https://frosthead.com

Hoe wetenschappers Teeny Bits of Leftover DNA gebruiken om Wildlife Mysteries op te lossen

Neil Gemmell heeft een geheim plan voor het vinden van de verblijfplaats van Nessie het monster van Loch Ness.

gerelateerde inhoud

  • De sleutel tot het beschermen van het leven op aarde kan het barcoderen zijn
  • Binnenkort zou je kunnen vertellen of je aquariumvis was gevangen met cyanide
  • Bedreigde Soorten? Science to the (Genetic) Rescue!
  • Wetenschappers kunnen vertellen welke vissen leven waar op basis van DNA in het water

Nee, echt, hij heeft hierover nagedacht. Als er iets groots en vreemds in het Loch leeft, zou het cellen vol DNA afwerpen zoals iets anders. Waarschijnlijk veel ervan. En hoewel we geen dino-DNA in de referentiebibliotheek hebben om monsters tegen te controleren, zegt Gemmell, een professor in genomics aan de Universiteit van Otago in Nieuw-Zeeland, dat we genoeg weten over hoe het eruit moet zien om te weten of er een plesiosaurus die in het huidige Schotland leeft.

Het enige dat u nodig hebt, is een manier om te bepalen of er plesiosaur-DNA rondzwemt in die waterige diepten. Voer eDNA in. Nee, het is niet de elektronische versie van DNA. In de eenvoudigste bewoordingen is eDNA wat wetenschappers elk genetisch materiaal noemen dat is verkregen uit de omgeving in plaats van het wezen zelf. En hoewel eDNA technisch gezien kan worden verborgen in grond of lucht, is water een bijzonder handig medium omdat het zo gemakkelijk kan worden verzameld, gespannen en gereduceerd.

Schep een glas water uit je achtertuin stroom en houd het tegen het licht. Die modderige, wervelende wateren zitten vol met onzichtbare sporen van leven. Van de dinky goudvisvijver in het winkelcentrum tot de golven die aan de kust klotsen, elk water is een slurry van afgescheiden cellen. Bovendien hebben wetenschappers onlangs methoden bedacht waarmee ze de DNA-sequenties in die slurry kunnen uitzoeken om onderscheid te maken tussen een blauwe krab, een blauwe vinvis of zelfs een monster van Loch Ness - zonder ooit het dier zelf in de gaten te houden.

Voor alle duidelijkheid, Gemmell gokt niet op de mogelijkheid om een ​​plesiosaurus in Loch Ness te vinden. Maar hij is bereid om een ​​inzet te doen op de kracht van eDNA om ons te helpen nieuwe conserveringsstrategieën te ontwikkelen en zelfs enkele van de meest hardnekkige ecologische mysteries van onze tijd op te lossen.

Het potentieel van deze techniek is enorm: in Kroatië gebruiken wetenschappers het om grotten te zoeken naar een blinde, kleurloze watersalamander bekend als de grotdraak of olm. In het Amerikaanse zuidoosten vertelt eDNA ons hoeveel gigantische, geheimzinnige amfibieën, bekend als hellbenders, zijn afgenomen over hun historische bereik. In Azië hebben onderzoekers net bewezen dat eDNA ook kan worden gebruikt om kwallen te bestuderen zoals de Japanse zeewier. En in Australië hebben wetenschappers ontdekt dat vergelijkbare testen kunnen worden gebruikt om paaiactiviteit in de bedreigde Macquarie-baars te bestuderen.

"Ik wil echt niet bekend worden als de man die op zoek is naar het monster van Loch Ness, " zegt Gemmell. "Maar ik vind het wel een geweldige manier om mensen over eDNA te laten praten."

G166HF.jpg Een Yangtze-vinloze bruinvis in het Institute of Hydrobiology van de Chinese Academy of Sciences, in Wuhan, de Chinese provincie Hubei, op 10 mei 2016. De huidige populatie bruinvis is volgens wetenschappers minder dan 1.000. (Xinhua / Alamy)

Om je een idee te geven van hoe eDNA eruit ziet, stel je voor dat je brood maakt en dat je net een bos bloem over de toonbank hebt verspreid. Nadat je het brood een tijdje hebt gekneed, dat beetje stof dat overblijft? Dat is eigenlijk wat hij kan halen uit een liter water uit de Hudson River, zegt Mark Stoeckle, senior onderzoeksmedewerker bij het programma voor de menselijke omgeving van de Rockefeller University. Alleen eDNA is niet wit gebleekt. Het is vuilbruin.

