Это звучит как научная фантастика. Но теперь мы можем взять пробу воды и найти ДНК всех живущих там видов.

Выяснение того, какие виды обитают в экосистеме, а какие из них редки или просто хорошо скрываются, — это важный способ понять их и позаботиться о них. До сих пор это было очень трудоемко.

Но теперь мы можем сделать это по-другому. Возьмите образец из океана и сопоставьте крошечные следы ДНК в воде с видами, обитающими там.

Это не научная фантастика – это анализ ДНК окружающей среды (environmental DNA - eDNA). Этот подход открывает двери для быстрого и широкого обнаружения видов. Вы можете узнать, появились ли виды вредителей, узнать, сохранились ли еще труднонаходимые виды, находящиеся под угрозой исчезновения, и оценить здоровье экосистемы.

Поскольку тестирование eDNA  все еще является новой технологией, возникают вопросы о его сильных и слабых сторонах, а также о том, как его лучше всего использовать. Например, мы можем сказать, присутствует ли в реке Северной территории крайне редкая пресноводная рыба-пила , но не можем сказать, сколько там особей.

Сегодня CSIRO опубликовала дорожную карту , созданную в результате консультаций со многими экспертами, чтобы показать, как технологии eDNA могут быть лучше всего интегрированы в морской мониторинг в больших масштабах – и что нас ждет в будущем.

Как работает отбор проб eDNA?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — особая молекула. Он действует как код всей жизни на Земле, храня клеточные инструкции по созданию всего, от жука до человека. Поскольку ДНК уникальна для каждого вида, она похожа на штрих-код продукта в супермаркете.

Живя своей жизнью, животные и растения выделяют фрагменты своей ДНК в окружающую среду через омертвевшую кожу, волосы, слюну, экскременты, листья или пыльцу. Эти следы составляют ДНК окружающей среды. В воде и даже воздухе достаточно ДНК, чтобы отличить виды.

Реальная сила отбора проб eDNA заключается в том, насколько широка сеть, которую он создает. С помощью одного образца мы можем обнаружить все живое, от бактерий до китов, и потенциально в любой среде обитания, от глубокого моря до подземных пещер.

Важно отметить, что этот метод позволяет ученым обнаруживать виды, даже если мы не можем их увидеть или поймать. Это удобно при работе с редкими или очень мелкими видами, а также при работе в таких условиях, как мутная вода, где их невозможно увидеть или поймать. Это, например, облегчит изучение находящихся под угрозой исчезновения игл в эстуариях.

На сегодняшний день многие исследования эДНК сосредоточены на обнаружении видов в воде, поскольку эДНК относительно легко собирать, концентрировать и экстрагировать из жидкостей. Но теперь мы знаем, что можем составлять списки видов на основе эДНК в почве, помете, меде и даже в воздухе.

Отбор проб ДНК из окружающей среды имеет широкий спектр применений: от суши до рек и моря. Берри и др., doi.org/10.1002/edn3.173 , CC BY-ND

Как ученые измеряют eDNA?

Обычно они собирают образцы, выполняют молекулярный анализ и интерпретируют результаты.

Сбор образцов: ученые собирают образцы из окружающей среды. Это может быть вода, почва или практически любой субстрат окружающей среды, который может содержать eDNA. Затем они обрабатывают образец для концентрации и стабилизации ДНК. Вы можете набрать в емкость два литра воды, отфильтровать её, а затем заморозить или химически стабилизировать eDNA, оставшуюся на фильтре.

Молекулярный анализ. Первым шагом в лаборатории является очистка ДНК из образца. Следующий шаг зависит от вашей цели. Если вы хотите обнаружить один вид, вы обычно используете метод, называемый количественной полимеразной цепной реакцией ( кПЦР ), аналогичный тому, как вы проверяете на COVID.

Но чтобы обнаружить целые сообщества видов, приходится использовать высокопроизводительное секвенирование ДНК . Если обнаружение одного вида с помощью eDNA занимает всего несколько дней, то завершение лабораторной работы для видовых сообществ может занять от недель до месяцев. В конце вы получаете длинный список из тысяч или даже миллионов последовательностей штрих-кодов ДНК.

Интерпретация результатов : Интерпретация отдельных видов проста. Присутствовала ли ДНК интересующего вас вида или нет? Но когда цель состоит в том, чтобы идентифицировать несколько видов, ученые используют справочные библиотеки ДНК , чтобы связать штрих-коды ДНК, обнаруженные в образце, с отдельными видами.

Это хорошо работает, но только если у нас уже есть виды, перечисленные в этих библиотеках. Если нет, вы не сможете обнаружить его с помощью методов eDNA. Это означает, что eDNA нельзя использовать для обнаружения новых видов или тех, которые известны только по фотографиям и видео.

Почему eDNA имеет значение? Посмотрите на морские парки

Австралия может похвастаться одной из крупнейших в мире сетей морских парков с самым большим биоразнообразием. Но поскольку жизнь в океане страдает от изменения климата, чрезмерного вылова рыбы и загрязнения пластиком, океаны будущего наверняка будут сильно отличаться от сегодняшних.

Оценка воздействия для поддержки обоснованных решений на такой обширной, разнообразной и удаленной территории ставит задачи, которые трудно решить с помощью стандартных практических методов исследования, таких как дайвинг, видеосъемка или траление.

Именно здесь могут помочь методы eDNA, предлагая мощную, неразрушающую, экономичную и быструю форму мониторинга, которая может дополнять другие методы.

Электронная ДНК означает, что мы можем точно настроить мониторинг для конкретных целей, таких как обнаружение вредителей, находящихся под угрозой исчезновения или опасных видов.

В будущем в наших морских парках вполне могут быть сети буев, отбирающих образцы эДНК на поверхности, и подводные дроны, отбирающие образцы на глубине. CSIRO , CC BY-ND

Это только начало. Представьте себе будущее, в котором данные eDNA можно было бы собирать из самых отдаленных океанов с помощью автономных транспортных средств, анализировать с помощью дронов или на борту исследовательского судна и интегрировать с другими данными мониторинга, чтобы морские менеджеры и общественность могли видеть данные почти в реальном времени о состояние океана.

Научная фантастика? Уже нет.

1. Мартен Де Брауэр

   научный сотрудник, CSIRO

2. Оливер Берри

   Руководитель Научной платформы будущего экологии, CSIRO

3. Источник