Herbivorele care cutreieră savana africană sunt masive și mănâncă mult. Totuși, cumva, toate reușesc să trăiască aproximativ în același loc, susținute de același mediu cu vegetație rară. În 2013, ecologiștii au vrut să știe exact cum funcționează acest lucru. Cu toate acestea, deoarece elefanții, zebrele, bivolii și impala cutreieră mulți kilometri pentru a se hrăni și nu sunt încântați de oamenii curioși care îi privesc cum mănâncă, a fost aproape imposibil să își dea seama care le este regimul alimentar.
Cercetătorii au fost nevoiți, așa cum se întâmplă atât de des, să examineze rahatul. Dar plantele digerate au fost imposibil de identificat doar cu ochiul uman. Așa că, pentru această enigmă, au apelat la ceea ce era o tehnică genetică relativ nouă: DNA barcoding.

Ecologii au dus probele în laborator și au analizat ADN-ul rămășițelor de plante, căutând o genă specifică cunoscută sub numele de Citocrom c oxidază I. Datorită localizării sale în mitocondriile celulei, gena, cunoscută sub denumirea prescurtată de COI, are o rată de mutație de aproximativ trei ori mai mare decât cea a altor forme de ADN. Acest lucru înseamnă că va arăta mai distinct diferențele genetice între organisme chiar și foarte apropiate, ceea ce o face o modalitate utilă de a distinge speciile în grupuri, de la păsări la fluturi – la fel ca eticheta de pe interiorul cămășii dvs. sau codul de bare al unui magazin alimentar.

Pentru această metodă ingenioasă, denumită pe bună dreptate cod de bare ADN, putem mulțumi unui genetician care s-a săturat de metodele „stresante” și consumatoare de timp ale taxonomiei tradiționale. Paul Hebert, un biolog molecular de la Universitatea Guelph din Canada, își amintește de o noapte umedă și înnorată pe care a petrecut-o colectând insecte într-un cearșaf în calitate de cercetător postdoctoral în Noua Guinee.

„Când le-am sortat morfologic a doua zi, ne-am dat seama că erau mii de specii care veniseră”, spune Hebert. Multe, din câte și-a dat seama, nu fuseseră niciodată descrise de știință. „Mi-am dat seama că în acea noapte am întâlnit suficiente specimene pentru a mă ține ocupat pentru tot restul vieții mele”, spune el.

Hebert continuă: „În acel moment mi-am dat seama destul de mult … că taxonomia morfologică nu putea fi calea de a înregistra viața pe planeta noastră”. El a renunțat la colecțiile sale de specimene și a trecut la alte cercetări în biologia evolutivă a Arcticii – „habitatele cu cea mai mică diversitate a speciilor pe care le-am putut găsi”, după spusele sale – dar subiectul măsurării biodiversității Pământului a rămas mereu în mintea sa.

Tehnologia a continuat să avanseze la mijlocul anilor 1990, permițând cercetătorilor să izoleze și să analizeze bucăți din ce în ce mai mici de ADN. Hebert, care lucra în Australia ca cercetător invitat, a decis să înceapă să se „joace” secvențiind ADN-ul diferitelor organisme și căutând o singură secvență care să poată fi izolată cu ușurință și folosită pentru a distinge rapid speciile. „M-am oprit asupra acestei singure regiuni genetice mitocondriale ca fiind eficientă în multe cazuri”, spune el. Aceasta era COI.

Hebert a decis să își testeze metoda în propria curte, colectând zeci de insecte și făcând coduri de bare. El a constatat că putea distinge cu ușurință insectele. „M-am gândit: „Hei, dacă funcționează pe 200 de specii din curtea mea, de ce nu va funcționa și pe planetă?””

Și, cu unele excepții, a funcționat.

