Kehidupan lautan sebahagian besarnya tersembunyi dari pandangan. Memantau kehidupan di mana mahal - biasanya memerlukan bot besar, jaring besar, kakitangan mahir dan banyak masa. Teknologi yang baru muncul menggunakan apa yang disebut DNA alam sekitar mendapat beberapa batasan, menyediakan cara yang cepat dan terjangkau untuk mengetahui apa yang ada di bawah permukaan air.
Kandungan Terkait
- Bagaimana Para Ilmuwan Menggunakan Teeny Bits DNA Sisa untuk Menyelesaikan Misteri Hidupan Liar
Ikan dan haiwan lain menumpahkan DNA ke dalam air, dalam bentuk sel, rembesan atau kotoran. Kira-kira 10 tahun lalu, para penyelidik di Eropah mula-mula menunjukkan bahawa jumlah kecil air kolam berisi DNA yang mengambang bebas yang cukup untuk mengesan haiwan pemastautin.
Para penyelidik kemudiannya mencari eDNA akuatik dalam pelbagai sistem air tawar, dan baru-baru ini dalam persekitaran marin yang jauh lebih besar dan lebih kompleks. Walaupun prinsip eDNA akuatik telah ditubuhkan dengan baik, kami baru mula meneroka potensi untuk mengesan ikan dan kelimpahannya dalam tetapan laut tertentu. Teknologi ini menjanjikan banyak aplikasi praktikal dan saintifik, daripada membantu menetapkan kuota ikan lestari dan menilai perlindungan spesies terancam untuk menilai impak ladang angin luar pesisir.
Siapa di Hudson, bila?
Dalam kajian baru kami, rakan sekerja saya dan saya menguji bagaimana eDNA akuatik dapat mengesan ikan di muara Sungai Hudson di sekitar New York City. Walaupun muara sungai paling banyak di Amerika Utara, kualiti air telah meningkat secara dramatik sejak beberapa dekad yang lalu, dan muara sebahagiannya telah memulihkan peranannya sebagai habitat penting bagi banyak spesies ikan. Kesihatan yang lebih baik dari perairan tempatan diserlahkan oleh penampilan paus bungkuk yang sudah biasa secara rutin di sekolah-sekolah besar di Atlantic menhaden di sempadan pelabuhan New York, di dalam laman Empire State Building.
Bersiap untuk melemparkan baldi mengumpul ke dalam sungai. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Kajian kami adalah rakaman pertama musim migrasi ikan laut dengan menjalankan ujian DNA pada sampel air. Kami mengumpul satu liter air (kira-kira satu liter) sampel air mingguan di dua tapak bandar dari Januari hingga Julai 2016. Kerana garis pantai Manhattan berperisai dan dinaikkan, kami melemparkan baldi ke dalam tali ke dalam air. Sampel musim sejuk mempunyai sedikit atau tiada eDNA ikan. Bermula pada bulan April terdapat kenaikan mantap dalam ikan yang dikesan, dengan sekitar 10 hingga 15 spesies setiap sampel pada awal musim panas. Temuan-temuan eDNA sebahagian besarnya sepadan dengan pengetahuan pergerakan ikan yang ada sekarang, sukar diperoleh dari dekad-dekad tinjauan sealing tradisional.
Hasil kami menunjukkan kualiti "Goldilocks" eDNA akuatik - nampaknya hanya masa yang tepat untuk digunakan. Jika ia hilang terlalu cepat, kami tidak akan dapat mengesannya. Sekiranya ia berlanjutan terlalu lama, kita tidak akan mengesan perbezaan bermusim dan kemungkinan akan mencari DNA dari banyak spesies air tawar dan lautan terbuka serta ikan muara tempatan. Penyelidikan mencadangkan DNA merosot dari jam ke hari, bergantung kepada suhu, arus dan sebagainya.
Secara keseluruhannya, kami memperolehi eDNA yang menyamai 42 spesies ikan laut tempatan, termasuk kebanyakan (80 peratus) spesies tempatan yang lazim atau biasa. Di samping itu, spesies yang kami dapat dikesan, spesies yang banyak atau lazimnya lebih kerap diperhatikan berbanding dengan yang tidak biasa di dalam negara. Bahawa spesies eDNA yang dikesan yang sesuai dengan pengamatan tradisional ikan tempatan secara umum dari segi kelimpahan adalah berita baik untuk metode ini - ia mendukung eDNA sebagai indeks bilangan ikan. Kami menjangka kami akan dapat mengesan semua spesies tempatan - dengan mengumpul jumlah yang lebih besar, di tapak tambahan di muara dan di kedalaman yang berbeza.