En voor dieren die niet zo hypothetisch zijn als Nellie, is dat vuilbruine materiaal echt veelbelovend. Kijk in de wetenschappelijke literatuur en u zult zien dat eDNA al over de hele wereld wordt gebruikt om het gedrag en de populatiedynamiek van kritieke soorten beter te begrijpen.

Een voorbeeld is de Yangtze vinloze bruinvis, een notoir moeilijk onderwerp om te bestuderen. Om te beginnen zijn er minder dan 1.050 dieren over, waardoor de soort een ernstig bedreigde status heeft van de International Union for Conservation of Nature. Wat meer is, de bruinvissen (zoals hun naam suggereert) missen een rugvin, wat betekent dat ze nauwelijks het oppervlak breken wanneer ze naar boven komen om te ademen, en hun huid is dezelfde donkergrijze tint als het water dat ze bewonen.

"Ik kan eerlijk zeggen dat ik er nog nooit een in het wild heb gezien", zegt Kathryn Stewart, een bioloog aan het Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics van de Universiteit van Amsterdam. Maar dankzij eDNA stopt dat Stewart niet om deze cryptische soort te bestuderen. "Door gebruik te maken van eDNA kunnen we de kosten en tijd besparen die nodig is voor uitgebreide en nauwkeurige bemonstering, wat altijd een punt van zorg is voor natuurbehoud, met name in ontwikkelingslanden waar prioriteiten en geld vaak laag zijn, " zegt ze.

Uiteindelijk is het doel om erachter te komen welke factoren het meest bijdragen aan de achteruitgang van de bruinvis - en snel. Volgens de IUCN loopt de soort binnen slechts de volgende drie generaties een "extreem hoog" uitstervingsrisico. "Dammen, kieuwnetten en meer bootverkeer lijken allemaal goede weddenschappen, maar gezien de moeilijkheid van de dieren om te volgen, is het bijna onmogelijk om erachter te komen waar de laatste vangsten van de soort zijn en wat deze gebieden bewoonbaarder maakt dan de uitgestrekte rivier waar de zeezoogdieren vroeger gedijen.

Nu werkt Stewart aan manieren om eDNA niet alleen te laten zien of een soort aanwezig of afwezig is, maar ook hoe overvloedig die soort in een bepaald stuk water kan zijn. Deze resultaten kunnen vervolgens worden gecorreleerd met andere informatie - bijvoorbeeld de aanwezigheid van bepaalde prooisoorten of de nabijheid van gebieden met menselijke bewoning - om te bepalen welke omstandigheden de Yangtze vinloze bruinvis het beste kan verdragen.

"Het is duidelijk dat er veel pijnstillend werk is gedaan om eDNA-technieken te optimaliseren voor verschillende soorten en omgevingen, " zegt Stewart, "maar voor het grootste deel is het een enorme stap vooruit - een revolutie als je wilt - voor natuurbeschermingsbiologie."

Hoewel de Hudson River in New York misschien geen bastion van biodiversiteit lijkt, is het een bijzonder interessant en uitdagend ecosysteem voor eDNA-onderzoekers. Hoewel de Hudson River in New York misschien geen bastion van biodiversiteit lijkt, is het een bijzonder interessant en uitdagend ecosysteem voor eDNA-onderzoekers. (Gavin Hellier / Alamy)

DNA is een molecule van contrasten. In sommige opzichten is het indrukwekkend winterhard, overleeft honderdduizenden jaren begraven in massief gesteente of de bijna kokende temperaturen gevonden naast diepzee hydrothermische ventilatieopeningen (hoewel nee, Jurassic Park- fans, het kan waarschijnlijk niet overleven in barnsteen ingekapselde insecten voor miljoenen jaren). Op andere manieren is het extreem kwetsbaar: DNA kan ook worden afgebroken door zonlicht, waterturbulentie en bepaalde chemicaliën.