Utilizând această tehnică, cercetătorii din studiul din savană din 2013 au reușit să pună cap la cap dietele variate ale acestor animale care coexistă. „Am putut să ne dăm seama de tot ceea ce mâncau animalele din codul de bare al urșilor lor”, spune W. John Kress, curator de botanică la Muzeul Național de Istorie Naturală al Smithsonian, care a colaborat la studiu. Informând managerii de animale sălbatice și oamenii de știință exact cu ce ierburi se hrănește fiecare animal, aceste rezultate „ar putea avea un impact direct asupra conceperii de noi zone de conservare pentru aceste animale”, spune Kress.

De asemenea, le-a oferit ecologiștilor o imagine mai amplă a modului în care întregul ecosistem funcționează împreună. „Acum se poate vedea cum aceste specii coexistă de fapt în savană”, spune Kress. Astăzi, însăși ideea a ceea ce reprezintă o specie se schimbă, datorită codului de bare de ADN și a altor tehnici genetice.

Încă de pe vremea lui Darwin, taxonomiștii au cernut speciile pe baza a ceea ce puteau observa. Adică, dacă arată ca o rață, merge ca o rață și sună ca o rață – aruncați-o în grămada de rațe. Apariția secvențierii ADN în anii 1980 a schimbat regulile jocului. Acum, prin citirea codului genetic care face ca un organism să fie ceea ce este, oamenii de știință pot obține noi informații despre istoria evolutivă a speciilor. Cu toate acestea, compararea milioanelor sau miliardelor de perechi de baze care alcătuiesc genomul poate fi o propunere costisitoare și consumatoare de timp.

Cu un marker precum citocromul c oxidază I, puteți identifica cu precizie aceste distincții mai rapid și mai eficient. Codul de bare vă poate spune în câteva ore – cât durează secvențierea unui cod de bare ADN într-un laborator de biologie moleculară bine echipat – că două specii care arată exact la fel la suprafață sunt substanțial diferite la nivel genetic. Chiar anul trecut, oamenii de știință din Chile au folosit codurile de bare ADN pentru a identifica o nouă specie de albine pe care cercetătorii de insecte nu o observaseră în ultimii 160 de ani.

Lucrând cu Hebert, experți precum conservatorul de entomologie al Muzeului Național de Istorie Naturală, John Burns, au reușit să distingă multe organisme despre care se credea cândva că sunt de aceeași specie. Progresele tehnicii permit acum cercetătorilor să codifice cu coduri de bare specimene de muzeu din anii 1800, spune Burns, deschizând posibilitatea reclasificării unor definiții ale speciilor stabilite de mult timp. La un an după ce Hebert a prezentat codurile de bare ADN, Burns a folosit el însuși codul de bare pentru a identifica un astfel de caz – o specie de fluture identificată în anii 1700, care s-a dovedit a fi de fapt 10 specii separate.

Cercetarea definițiilor tulburi ale speciilor are ramificații în afara mediului academic. Le poate oferi oamenilor de știință și legislatorilor o idee mai bună despre numărul și sănătatea unei specii, informații cruciale pentru protejarea acestora, spune Craig Hilton-Taylor, care gestionează „Lista Roșie” a Uniunii Internaționale pentru Conservarea Naturii. În timp ce organizația se bazează pe diferite grupuri de experți care pot lucra din perspective diferite cu privire la modul cel mai bun de a defini o specie, codul de bare ADN a ajutat multe dintre aceste grupuri să discrimineze mai precis între diferite specii.

„Le cerem să se gândească la toate noile dovezi genetice care apar acum”, spune Hilton-Taylor despre procedurile actuale ale UICN.

Deși inovatoare, tehnica originală de cod de bare a avut limitări. De exemplu, a funcționat doar pe animale, nu și pe plante, deoarece gena COI nu a suferit mutații suficient de rapide în plante. În 2007, Kress a ajutat la extinderea tehnicii lui Hebert prin identificarea altor gene care suferă mutații la fel de rapide în plante, permițând realizarea unor studii precum cel din savană.

