De växtätare som vandrar runt på den afrikanska savannen är enorma, och de äter mycket. Men på något sätt lyckas de alla leva på ungefär samma plats, med stöd av samma sparsamt bevuxna miljö. År 2013 ville ekologer veta exakt hur detta fungerade. Men eftersom elefanter, zebror, bufflar och impalor vandrar många mil för att äta och inte är förtjusta i att nyfikna människor tittar på dem när de äter, var det nästan omöjligt att ta reda på deras kosthållning.
Forskarna fick, som så ofta, undersöka bajs. Men de smälta växterna var omöjliga att identifiera enbart med mänskliga ögon. Så för att lösa denna gåta vände de sig till en relativt ny genetisk teknik: DNA-streckkodning.
Ekologerna tog proverna till laboratoriet och undersökte växtresternas DNA för att leta efter en specifik gen som kallas Cytokrom c oxidas I. På grund av sin placering i cellens mitokondrier har genen, som förkortas COI, en mutationsfrekvens som är ungefär tre gånger så hög som för andra former av DNA. Det innebär att den tydligare visar de genetiska skillnaderna mellan även mycket närbesläktade organismer, vilket gör den till ett användbart sätt att skilja arter åt i grupper från fåglar till fjärilar – som etiketten på insidan av din skjorta eller en streckkod i en livsmedelsbutik.
För denna geniala metod, som passande nog kallas DNA-streckkodning, kan vi tacka en genetiker som fick nog av de ”stressiga” och tidskrävande metoderna i den traditionella taxonomin. Paul Hebert, molekylärbiolog vid University of Guelph i Kanada, minns en våt, molnig natt som han tillbringade med att samla in insekter i ett lakan som postdoktoral forskare i Nya Guinea.
”När vi sorterade dem morfologiskt nästa dag insåg vi att det var tusentals arter som hade kommit in”, säger Hebert. Många hade, såvitt han kunde se, aldrig beskrivits av vetenskapen. ”Jag insåg den där kvällen att jag hade stött på tillräckligt många exemplar för att hålla mig sysselsatt resten av mitt liv”, säger han.
Hebert fortsätter: ”Det var i det ögonblicket som jag i stort sett … insåg att morfologisk taxonomi inte kunde vara sättet att registrera livet på vår planet.” Han gav bort sina exemplarsamlingar och gick vidare till annan forskning inom arktisk evolutionsbiologi – ”livsmiljöer med lägst artdiversitet som jag kunde hitta”, enligt hans ord – men ämnet att mäta jordens biologiska mångfald fanns alltid kvar i bakhuvudet.
Tekniken fortsatte att göra framsteg i mitten av 1990-talet, vilket gjorde det möjligt för forskarna att isolera och analysera allt mindre bitar av DNA. Hebert, som arbetade i Australien som gästforskare, bestämde sig för att börja ”leka runt” med att sekvensera DNA från olika organismer och leta efter en enda sekvens som lätt kunde isoleras och användas för att snabbt särskilja arter. ”Jag bestämde mig för denna enda mitokondriella genregion som var effektiv i många fall”, säger han. Det var COI.
Hebert bestämde sig för att testa sin metod i sin egen trädgård genom att samla in mängder av insekter och streckkoda dem. Han upptäckte att han lätt kunde skilja insekterna åt. ”Jag tänkte: ’Om det fungerar på 200 arter i min trädgård, varför skulle det inte fungera på hela planeten?”
Och med några undantag har det fungerat.
Med hjälp av den här tekniken kunde forskarna i studien om savannen från 2013 sätta ihop den varierande kosten hos dessa samexisterande djur. ”Vi kunde berätta allt som djuren åt genom att barkoda deras spillning”, säger W. John Kress, botanikintendent vid Smithsonian’s National Museum of Natural History, som samarbetade med studien. Genom att informera viltförvaltare och forskare om exakt vilka gräs som varje djur äter kan resultaten ”ha en direkt inverkan på utformningen av nya bevarandeområden för dessa djur”, säger Kress.
Det gav också ekologer en större bild av hur hela ekosystemet fungerar tillsammans. ”Nu kan man se hur dessa arter faktiskt samexisterar på savannen”, säger Kress. I dag håller själva idén om vad som utgör en art på att förändras, tack vare DNA-streckkodning och andra genetiska tekniker.
Sedan Darwins dagar har taxonomer sållat ut arter baserat på vad de kunde observera. D.v.s. om den ser ut som en anka, går som en anka och låter som en anka – släng den i ankhögen. DNA-sekvenseringens intåg på 1980-talet förändrade spelet. Genom att läsa den genetiska koden som gör en organism till vad den är kan forskarna nu få nya insikter om arternas evolutionära historia. Att jämföra de miljontals eller miljarder baspar som utgör arvsmassan kan dock vara en dyr och tidskrävande uppgift.
Med en markör som Cytokrom c oxidas I kan man fastställa dessa skillnader snabbare och mer effektivt. Med hjälp av streckkodning kan man på några timmar – vilket är den tid det tar att sekvensera en DNA-streckkod i ett välutrustat molekylärbiologiskt laboratorium – få reda på att två arter som ser exakt likadana ut på ytan är väsentligt olika på genetisk nivå. Så sent som förra året använde forskare i Chile DNA-streckkodning för att identifiera en ny biart som insektsforskare hade missat under de senaste 160 åren.