Ikan yang dikenal pasti melalui eDNA dalam sampel satu hari dari East River New York City. Jabatan Konservasi Alam Sekitar Negeri New York: alewife (spesies herring), bass bergaris, belut Amerika, mummichog, Jabatan Ikan dan Permainan Massachusetts: bass laut hitam, ikan bluefish, silverside Atlantik; New Jersey Scuba Diving Association: oyste) Sebagai tambahan kepada spesies laut tempatan, kami juga mendapati spesies tempatan yang jarang atau tiada dalam beberapa sampel. Kebanyakannya adalah ikan yang kita makan - Nilapia Nil, salmon Atlantik, bass laut Eropah ("branzino"). Kami membuat spekulasi ini datang dari air sisa - walaupun Hudson bersih, pencemaran kumbahan berterusan. Jika begitulah DNA masuk ke dalam muara dalam kes ini, mungkin mungkin untuk menentukan sama ada komuniti memakan spesies yang dilindungi dengan menguji air kumbahannya. Bekas exotics yang kami dapati adalah spesies air tawar, menghairankan sedikit yang diberikan arus air tawar yang besar dan harian ke dalam air masin dari DAS Hudson.
Penapisan air muara kembali ke makmal. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Menganalisis DNA telanjang
Protokol kami menggunakan kaedah dan standard peralatan dalam makmal biologi molekul, dan mengikuti prosedur yang sama yang digunakan untuk menganalisis microbiomes manusia, contohnya.
Selepas pengumpulan, kami menjalankan sampel air melalui penapis saiz kecil (0.45 mikron) yang menangkap bahan yang digantung, termasuk sel dan sel-sel sel. Kami mengekstrak DNA dari penuras, dan menguatkannya menggunakan tindak balas rantai polimerase (PCR). PCR seperti "menceroboh" urutan DNA tertentu, menghasilkan salinan yang cukup supaya dapat dianalisis dengan mudah.
Kami mensasarkan DNA mitokondria - bahan genetik dalam mitokondria, organelle yang menghasilkan tenaga sel. DNA mitokondria hadir dalam kepekatan yang jauh lebih tinggi daripada DNA nuklear, dan lebih mudah untuk dikesan. Ia juga mempunyai kawasan yang sama di semua vertebrata, yang menjadikannya lebih mudah bagi kita untuk menguatkan pelbagai spesies.
UDNA dan serpihan lain ditinggalkan di penapis selepas air muara dilalui. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Kami menandakan setiap sampel yang dikuatkan, menggabungkan sampel dan menghantarnya untuk penjujukan generasi akan datang. Saintis dan pengarang bersama Rockefeller University, Zachary Charlop-Powers mencipta saluran paip bioinformatik yang menilai kualiti urutan dan menghasilkan senarai urutan unik dan "nombor baca" dalam setiap sampel. Itulah berapa kali kita mengesan setiap urutan yang unik.
Untuk mengenal pasti spesies, setiap urutan yang unik dibandingkan dengan orang dalam pangkalan data awam GenBank. Keputusan kami selaras dengan nombor bacaan yang berkadar dengan bilangan ikan, tetapi lebih banyak kerja diperlukan untuk hubungan yang tepat antara eDNA dan kelimpahan ikan. Sebagai contoh, sesetengah ikan mungkin menumpahkan lebih banyak DNA daripada yang lain. Kesan mortaliti ikan, suhu air, telur dan larva ikan berbanding bentuk dewasa juga boleh dimainkan.
Sama seperti dalam rancangan jenayah televisyen, pengenalan eDNA bergantung kepada pangkalan data yang komprehensif dan tepat. Dalam kajian perintis, kami mengenal pasti spesies tempatan yang hilang dari pangkalan data GenBank, atau mempunyai urutan yang tidak lengkap atau tidak sesuai. Untuk meningkatkan identifikasi, kami menyusun 31 spesimen yang mewakili 18 spesies dari koleksi saintifik di Universiti Monmouth, dan dari kedai umpan dan pasar ikan. Kerja ini sebahagian besarnya dilakukan oleh penyelidik pelajar dan pengarang bersama Lyubov Soboleva, seorang senior di John Bowne High School di New York City. Kami mendedahkan urutan baru ini dalam GenBank, meningkatkan liputan pangkalan data kepada kira-kira 80 peratus spesies tempatan kami.
Tapak koleksi di Manhattan. (Mark Stoeckle, CC BY-ND) Kami memberi tumpuan kepada ikan dan vertebrata lain. Kumpulan penyelidikan lain telah menggunakan pendekatan eDNA akuatik kepada invertebrata. Pada dasarnya, teknik ini dapat menilai kepelbagaian semua haiwan, tumbuhan dan kehidupan mikrob di habitat tertentu. Selain mengesan haiwan akuatik, eDNA mencerminkan haiwan terestrial di kawasan tadahan air berhampiran. Dalam kajian kami, haiwan liar yang dikesan di perairan New York City adalah tikus coklat, seorang penghuni bandar biasa.
Kajian masa depan mungkin menggunakan kenderaan autonomi untuk mencontohkan laman web jauh dan mendalam secara rutin, membantu kita memahami dan mengurus kepelbagaian kehidupan laut secara lebih baik.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Mark Stoeckle, Associate Research Senior dalam Program Persekitaran Manusia, The Rockefeller University
