Herbivora yang berkeliaran di savannah Afrika adalah besar, dan mereka makan banyak. Namun entah bagaimana, mereka semua hidup di sekitar tempat yang sama, disokong oleh persekitaran yang jarang tumbuh-tumbuhan yang sama. Pada tahun 2013, pakar ekologi ingin mengetahui dengan tepat bagaimana ini berfungsi. Walau bagaimanapun, kerana gajah, zebra, kerbau, dan impala berkeliaran banyak batu untuk memberi makan dan tidak menyukai manusia yang suka mengamati mereka makan, hampir mustahil untuk memikirkan diet mereka.
Penyelidik ditinggalkan, seperti biasa, untuk memerhatikan kotoran. Tetapi tanaman yang dicerna tidak mungkin dapat dikenal pasti oleh mata manusia sahaja. Jadi untuk teka-teki ini, mereka beralih kepada teknik genetik yang agak baru: barcoding DNA.
Kandungan Terkait
- Apa maksudnya menjadi spesies? Genetik Adakah Mengubah Jawapan
- Bagaimana Para Ilmuwan Menggunakan Teeny Bits DNA Sisa untuk Menyelesaikan Misteri Hidupan Liar
Ahli ekologi mengambil sampel ke makmal dan menjejaki DNA tumbuhan kekal, mencari satu gen tertentu yang dikenali sebagai Cytochrome c oxidase I. Oleh kerana lokasinya di mitokondria sel, gen yang dikenali sebagai COI untuk pendek, mempunyai kadar mutasi secara kasar tiga kali ganda dari bentuk lain DNA. Ini bermakna ia akan lebih jelas menunjukkan perbezaan genetik antara organisma yang sangat rapat, menjadikannya cara yang berguna untuk mengusik spesies yang terpisah dalam kumpulan dari burung ke kupu-kupu-seperti tag pada bahagian dalam baju anda, atau barcode kedai runcit.
Untuk kaedah cerdik ini, dengan tepat disebut sebagai barcoding DNA, kami dapat mengucapkan terima kasih kepada seorang ahli genetik yang mendapati dirinya bosan dengan kaedah "tekanan" dan memakan masa taksonomi tradisional. Paul Hebert, seorang ahli biologi molekular di University of Guelph di Kanada, mengenang satu malam yang basah dan mendung yang menghabiskannya menghabiskan mengumpul serangga dalam lembaran sebagai penyelidik postdoctoral di New Guinea.
"Apabila kami menyusunnya secara morfologi pada keesokan harinya, kami menyedari ada ribuan spesies yang masuk, " kata Hebert. Banyak, sejauh yang dia tahu, tidak pernah diterangkan oleh sains. "Saya menyedari bahawa pada suatu malam saya menemui spesimen yang mencukupi untuk membuat saya sibuk sepanjang hayat saya, " katanya.
Hebert meneruskan: "Pada ketika itu saya cukup ... menyedari bahawa taksonomi morfologi tidak boleh menjadi cara untuk mendaftarkan kehidupan di planet kita." Dia memberikan koleksi spesimennya, dan berpindah ke penyelidikan lain dalam biologi evolusi Biologi- "habitat kepelbagaian spesies yang paling rendah yang saya dapati, " dalam kata-kata beliau-tetapi topik mengukur keanekaragaman hayati bumi sentiasa berlarutan di belakang fikirannya.
Teknologi terus maju pada pertengahan 1990-an, yang membolehkan para penyelidik untuk mengasingkan dan menganalisis bit kecil dan lebih kecil DNA. Hebert, yang bekerja di Australia sebagai seorang penyelidik melawat, memutuskan untuk memulakan "bermain-main" menyusun DNA organisma yang berlainan dan mencari satu urutan yang mudah diasingkan dan digunakan untuk membezakan spesies dengan cepat. "Saya menetap di satu kawasan gen mitokondria ini sebagai berkesan dalam banyak kes, " katanya. Itulah COI.
Hebert memutuskan untuk menguji kaedahnya di halaman belakangnya sendiri, dengan mengumpulkan sejumlah serangga dan barcoding mereka. Dia mendapati bahawa dia dapat membezakan pepijat dengan mudah. "Saya fikir 'Hei, jika ia berfungsi pada 200 spesies di halaman belakang saya, mengapa tidak berfungsi di planet ini?"
Dan, dengan beberapa pengecualian, ia mempunyai.
