De herbivoren die door de Afrikaanse savanne zwerven, zijn enorm en eten veel. Toch slagen ze er op de een of andere manier in om op ongeveer dezelfde plek te wonen, ondersteund door dezelfde schaars begroeide omgeving. In 2013 wilden ecologen precies weten hoe dit werkte. Omdat olifanten, zebra's, buffels en impala's vele kilometers rondzwerven om te voeden en niet dol zijn op nieuwsgierige mensen die hen zien eten, was het bijna onmogelijk om hun diëten te achterhalen.
De onderzoekers bleven achter, zoals ze zo vaak zijn, om kak onder de loep te nemen. Maar de verteerde planten waren onmogelijk alleen door menselijke ogen te identificeren. Dus voor deze puzzel gingen ze over op een relatief nieuwe genetische techniek: DNA-barcodering.
gerelateerde inhoud
- Wat betekent het om een soort te zijn? Genetica verandert het antwoord
- Hoe wetenschappers Teeny Bits of Leftover DNA gebruiken om Wildlife Mysteries op te lossen
Ecologen namen monsters naar het laboratorium en schuren het DNA van de plantenresten, op zoek naar een specifiek gen bekend als Cytochrome c oxidase I. Vanwege zijn locatie in de mitochondriën van de cel heeft het gen, kortweg COI, een mutatiesnelheid drie keer die van andere vormen van DNA. Dat betekent dat het duidelijker de genetische verschillen tussen zelfs zeer nauw verwante organismen zal tonen, waardoor het een nuttige manier is om soorten in groepen van vogels tot vlinders te scheiden - zoals het label aan de binnenkant van je shirt of de barcode van een supermarkt.
Voor deze ingenieuze methode, toepasselijk aangeduid als DNA-barcodering, kunnen we een geneticus bedanken die merkte dat hij de "stressvolle" en tijdrovende methoden van traditionele taxonomie zat was. Paul Hebert, een moleculair bioloog aan de Universiteit van Guelph in Canada, herinnert zich een natte, bewolkte nacht die hij besteedde aan het verzamelen van insecten in een blad als een postdoctoraal onderzoeker in Nieuw-Guinea.
"Toen we ze de volgende dag morfologisch sorteerden, realiseerden we ons dat er duizenden soorten waren binnengekomen", zegt Hebert. Velen waren, voor zover hij kon zien, nooit door de wetenschap beschreven. "Ik realiseerde me dat ik op een avond genoeg exemplaren tegenkwam om me de rest van mijn leven bezig te houden", zegt hij.
Hebert vervolgt: "Het was op dat moment dat ik me vrijwel realiseerde dat morfologische taxonomie niet de manier kon zijn om het leven op onze planeet te registreren." Hij gaf zijn specimencollecties weg en ging verder met ander onderzoek in de evolutiebiologie van de Noordpool - de "laagste soortenrijkdoms habitats 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 zich ontwikkelen in het midden van de jaren negentig, waardoor onderzoekers steeds kleinere stukjes DNA konden isoleren en analyseren. Hebert, die in Australië werkte als gastonderzoeker, besloot te beginnen met 'spelen' in het sequencen van het DNA van verschillende organismen en op zoek naar een enkele sequentie die gemakkelijk kon worden geïsoleerd en gebruikt om soorten snel te onderscheiden. "Ik ben tot de conclusie gekomen dat deze mitochondriale genregio in veel gevallen effectief is", zegt hij. Dat was COI.
Hebert besloot zijn methode in zijn eigen achtertuin te testen, door tientallen insecten te verzamelen en te barcoderen. Hij ontdekte dat hij de bugs gemakkelijk kon onderscheiden. "Ik dacht 'Hé, als het op 200 soorten in mijn achtertuin werkt, waarom zou het dan niet op de planeet werken?"
En, op enkele uitzonderingen na, is dat zo.