Maar als je er meteen aan toe bent, welke kwaliteit wint er dan?

Dat is de vraag die Stoeckle van Rockefeller University en zijn collega's vorig jaar wilden beantwoorden. Het team bracht zes maanden door met het verzamelen van wekelijkse watermonsters uit twee rivieren van New York City om te zien wat het eDNA binnen ons kon vertellen over de vissoorten die daar leven. De Big Apple zal misschien niet het meest toeslaan als een van de meest ongerepte of kleurrijke waterhabitats op aarde, maar Stoeckle zegt dat de samenvloeiing van al dat zoet- en zoutwater een bijzonder interessant en uitdagend studiegebied vormt voor eDNA-testen.

Stoeckle wilde weten: is DNA zo robuust dat het bemonsteren van een haven een duizelingwekkende reeks soorten zou opleveren, van bergtoppen en rivieroevers tot kustestuaria, de open oceaan en de diepe zee? Of was DNA zo fragiel dat het verdween of werd afgebroken voordat we het konden verzamelen en analyseren? Het blijkt dat het antwoord daartussen ligt.

"We hebben niet alleen de juiste soorten vis gevonden, maar we hebben ze ook op het juiste moment gevonden", zegt Stoeckle. “In de winter, wanneer de vissers je vertellen dat het niet de moeite waard is om een ​​lijn in het water te leggen, krijgen we heel weinig of geen vis-eDNA. Dan, beginnend in april en mei, krijgen we een gestaag toenemend herstel van vis-DNA tot ongeveer het midden van de zomer wanneer je 10 tot 15 soorten in een gemiddeld monster krijgt. ”

Met andere woorden, de bevindingen van Stoeckle, die in april in het tijdschrift PLOSONE werden gepubliceerd, bevestigden opnieuw wat we al wisten over vismigraties in de havens van New York: bijvoorbeeld dat zwarte zeebaars offshore beweegt in de winter en in de lente terugkeert naar de haven.

En dat is cruciaal. Hoewel de studie waarschijnlijk veel meer krantenkoppen zou hebben gekregen als ze alligator-DNA uit het riool hadden gevonden (of Nessie!), Zijn deze resultaten veel belangrijker omdat ze worden verwacht. Dat komt omdat eDNA nog steeds een relatief nieuwe tool is en als het serieus moet worden genomen, het moet worden gekalibreerd met de betrouwbare gegevens die zijn verzameld met de methoden die het ooit zou kunnen vervangen.

Maar misschien de grootste belofte van eDNA? Het potentieel voor wetenschappers om gekke wetenschap te doen tegen een waanzinnig goedkope prijs.

River.jpg Een zicht op de East River van New York City, een verzamelplaats van Stoeckle. (Mark Stoeckle)

Het meeste van wat we weten over vismigratie komt van het laten vallen van tonnen netten en het plukken door wat er opkomt, of het gebruiken van solar pings om een ​​momentopname te maken van wat er hieronder gebeurt. In kleinere stroompjes en rivieren kunnen wetenschappers geëlektrificeerde toverstokken gebruiken om vissen en andere waterdieren te verdoven, waardoor ze relatief grondige onderzoeken van zelfs de meest stiekeme wezens kunnen uitvoeren. Maar al deze methoden vereisen twee dingen in grote hoeveelheid: tijd en geld.

"Iedereen die onderzoek doet naar het leven in zee, wil graag de frequentie en dichtheid van bemonstering verhogen", zegt Jesse Ausubel, een van de oprichters en leiders van de Census of Marine Life. Maar Ausubel zegt dat het tussen de $ 10.000 en $ 150.000 per dag kan kosten om een ​​schip te huren, wat ernstig beperkt hoe vaak wetenschappers het zich kunnen veroorloven om hun netten te laten vallen of hun sonarapparatuur aan te zetten.

"Het resultaat is dat er grote hiaten zijn in wat we weten", zegt Ausubel, die ook directeur is van het Rockefeller University-programma voor de menselijke omgeving, waar hij de groep leidt waar Stoeckle deel van uitmaakt.