Menggunakan teknik ini, para penyelidik dalam kajian savannah 2013 dapat menggabungkan pelbagai jenis haiwan yang wujud bersama ini. "Kami dapat memberitahu semua haiwan makan dari menimbun penangkapan mereka, " kata W. John Kress, kurator botani di Smithsonian's National Museum of Natural History, yang bekerjasama dalam kajian tersebut. Dengan memaklumkan kepada pengurus hidupan liar dan saintis dengan tepat apa rumput yang dipelihara setiap haiwan, hasil ini "boleh memberi kesan langsung kepada reka bentuk kawasan konservasi baru untuk haiwan ini, " kata Kress.
Ia juga memberikan ekologi gambaran yang lebih besar mengenai bagaimana keseluruhan ekosistem berfungsi bersama. "Sekarang anda dapat melihat bagaimana spesies ini sebenarnya wujud bersama di savannah, " kata Kress. Hari ini idea tentang apa yang membuat spesies berubah, terima kasih kepada barcoding DNA dan teknik genetik lain.
Ia mungkin tidak kelihatan seperti banyak, hijau-bijak. Tetapi entah bagaimana, savannah Afrika menyokong pelbagai herbivora ikonik. Barcoding DNA membantu menunjukkan bagaimana. (Cultura RM / Alamy) Sejak zaman Darwin, ahli taksonomi telah menyaring spesies berdasarkan apa yang mereka boleh perhatikan. Itulah jika ia kelihatan seperti itik, berjalan seperti itik, dan bunyi seperti itik-membuangnya di longgokan itik. Kebangkitan urutan DNA pada tahun 1980-an berubah permainan. Sekarang, dengan membaca kod genetik yang menjadikan organisma apa itu, para saintis boleh memungut pandangan baru ke dalam sejarah evolusi spesies. Walau bagaimanapun, membandingkan berjuta-juta atau berbilion pasang asas yang membentuk genom boleh menjadi usul yang mahal dan memakan masa.
Dengan penanda seperti Cytochrome c oxidase I, anda boleh menentukan perbezaan ini lebih cepat dan lebih cekap. Barcoding boleh memberitahu anda dalam masa beberapa jam - iaitu berapa lama yang diperlukan untuk menyusun kod bar DNA dalam makmal biologi molekul yang dilengkapi dengan baik-bahawa dua spesies yang kelihatan betul-betul sama di permukaan sangat berbeza pada tahap genetik. Hanya pada tahun lepas, para saintis di Chile menggunakan barcoding DNA untuk mengenal pasti spesies baru lebah yang ditemui penyelidik serangga sejak 160 tahun lalu.
Bekerja dengan Hebert, pakar-pakar seperti kurator entomologi Sejarah Nasional Muzium John Burns telah dapat membezakan banyak organisma yang pernah dianggap sebagai spesies yang sama. Pendahuluan dalam teknik ini kini membolehkan para penyelidik menemui spesimen muzium kod dari tahun 1800-an, kata Burns, membuka kemungkinan mengklasifikasikan definisi spesies jangka panjang. Setahun selepas Hebert digariskan barcoding DNA, Burns menggunakannya sendiri untuk mengenal pasti satu kes seperti itu-spesies rama-rama yang dikenal pasti pada tahun 1700-an yang sebenarnya menjadi 10 spesies berasingan.
Menggambarkan definisi spesies yang keruh mempunyai kesan di luar akademik. Ia boleh memberi saintis dan penggubal undang-undang mengenai jumlah dan kesihatan spesies yang lebih baik, maklumat penting untuk melindungi mereka, kata Craig Hilton-Taylor, yang menguruskan Kesatuan Antarabangsa untuk "Senarai Merah." Walaupun organisasi bergantung kepada kumpulan pakar yang berbeza yang boleh bekerja dari perspektif yang berbeza tentang cara terbaik untuk menentukan spesies, barcoding DNA telah membantu banyak kumpulan ini dengan lebih tepat mendiskriminasi antara spesies yang berbeza.
"Kami meminta mereka untuk memikirkan semua bukti genetik baru yang akan datang sekarang, " kata Hilton-Taylor mengenai prosedur IUCN hari ini.
Walaupun inovatif, teknik barcoding asli mempunyai batasan. Sebagai contoh, ia hanya berfungsi pada haiwan, bukan tumbuh-tumbuhan kerana gen COI tidak bermutasi dalam tanaman. Pada tahun 2007, Kress membantu memperluaskan teknik Hebert dengan mengenal pasti gen lain yang bermutasi begitu cepat di tumbuh-tumbuhan, yang membolehkan kajian-kajian seperti satu savannah berlaku.