Met behulp van deze techniek konden de onderzoekers in de savannestudie uit 2013 de gevarieerde diëten van deze naast elkaar bestaande dieren samenstellen. "We konden alles zien wat de dieren aten door hun scats te barcoderen", zegt W. John Kress, curator van de plantkunde van het Smithsonian's National Museum of Natural History, die aan de studie heeft meegewerkt. Door managers en wetenschappers in het wild precies te informeren op welke grassoorten elk dier zich voedt, kunnen deze resultaten "een directe impact hebben op het ontwerpen van nieuwe beschermde gebieden 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 in de savanne", zegt Kress. Tegenwoordig verandert het idee zelf van wat een soort maakt, dankzij DNA-barcodering en andere genetische technieken.
Het ziet er misschien niet zo veel uit qua groen. Maar op de een of andere manier ondersteunt de Afrikaanse savanne een verscheidenheid aan iconische herbivoren. DNA-barcodering laat zien hoe. (Cultura RM / Alamy) Sinds de dagen van Darwin hebben taxonomen soorten uitgezocht op basis van wat ze konden waarnemen. Dwz als het eruit ziet als een eend, als een eend loopt en klinkt als een eend - gooi het in de stapel met eenden. De komst van DNA-sequencing in de jaren 1980 veranderde het spel. Nu, door de genetische code te lezen die een organisme maakt wat het is, kunnen wetenschappers nieuwe inzichten verkrijgen in de evolutionaire geschiedenis van soorten. Het vergelijken van de miljoenen of miljarden basenparen waaruit het genoom bestaat, kan echter een dure en tijdrovende propositie zijn.
Met een marker zoals Cytochrome c oxidase I kunt u deze verschillen sneller en efficiënter lokaliseren. Barcoding kan je binnen een paar uur vertellen - en dat is hoe lang het duurt om een DNA-barcode in een goed uitgerust moleculair biologisch laboratorium te sequencen - dat twee soorten die er aan de oppervlakte precies hetzelfde uitzien op genetisch niveau aanzienlijk verschillen. Vorig jaar gebruikten wetenschappers in Chili DNA-barcodering om een nieuwe bijensoort te identificeren die insectenonderzoekers de afgelopen 160 jaar hadden gemist.
In samenwerking met Hebert hebben experts zoals National Museum of Natural History entomologiecurator John Burns veel organismen kunnen onderscheiden waarvan ooit werd gedacht dat ze dezelfde soort waren. Door de vooruitgang in de techniek kunnen onderzoekers nu museumspecimens uit de 19e eeuw barcodes geven, zegt Burns, waarmee de mogelijkheid wordt geopend om definities van lang gevestigde soorten opnieuw te classificeren. Een jaar nadat Hebert DNA-barcodering had beschreven, gebruikte Burns het zelf om een dergelijk geval te identificeren - een soort vlinder die in de 17e eeuw werd geïdentificeerd en die in feite 10 afzonderlijke soorten bleek te zijn.
Het vastpinnen van definities van duistere soorten heeft vertakkingen buiten de academische wereld. Het kan wetenschappers en wetgevers een beter inzicht geven in het aantal en de gezondheid van een soort, cruciale informatie om ze te beschermen, zegt Craig Hilton-Taylor, die de "Rode lijst" van de Internationale Unie voor het behoud van de natuur beheert. Terwijl de organisatie afhankelijk is van verschillende groepen experts die vanuit verschillende perspectieven kunnen werken aan de beste manier om een soort te definiëren, heeft DNA-barcodering geholpen veel van deze groepen nauwkeuriger te discrimineren tussen verschillende soorten.
"We vragen hen na te denken over al het nieuwe genetische bewijs dat zich nu aandient", zegt Hilton-Taylor vandaag over de procedures van de IUCN.
Hoewel innovatief, had de originele barcoderingstechniek beperkingen. Het werkte bijvoorbeeld alleen op dieren, niet op planten omdat het COI-gen in planten niet snel genoeg muteerde. In 2007 hielp Kress de techniek van Hebert uit te breiden door andere genen te identificeren die op vergelijkbare wijze snel muteren in planten, waardoor studies zoals die van de savanne kunnen plaatsvinden.