Gelukkig hebben recente ontwikkelingen in de DNA-sequentietechnologie de kosten in verband met eDNA-tests op ongeveer $ 50 per monster gebracht. Dit betekent dat wetenschappers veel vaker monsters kunnen verzamelen en enquêtes kunnen houden dan ze zich zouden kunnen veroorloven met behulp van traditionele monitoringmethoden. En in tegenstelling tot het identificeren van een soort op basis van zijn fysieke eigenschappen - een lastige vaardigheid die veel ervaring vereist en nog steeds valse gegevens kan produceren - kunnen eDNA-monsters relatief eenvoudig worden verzameld door iedereen met een beetje training en een steriele container.

Ten slotte is eDNA-bemonstering vrijwel impactloos, in tegenstelling tot trawling, sonar of electrofishing. Dit maakt de techniek vooral aantrekkelijk voor landmeetkundige soorten die al in de touwen zitten. Voor Stewart is dit een van de beste dingen van het gebruik van eDNA: het stelt haar in staat om vragen te stellen over de Yangtze-bruinvissen zonder nog meer bootverkeer aan hun leefgebied toe te voegen.

Stewart wijst erop dat eDNA vooral belangrijk kan zijn voor ontwikkelingslanden, omdat ze vaak een hoog niveau van endemisme hebben en een verhoogd risico op soortenverlies, terwijl ze ook minder middelen hebben om te investeren in instandhouding. "Hoewel we zoveel mogelijk biodiversiteit willen beschermen, is de realiteit dat we moeilijke beslissingen moeten nemen over waar en hoe we instandhouding financieren, " zegt ze. En met eDNA kunnen we die beperkte fondsen nog verder laten gaan.

Bovendien kan eDNA, behalve het behoud van bekende dieren, ook biologen helpen verborgen soorten te ontdekken die onder onze neus zwemmen. David Lodge, bioloog aan de Cornell University en directeur van het Atkinson Center for a Sustainable Future, wijst op het potentieel van het gebruik van deze techniek in ecosystemen zoals het enorme maar weinig doorzochte Tanganyika-meer in Afrika. Hoewel onderzoekers weten dat het meer wemelt van verschillende cichlid-vissen, zijn er waarschijnlijk nog veel meer soorten nog niet ontdekt.

"We geloven dat we de duistere diversiteit zullen ontdekken - soorten die nog nooit zijn beschreven, " zei Lodge tijdens de Smithsonian's Earth Optimism-top, een bijeenkomst van natuurbewuste burgers, wetenschappers en activisten, eerder deze maand.

PastedGraphic-3.jpg Een oesterzwamvis, een "charmant lelijke" soort die volgens Stoeckle veel voorkomt in de havens van New York. (Barrierislandnaturalist)

Ondertussen wekken die zoals Gemmell interesse in het idee. Gemmell zegt dat hij na een paar tweets over het gebruik van eDNA om Nessie te zoeken, meer belangstelling had voor het echte eDNA-werk dat hij de afgelopen twee weken in Nieuw-Zeeland doet dan hij in twee jaar plichtsgetrouw watermonsters verzamelde en testte.

Dat echte eDNA-werk houdt trouwens in dat eDNA wordt gebruikt om invasieve zeewieren en manteldieren te detecteren voordat ze zich in de waterwegen van Nieuw-Zeeland kunnen vasthouden. Op dit moment worden we ons pas echt bewust van dergelijke wezens nadat ze zich hebben vastgepakt. Maar als routinematig eDNA-testen van waterwegen de aanwezigheid van dergelijke wezens vroeg genoeg aan het licht bracht, kunnen we misschien in het offensief gaan en invasies uitschakelen voordat ze beginnen.

Helaas zal de Schotse monsterjacht waarschijnlijk moeten wachten tot iemand wat geld wil ophoesten. Maar Stoeckle zegt dat hij van het idee houdt en geen technische beperking ziet waarom het niet zou werken. "Het enige probleem, " zegt Stoeckle, "is of het monster van Loch Ness echt bestaat."

En als ze dat niet doet? Dat is een probleem dat zelfs eDNA-wetenschappers niet kunnen oplossen.

Hoe wetenschappers Teeny Bits of Leftover DNA gebruiken om Wildlife Mysteries op te lossen