Kress mengingatkan, sejak tahun 2008, beliau dan bekas rakan sejawatnya, ahli ekologi Universiti Connecticut, Carlos García-Robledo, menggunakan barcoding DNA untuk membandingkan pelbagai tumbuhan yang berbeza spesies serangga yang diberi makan di hutan hujan Costa Rica. Mereka dapat mengumpul serangga, mengisar mereka, dan cepat menjejaki DNA dari keberanian mereka untuk menentukan apa yang mereka makan.
Terdahulu, García-Robledo dan saintis lain mestilah mengikuti jejak serangga dan mendokumentasikan diet mereka. "Ia boleh mengambil masa bertahun-tahun untuk seorang penyelidik memahami sepenuhnya pola makan masyarakat herbivora serangga di hutan hujan tropika tanpa bantuan barcode DNA, " kata Garcá-Robledo kepada Smithsonian Insider dalam temuramah 2013.
Sejak itu mereka telah dapat melanjutkan penyelidikan dengan melihat bagaimana bilangan spesies dan diet mereka berbeza pada ketinggian yang berbeza, dan bagaimana suhu yang semakin meningkat dari perubahan iklim dapat memberi kesan seperti ini kerana spesies terpaksa bergerak lebih tinggi dan lebih tinggi. "Kami telah membangunkan rangkaian keseluruhan, kompleks bagaimana serangga dan tumbuhan berinteraksi, yang mustahil dilakukan sebelum ini, " kata Kress.
"Tiba-tiba, dengan cara yang lebih mudah, menggunakan DNA, kita sebenarnya boleh menjejaki, mengukur dan mengulangi eksperimen ini dan memahami perkara-perkara ini dengan cara yang lebih terperinci, " tambahnya. Kress dan penyelidik lain kini menggunakan barcoding untuk menganalisis sampel tanah untuk komuniti organisma yang mendiami mereka, katanya. Barcoding juga memegang janji untuk membantu mengenal pasti sisa-sisa bahan genetik yang terdapat di alam sekitar.
"Bagi ahli ekologi, " kata Kress, "barcoding DNA benar-benar membuka cara yang berbeza untuk menjejaki sesuatu di habitat di mana kita tidak dapat menjejaki mereka sebelum ini."
Dengan membenarkan para saintis meneliti satu gen tertentu dan bukannya mengikut urutan seluruh genom dan membandingkannya, Hebert berharap kaedahnya akan membolehkan analisis genetik dan identifikasi dilakukan dengan lebih cepat dan murah daripada penjujukan penuh. "14 tahun yang lalu telah menunjukkan bahawa ia berfungsi lebih berkesan dan lebih mudah dilaksanakan daripada yang saya jangkakan, " katanya sekarang.
Tetapi dia masih melihat ruang untuk kemajuan. "Kami benar-benar bergelut dengan data yang tidak mencukupi dari segi kelimpahan dan pengedaran spesies, " kata Hebert mengenai pemuliharaan. Dengan cepat meningkatkan teknologi untuk menganalisis sampel DNA dengan lebih cepat dan dengan bahan yang kurang diperlukan yang dipasangkan dengan barcoding DNA menawarkan jalan keluar, kata Hebert, dengan pengimbas moden sudah dapat membaca ratusan juta pasangan asas dalam jam, berbanding ribuan pasangan asas yang boleh dibaca dalam masa yang sama dengan teknologi terdahulu.
Hebert membayangkan masa depan di mana DNA dikumpulkan dan dijujukan secara automatik dari sensor di seluruh dunia, membolehkan ahli pemelihara dan ahli taksonomi mengakses banyak data mengenai kesihatan dan pengedaran pelbagai spesies. Dia bekerja sekarang untuk menganjurkan perpustakaan barcode DNA seluruh dunia yang boleh digunakan para saintis untuk mengenal pasti spesimen yang tidak diketahui-sesuatu seperti Pokedex kehidupan sebenar.
"Bagaimana anda meramal perubahan iklim jika anda membaca suhu pada satu titik di planet ini atau satu hari setahun?" Hebert menegaskan. "Jika kita akan mengambil serius mengenai pemuliharaan biodiversiti, kita hanya perlu mengubah sepenuhnya pandangan kita mengenai jumlah pemantauan yang diperlukan."
