DNA środowiskowe (eDNA) rewolucjonizuje sposób, w jaki badamy ekosystemy morskie . Dzięki tej technice możliwe jest teraz ustalenie, które gatunki przelatywały przez dany obszar, bez ich widzenia ani chwytania. Wystarczy pobrać próbkę wody, wyekstrahować zawarty w niej materiał genetyczny i przeanalizować go za pomocą wysoce precyzyjnych narzędzi molekularnych.
W przypadku oceanów, eDNA stało się wiodącym narzędziem monitorowania waleni i innych organizmów morskich , zwłaszcza na bardzo dużych obszarach, z których trudno jest pobierać próbki tradycyjnymi metodami. Od dużych międzynarodowych kampanii po laboratoria specjalizujące się w bioróżnorodności wodnej, coraz więcej projektów wykorzystuje tę technologię, aby poprawić ochronę i zarządzanie środowiskiem morskim.
Czym jest DNA środowiskowe i w jaki sposób jest pozyskiwane z morza?
Mówiąc o eDNA, mamy na myśli DNA, które organizmy pozostawiają w środowisku wraz z komórkami skóry, kałem, błonami śluzowymi, resztkami tkanek, łuskami, a nawet mikroskopijnymi fragmentami zrzucanymi podczas pływania. Ten materiał genetyczny pozostaje w wodzie, glebie lub powietrzu przez pewien czas i można go pobrać, jeśli zostanie odpowiednio pobrany.
W ekosystemach morskich najczęstszą procedurą jest: zbierz kilka litrów wody morskiej i przefiltruj ją Aby zatrzymać wszystkie te cząstki biologiczne. Mikroorganizmy, takie jak bakterie i fitoplankton, są zatrzymywane w filtrach, ale także śladowe ilości innych mikroorganizmów. de peceswalenie i inne kręgowce morskie, których obecność byłaby bardzo trudna do wykrycia gołym okiem.
Po nałożeniu materiału na filtr, DNA jest ekstrahowane w laboratorium i amplifikowane za pomocą technik biologii molekularnej , takich jak PCR i metabarkoding. Następnie jest sekwencjonowane i porównywane z referencyjnymi bazami danych w celu identyfikacji gatunku, do którego należy każdy fragment.
To podejście ma kluczową konsekwencję: jakość i zakres baz danych genetycznych decydują o tym, które gatunki można wykryć . Jeśli sekwencja gatunku nie zostanie zarejestrowana w tych bazach danych, gatunek ten nie pojawi się w wynikach, nawet jeśli faktycznie występuje w badanym ekosystemie.
Co więcej, eDNA ma swoją specyfikę, jeśli chodzi o interpretację: znalezienie DNA danego gatunku w próbce nie zawsze oznacza, że zwierzę znajduje się w tym samym miejscu w danym momencie . Prądy oceaniczne mogą przenosić materiał genetyczny, może dojść do zanieczyszczenia krzyżowego, a nawet do śladów ofiar w treści żołądkowej drapieżników. Dlatego analiza danych eDNA w kontekście oceanograficznym i ekologicznym jest niezbędna.
Zalety eDNA w porównaniu z tradycyjnymi metodami pobierania próbek
Analiza DNA środowiskowego zyskała miejsce w zestawie narzędzi ekologii morskiej, ponieważ oferuje wyraźne korzyści w porównaniu z klasycznymi metodami pobierania próbek , takimi jak trałowanie, wizualne spisy lub bezpośrednie chwytanie organizmów.
Jedną z najważniejszych zalet tej metody jest jej nieinwazyjność . Nie trzeba chwytać, manipulować ani krzywdzić organizmów, aby wiedzieć, że są lub były obecne. Jest to szczególnie istotne w przypadku pracy z gatunkami chronionymi lub zagrożonymi, a także z dużymi zwierzętami, takimi jak walenie.
eDNA zapewnia również większą obiektywność identyfikacji gatunków . Podczas gdy metody wizualne w dużej mierze opierają się na doświadczeniu i szkoleniu obserwatorów, przypisywanie sekwencji do gatunków opiera się na porównaniach z bazami danych genetycznych. Chociaż bazy te wciąż się rozwijają i udoskonalają, proces ten redukuje błędy związane z wiedzą taksonomiczną.