I samarbete med Hebert har experter som John Burns, entomologikonservator vid National Museum of Natural History, kunnat särskilja många organismer som en gång trodde att de tillhörde samma art. Framsteg i tekniken gör det nu möjligt för forskare att streckkoda museiexemplar från 1800-talet, säger Burns, vilket öppnar möjligheten att omklassificera länge etablerade artdefinitioner. Ett år efter att Hebert beskrev DNA-streckkodning använde Burns den själv för att identifiera ett sådant fall – en fjärilsart som identifierades på 1700-talet och som i själva verket visade sig vara tio olika arter.
Att fastställa oklara artdefinitioner har förgreningar utanför den akademiska världen. Det kan ge forskare och lagstiftare en bättre uppfattning om en arts antal och hälsa, vilket är viktig information för att skydda dem, säger Craig Hilton-Taylor, som leder Internationella naturvårdsunionens ”röda lista”. Även om organisationen förlitar sig på olika expertgrupper som kan arbeta utifrån olika perspektiv på hur man bäst definierar en art, har DNA-streckkodning hjälpt många av dessa grupper att mer exakt skilja mellan olika arter.
”Vi ber dem att tänka på alla nya genetiska bevis som kommer fram nu”, säger Hilton-Taylor om IUCN:s förfaranden i dag.
Den ursprungliga streckkodningstekniken var visserligen innovativ, men den hade också sina begränsningar. Den fungerade till exempel bara på djur, inte på växter, eftersom COI-genen inte muterade tillräckligt snabbt i växter. År 2007 hjälpte Kress till att utvidga Heberts teknik genom att identifiera andra gener som muterar lika snabbt i växter, vilket gjorde det möjligt att genomföra studier som den på savannen.
Kress minns hur han och en tidigare kollega, Carlos García-Robledo, ekolog vid University of Connecticut, från och med 2008 använde sig av DNA-streckkodning för att jämföra de olika växter som olika insektsarter livnärde sig på i Costa Ricas regnskog. De kunde samla in insekter, mala dem och snabbt sekvensera DNA:t från deras inälvor för att fastställa vad de åt.
Förr hade García-Robledo och andra forskare varit tvungna att följa insekterna och dokumentera deras kost. ”Det kan ta åratal för en forskare att fullt ut förstå dieten hos ett samhälle av växtätande insekter i en tropisk regnskog utan hjälp av DNA-streckkoder”, berättade García-Robledo för Smithsonian Insider i en intervju 2013.
De har sedan dess kunnat utöka den forskningen genom att titta på hur antalet arter och deras dieter skiljer sig åt på olika höjder, och hur stigande temperaturer till följd av klimatförändringarna skulle kunna påverka detta eftersom arterna tvingas flytta högre och högre. ”Vi har utvecklat ett helt, komplext nätverk av hur insekter och växter interagerar, vilket var omöjligt att göra tidigare”, säger Kress.
”Plötsligt kunde vi på ett mycket enklare sätt, med hjälp av DNA, faktiskt spåra, kvantifiera och upprepa dessa experiment och förstå dessa saker på ett mycket mer detaljerat sätt”, tillägger han. Kress och andra forskare använder nu också streckkodning för att analysera jordprover med avseende på de organismsamhällen som lever i dem, säger han. Barcoding är också lovande för att hjälpa till att identifiera rester av genetiskt material som finns i miljön.
”För ekologer”, säger Kress, ”öppnar DNA-streckkodning verkligen upp för ett helt annat sätt att spåra saker och ting i livsmiljöer där vi inte kunde spåra dem tidigare.”
Då forskarna kan granska en specifik gen i stället för att behöva sekvensera hela genomer och jämföra dem hade Hebert hoppats att hans metod skulle göra det möjligt att utföra genetiska analyser och identifiering mycket snabbare och billigare än fullständig sekvensering. ”De senaste 14 åren har visat att den fungerar mycket effektivare och att den är mycket enklare att genomföra än vad jag hade räknat med”, säger han nu.
Men han ser fortfarande utrymme för framsteg. ”Vi kämpar verkligen med otillräckliga data när det gäller arters förekomst och utbredning”, säger Hebert om naturvårdare nu. Snabbt förbättrad teknik för att analysera DNA-prover snabbare och med mindre materialbehov tillsammans med DNA-streckkodning erbjuder en utväg, säger Hebert, med moderna skannrar som redan kan läsa hundratals miljoner baspar på timmar, jämfört med de tusentals baspar som kunde läsas på samma tid med tidigare teknik.
Hebert föreställer sig en framtid där DNA samlas in och sekvenseras automatiskt från sensorer runt om i världen, vilket gör det möjligt för naturvårdare och taxonomer att få tillgång till enorma mängder data om olika arters hälsa och utbredning. Han arbetar nu med att organisera ett världsomspännande bibliotek med DNA-streckkoder som forskare kan använda för att snabbt identifiera ett okänt exemplar – något som liknar en riktig Pokedex.
”Hur skulle du kunna förutsäga klimatförändringar om du läste av temperaturen på en punkt på planeten eller en dag per år?” Hebert påpekar. ”Om vi ska ta bevarandet av den biologiska mångfalden på allvar måste vi helt enkelt ändra vår syn på hur mycket övervakning som kommer att krävas.”