Kress își amintește cum, începând cu 2008, el și un fost coleg de-al său, ecologistul Carlos García-Robledo de la Universitatea din Connecticut, au folosit codurile de bare ADN pentru a compara diferitele plante cu care se hrăneau diferite specii de insecte din pădurea tropicală din Costa Rica. Ei au fost capabili să colecteze insecte, să le macine și să secvențieze rapid ADN-ul din intestinele lor pentru a determina ce mâncau.

Până acum, García-Robledo și alți oameni de știință ar fi trebuit să urmărească plictisitor insectele și să le documenteze dieta. „Poate dura ani de zile pentru ca un cercetător să înțeleagă pe deplin dietele unei comunități de insecte erbivore dintr-o pădure tropicală tropicală fără ajutorul codurilor de bare ADN”, a declarat García-Robledo pentru Smithsonian Insider într-un interviu din 2013.

De atunci, ei au reușit să extindă această cercetare analizând modul în care numărul de specii și dietele lor diferă la diferite altitudini și modul în care temperaturile în creștere din cauza schimbărilor climatice ar putea avea un impact asupra acestui lucru, deoarece speciile sunt forțate să se deplaseze din ce în ce mai sus. „Am dezvoltat o întreagă rețea complexă a modului în care insectele și plantele interacționează, ceea ce era imposibil de realizat înainte”, spune Kress.

„Dintr-o dată, într-un mod mult mai simplu, folosind ADN-ul, am putut de fapt să urmărim, să cuantificăm și să repetăm aceste experimente și să înțelegem aceste lucruri într-un mod mult mai detaliat”, adaugă el. Kress și alți cercetători folosesc acum, de asemenea, codul de bare pentru a analiza eșantioanele de sol pentru comunitățile de organisme care le locuiesc, spune el. Codul de bare este, de asemenea, promițător pentru a ajuta la identificarea resturilor de material genetic găsite în mediul înconjurător.

„Pentru ecologiști”, spune Kress, „codul de bare de ADN deschide cu adevărat o modalitate complet diferită de a urmări lucruri în habitate unde nu le puteam urmări înainte.”

Prin faptul că le permite oamenilor de știință să examineze o genă specifică în loc să fie nevoie să secvențieze genomuri întregi și să le compare, Hebert a sperat că metoda sa va permite ca analiza și identificarea genetică să fie efectuate mult mai rapid și mai ieftin decât secvențierea completă. „Ultimii 14 ani au arătat că funcționează mult mai eficient și că este mult mai simplu de implementat decât am anticipat”, spune el acum.

Dar el încă mai vede loc de progres. „Ne luptăm cu adevărat cu date inadecvate în ceea ce privește abundența și distribuția speciilor”, spune acum Hebert despre conservatori. Îmbunătățirea rapidă a tehnologiei de analiză a probelor de ADN mai rapid și cu mai puțin material necesar, împreună cu codurile de bare de ADN, oferă o cale de ieșire, spune Hebert, scanerele moderne fiind deja capabile să citească sute de milioane de perechi de baze în câteva ore, în comparație cu miile de perechi de baze care puteau fi citite în același timp de tehnologia anterioară.

Hebert își imaginează un viitor în care ADN-ul este colectat și secvențiat automat de la senzori din întreaga lume, permițând conservatorilor și taxonomiștilor să acceseze cantități uriașe de date privind sănătatea și distribuția diferitelor specii. El lucrează acum la organizarea unei biblioteci mondiale de coduri de bare ADN pe care oamenii de știință le pot folosi pentru a identifica rapid un specimen necunoscut – ceva de genul unui Pokedex din viața reală.

„Cum ați putea prezice schimbările climatice dacă ați citi temperatura într-un punct al planetei sau într-o zi pe an?” subliniază Hebert. „Dacă vrem să devenim serioși în ceea ce privește conservarea biodiversității, trebuie doar să ne schimbăm complet punctul de vedere cu privire la cantitatea de monitorizare care va fi necesară.”

.