Kolejną kluczową zaletą jest możliwość wykrywania rzadkich, tajemniczych lub nieuchwytnych gatunków , które pozostają niezauważone podczas badań wizualnych lub w sieciach rybackich. Zwierzęta, które rzadko wypływają na powierzchnię, oddalają się od statków lub poruszają się w głębokich wodach, mogą pozostawić wystarczająco dużo śladów eDNA, aby mogły zostać wykryte.
Wreszcie, eDNA ułatwia eksplorację trudno dostępnych środowisk , takich jak obszary oddalone od wybrzeża, strefy głębinowe czy siedliska, gdzie zastosowanie tradycyjnych metod byłoby kosztowne, ryzykowne lub nieefektywne. Dzięki odpowiedniemu planowaniu pobierania próbek, bardzo duże obszary można objąć pomiarami w stosunkowo krótkim czasie i przy umiarkowanych kosztach, co czyni ją bardzo obiecującą i opłacalną metodą monitorowania środowiska morskiego.
Przełomowe badanie: monitorowanie waleni za pomocą eDNA w otwartym oceanie
Badanie przeprowadzone przez Hiszpański Instytut Oceanografii (IEO, CSIC) we współpracy z Instytutem Badań Morskich (IIM-CSIC) jednoznacznie wykazało potencjał DNA środowiskowego w badaniach nad waleniami na otwartym oceanie. Badanie to, opublikowane w czasopiśmie „Marine Environmental Research”, koncentrowało się na porównaniu wyników uzyskanych za pomocą eDNA z wynikami tradycyjnych badań wizualnych.
Zespół naukowy przeanalizował zgodność obu metod w różnych skalach przestrzennych , od bardzo dużych obszarów po skale pośrednie i drobniejsze. Dane wykazały, że eDNA jest szczególnie skuteczne w opisywaniu różnorodności i rozmieszczenia waleni w przypadku pracy w pośrednich skalach przestrzennych, wyraźnie uzupełniając informacje zebrane przez obserwatorów na pokładzie.
Jednym z najbardziej uderzających aspektów badania jest to, że eDNA umożliwiło badaczom wykrycie gatunków, których nie zaobserwowano podczas kampanii . Wśród nich znalazły się orki, grindwale długopłetwe i wieloryby True’a – gatunki, które łatwo mogą pozostać niezauważone w transektach wizualnych ze względu na swoje zachowanie, niską liczebność lub sposób nurkowania.
Jednocześnie, wzór rozmieszczenia przestrzennego uzyskany za pomocą eDNA w dużej mierze pokrywał się z obserwacjami najczęściej występujących gatunków waleni, takich jak płetwal błękitny . Ponadto analiza dostarczyła nowych informacji na temat delfina pręgowanego, gatunku często niedoreprezentowanego w dokumentach wizualnych ze względu na dynamikę grupy i zachowanie na powierzchni.
Dowody te skłoniły zespół kierowany przez Miguela Álvareza w ramach jego pracy doktorskiej do podkreślenia roli eDNA jako kluczowego, uzupełniającego narzędzia monitorowania waleni . Jego zastosowanie jest szczególnie interesujące w przypadku gatunków rzadkich, trudno uchwytnych lub trudnych do wykrycia, ponieważ poszerza wiedzę naukową na temat ich obecności i rozmieszczenia oraz wspiera skuteczniejsze strategie zarządzania i ochrony, co podkreśliła główna badaczka, dr Paula Suárez.
Kampania SCANS-IV: bezprecedensowe pokrycie przestrzeni kosmicznej
Badania IEO i IIM-CSIC zostały przeprowadzone w ramach europejskiej kampanii SCANS-IV , jednej z największych inicjatyw poświęconych monitorowaniu waleni w północnym Atlantyku. Celem kampanii jest uzyskanie wiarygodnych szacunków liczebności i rozmieszczenia tych ssaków morskich na dużych obszarach oceanicznych.
Podczas badania SCANS-IV pobrano 258 próbek wody ze 129 stacji rozmieszczonych na obszarze oceanu o powierzchni 270 684 km² , co czyni to przedsięwzięcie jednym z największych dotychczasowych badań eDNA dotyczących waleni. Każda próbka została przetworzona w celu wyekstrahowania i analizy DNA środowiskowego, które następnie porównano z danymi uzyskanymi z obserwacji wzrokowej.
Ilość zebranych danych pozwoliła na dość szczegółową ocenę korelacji między wzorcami obserwowanymi przez obserwatorów a tymi ujawnionymi przez eDNA , zarówno na dużą skalę, jak i na poziomie lokalnym. To wieloskalowe podejście jest kluczowe dla zrozumienia, w jakim stopniu obie metody się uzupełniają i gdzie każda z nich wnosi największą wartość.
