kilku godzin, w porównaniu z tysiącami par zasad, które mogłyby być odczytane w tym samym czasie przez wcześniejszą technologię.

Hebert przewiduje przyszłość, w której DNA jest zbierane i sekwencjonowane automatycznie z czujników na całym świecie, umożliwiając konserwatorom i taksonomom dostęp do ogromnej ilości danych na temat zdrowia i rozmieszczenia różnych gatunków. Obecnie pracuje on nad zorganizowaniem światowej biblioteki kodów kreskowych DNA, które naukowcy mogliby wykorzystać do szybkiej identyfikacji nieznanego okazu – coś w rodzaju Pokedexu z prawdziwego zdarzenia.

„Jak przewidziałbyś zmiany klimatu, gdybyś odczytywał temperaturę w jednym punkcie planety lub jednego dnia w roku?” zauważa Hebert. „Jeśli zamierzamy poważnie podejść do kwestii ochrony bioróżnorodności, musimy całkowicie zmienić nasze poglądy na temat ilości monitoringu, który będzie wymagany.”

.