Kress herinnert eraan dat hij en een voormalige collega van zijn, Universiteit van Connecticut ecoloog Carlos García-Robledo, DNA-barcodering gebruikten om de verschillende planten te vergelijken die verschillende insectensoorten voedden in het Costa Ricaanse regenwoud. Ze waren in staat om insecten te verzamelen, ze te vermalen en snel het DNA van hun ingewanden te sequencen om te bepalen wat ze aan het eten waren.
Voorheen moesten García-Robledo en andere wetenschappers moeizaam insecten volgen en hun voedingspatroon documenteren. "Het kan jaren duren voordat een onderzoeker de diëten van een gemeenschap van insecten herbivoren in een tropisch regenwoud volledig begrijpt zonder de hulp van DNA-streepjescodes, " vertelde Garcá-Robledo aan Smithsonian Insider in een interview in 2013.
Sindsdien hebben ze dat onderzoek kunnen uitbreiden door te kijken hoe het aantal soorten en hun voeding op verschillende hoogtes verschillen, en hoe stijgende temperaturen door klimaatverandering dit kunnen beïnvloeden, omdat soorten gedwongen worden om steeds hoger te komen. "We hebben een heel, complex netwerk ontwikkeld van hoe insecten en planten op elkaar inwerken, wat voorheen onmogelijk was", zegt Kress.
"Plotseling, op een veel eenvoudiger manier, met behulp van DNA, zouden we deze experimenten kunnen volgen, kwantificeren en herhalen en deze dingen op een veel gedetailleerdere manier begrijpen", voegt hij eraan toe. Kress en andere onderzoekers gebruiken nu ook barcodes om bodemmonsters te analyseren voor de gemeenschappen van organismen die ze bewonen, zegt hij. Barcoding houdt ook een belofte in voor het helpen identificeren van overblijfselen van genetisch materiaal dat in het milieu wordt gevonden.
"Voor ecologen, " zegt Kress, "opent DNA-barcodering echt een heel andere manier om dingen te volgen in habitats waar we ze voorheen niet konden volgen."
Door wetenschappers toe te staan één specifiek gen te onderzoeken in plaats van hele genomen te sequencen en te vergelijken, had Hebert gehoopt dat zijn methode het mogelijk zou maken dat genetische analyse en identificatie veel sneller en goedkoper zou kunnen worden uitgevoerd dan volledige sequencing. "De afgelopen 14 jaar hebben aangetoond dat het veel effectiever werkt en veel eenvoudiger te implementeren is dan ik had verwacht", zegt hij nu.
Maar hij ziet nog steeds ruimte voor vooruitgang. "We worstelen echt met onvoldoende gegevens over de soortenrijkdom en verspreiding, " zegt Hebert nu over natuurbeschermers. Snel verbeterende technologie om DNA-monsters sneller en met minder materiaal te analyseren, gekoppeld aan DNA-barcodering biedt een uitweg, zegt Hebert, met moderne scanners die al honderden miljoenen basenparen in uren kunnen lezen, vergeleken met de duizenden basenparen die kunnen in dezelfde tijd worden gelezen door eerdere technologie.
Hebert ziet een toekomst waarin DNA automatisch wordt verzameld en gesequenced door sensoren over de hele wereld, waardoor natuurbeschermers en taxonomen toegang krijgen tot enorme hoeveelheden gegevens over de gezondheid en distributie van verschillende soorten. Hij werkt nu aan het organiseren van 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 de klimaatverandering voorspellen als je de temperatuur op een bepaald punt op de planeet of op een dag per jaar zou aflezen?", Zegt Hebert. "Als we het behoud van biodiversiteit serieus gaan nemen, moeten we gewoon onze mening volledig veranderen over de hoeveelheid monitoring die nodig is."