Prace zostały sfinansowane przez Fundację na rzecz Różnorodności Biologicznej w ramach projektu NuTEC (Nowe technologie kontroli molekularnej i zdalnej do oceny populacji waleni) , funduszy Next Generation z Unii Europejskiej przekazanych na mocy umowy pomiędzy Ministerstwem Rolnictwa, Rybołówstwa i Żywności a CSIC, a także projektu ESMARES 2, którego celem było wdrożenie monitoringu strategii morskich w Hiszpanii za pośrednictwem IEO i który był współfinansowany przez Europejski Fundusz Morski, Rybołówstwa i Akwakultury (EMFF).
Cała ta sieć finansowania i współpracy instytucjonalnej podkreśla strategiczne znaczenie eDNA dla zrównoważonego zarządzania oceanami , pomagając wzmocnić międzynarodowe zarządzanie i zapewniając, że morza i oceany będą chronionymi, bezpiecznymi, czystymi środowiskami, wolnymi od zanieczyszczeń plastikiem i zarządzanymi w oparciu o najnowocześniejszą wiedzę naukową.
Cała ta sieć finansowania i współpracy instytucjonalnej podkreśla strategiczne znaczenie eDNA dla zrównoważonego zarządzania oceanami , pomagając wzmocnić międzynarodowe zarządzanie i zapewniając, że morza i oceany są chronionymi, bezpiecznymi i czystymi środowiskami zarządzanymi w oparciu o najnowocześniejszą wiedzę naukową.
Zastosowania DNA środowiskowego w ekosystemach morskich i innych siedliskach
Choć walenie stanowią uderzający przykład, DNA środowiskowe ma szeroki wachlarz zastosowań w monitorowaniu ekosystemów , w tym środowisk morskich, słodkowodnych i lądowych. Różne laboratoria i wyspecjalizowane firmy opracowały projekty mające na celu maksymalizację potencjału tej metodologii w bardzo różnych kontekstach.
Jednym z najskuteczniejszych kierunków badań jest określanie bioróżnorodności i charakteryzowanie zbiorowisk biologicznych . Dzięki metabarkodingowi eDNA można uzyskać swoisty „obraz” gatunków obecnych na określonym obszarze, identyfikując całe grupy taksonomiczne w ramach jednej analizy. Jest to przydatne do oceny stanu ekosystemów, wykrywania zmian w składzie gatunkowym oraz badania wpływu zmian klimatu na bioróżnorodność.
Kolejnym kluczowym zastosowaniem jest wczesne wykrywanie gatunków egzotycznych i inwazyjnych . Dzięki możliwości rejestrowania ich obecności na bardzo wczesnym etapie, eDNA pozwala na wdrożenie środków zarządzania, zanim gatunki te się rozprzestrzenią i spowodują poważne skutki ekologiczne i gospodarcze. Firmy takie jak Eurofins Cavendish opracowały specjalne protokoły identyfikacji tych gatunków w zbiornikach wodnych, ułatwiając szybką reakcję na potencjalne inwazje biologiczne.
Elektroniczne DNA (eDNA) jest również wykorzystywane do badania diety wielu gatunków na podstawie ich odchodów . Analiza DNA zawartego w tych szczątkach pozwala na szczegółową rekonstrukcję sposobu odżywiania się zwierząt, przyczyniając się do lepszego zrozumienia sieci pokarmowych, interakcji drapieżnik-ofiara oraz potencjalnych zmian w dostępności zasobów pokarmowych w ekosystemach morskich.
Wreszcie, wykorzystanie eDNA do obliczania klasycznych wskaźników biologicznych , takich jak IBMWP (indeks makrobezkręgowców bentonicznych) lub IPS (indeks okrzemek), zyskuje na popularności, dostosowując je do kontekstu molekularnego. Badania te mają na celu określenie, w jakim stopniu wskaźniki oparte na eDNA mogą zastąpić lub uzupełnić tradycyjne metody fizycznego pobierania próbek makrobezkręgowców lub mikroalg, oferując większą szybkość i zasięg przestrzenny.
Eurofins Cavendish i rozwój stosowanej ekologii molekularnej
W dziedzinie zastosowań, firmy takie jak Eurofins Cavendish ugruntowały swoją pozycję lidera w analizie DNA środowiskowego w celu wykrywania gatunków i badań bioróżnorodności. W 2023 roku firma uruchomiła laboratorium ekologii molekularnej, które koncentruje się na eDNA, ze szczególnym uwzględnieniem ekosystemów wodnych.
Tego typu laboratoria oferują rozwiązania szyte na miarę dla badaczy, organizacji ochrony środowiska i administracji publicznej . Ich usługi obejmują projektowanie kampanii pobierania próbek, przeprowadzanie analiz molekularnych, interpretację wyników i przygotowywanie raportów przydatnych w planowaniu ochrony bioróżnorodności lub ocenach oddziaływania na środowisko.
Jedną z mocnych stron tych zespołów jest ich rygorystyczne, oparte na dowodach podejście , wsparte standardowymi protokołami i rygorystycznymi kontrolami jakości. Przekłada się to na wiarygodne wyniki, niezbędne do podejmowania decyzji w zakresie zarządzania środowiskiem, monitorowania planów ochrony i opracowywania polityk ochrony środowiska morskiego.
Ponadto Eurofins Cavendish i inni przedstawiciele branży przyczyniają się do rozwoju i udoskonalania nowych metodologii eDNA , dostosowując je do różnych matryc (wody morskiej, słodkiej, osadów, powietrza) i różnych grup taksonomicznych. W ten sposób technika ta staje się coraz bardziej precyzyjna, wydajna i dostępna dla stale rosnącego grona użytkowników.
Dla organizacji zainteresowanych wdrożeniem tego typu analiz, współpraca ze specjalistycznymi laboratoriami oferuje szybką ścieżkę do włączenia genetyki środowiskowej do swoich projektów , bez konieczności tworzenia własnej, złożonej infrastruktury. Ułatwia to zarówno małym organizacjom, jak i dużym instytucjom korzystanie z zalet eDNA.
Rola działań outreach: zrozumienie eDNA poza laboratorium
Szybkiemu rozwojowi eDNA towarzyszyły znaczące wysiłki w zakresie edukacji naukowej i popularyzacji nauki . Przykładem jest praca Laboratorium Oceanografii i Meteorologii Atlantyckiej (AOML) NOAA, które opracowało serię filmów edukacyjnych zatytułowanych „Exploring Environmental DNA”, dostępnych na swojej stronie internetowej i kanale YouTube.
Ta seria w prosty sposób wyjaśnia, czym jest DNA środowiskowe, jak się je pobiera i jakie są jego zastosowania , koncentrując się przede wszystkim na oceanie. Prezentuje technologie pobierania próbek opracowane w AOML, prezentuje praktyczne ćwiczenia z ekstrakcji DNA oraz ilustruje zastosowania związane z bioróżnorodnością, gatunkami inwazyjnymi i zagrożonymi.
W projekcie uczestniczyli studenci studiów podyplomowych, tacy jak Megan Deehan z Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science na Uniwersytecie Miami , która odbyła staże z zakresu komunikacji naukowej w AOML, a także naukowcy z NOAA i Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS). Tego typu inicjatywy pomagają przybliżyć biologię molekularną szerokiej publiczności, nauczycielom i przyszłym badaczom.
Dogłębne zrozumienie podstaw eDNA nie tylko inspiruje powołanie naukowe, ale także pomaga menedżerom, technikom i społeczeństwu lepiej zrozumieć możliwości i ograniczenia tego narzędzia . Pozwala to uniknąć nierealistycznych oczekiwań i promuje odpowiedzialne i świadome korzystanie z niego w zarządzaniu środowiskiem morskim.
Dialog między laboratoriami, administracjami, firmami i społeczeństwem obywatelskim jest kluczowy dla zapewnienia, że decyzje dotyczące ochrony oceanów i zarządzania nimi będą oparte na rzetelnych danych i metodologiach odpowiednich w każdym przypadku. eDNA staje się jednym z filarów tego nowego podejścia opartego na dowodach.
Wszystko powyższe pokazuje, że DNA środowiskowe stało się centralnym narzędziem monitorowania ekosystemów morskich , mogącym skutecznie uzupełniać tradycyjne metody, poprawiać wykrywanie trudnych do zaobserwowania gatunków, rozszerzać zakres przestrzenny pobierania próbek i dostarczać kluczowych informacji na temat ochrony i zrównoważonego zarządzania oceanami, pod warunkiem, że towarzyszą mu dobre bazy danych referencyjnych, solidne protokoły i staranna interpretacja wyników w ich ekologicznym i oceanograficznym kontekście.
