رفتن به محتوای اصلی
توضیح کوهستانفناوری تنوع زیستیتوضیح و تشریح۲۲ مرداد ۱۴۰۵، ۱۰:۲۲· 6 دقیقه مطالعه· #1 از 3 در محیط زیست

دی‌ان‌ای محیطی (eDNA) چگونه ردیابی حیات وحش را متحول می‌کند

دانشمندان در حال جایگزینی تله‌های فیزیکی با آزمایش‌های مولکولی هستند و از ردهای ژنتیکی باقی‌مانده در آب، خاک و هوا برای نظارت بر اکوسیستم‌ها بدون ایجاد مزاحمت استفاده می‌کنند.

به قلم پیام نورانی

زیست‌شناسان حفاظت 40%مدیران منابع طبیعی 35%شکاکان بوم‌شناختی 25%
زیست‌شناسان حفاظت
دی‌ان‌ای محیطی را به عنوان یک ابزار انقلابی و غیرتهاجمی می‌بینند که هزینه و زحمت نظارت بر تنوع زیستی را به شدت کاهش می‌دهد و در عین حال استرس بر گونه‌های در معرض خطر را به حداقل می‌رساند.
مدیران منابع طبیعی
بر کاربرد دی‌ان‌ای محیطی برای تشخیص زودهنگام گونه‌های مهاجم تمرکز دارند و امکان واکنش سریع قبل از تثبیت تهاجم را فراهم می‌کنند.
شکاکان بوم‌شناختی
بر محدودیت‌های این فناوری تأکید می‌کنند و خاطرنشان می‌سازند که در حالی که دی‌ان‌ای محیطی حضور را تأیید می‌کند، نمی‌تواند جایگزین روش‌های سنتی برای تعیین اندازه جمعیت یا سلامت حیوانات شود.

آنچه نمی‌دانیم

  • چگونه می‌توان غلظت دی‌ان‌ای محیطی در یک نمونه را به طور دقیق به یک شمارش قابل اعتماد از تعداد حیوانات حاضر تبدیل کرد.
  • نرخ دقیق تجزیه دی‌ان‌ای محیطی هوابرد در شرایط آب و هوایی و اقلیمی مختلف.
  • اینکه آیا دی‌ان‌ای شناسایی شده در یک رودخانه جاری منشأ محلی داشته یا از کیلومترها دورتر به پایین دست منتقل شده است.

برای بیش از یک قرن، اساس نظارت بر حیات وحش، رهگیری فیزیکی بوده است. برای اثبات اینکه حیوانی در زیستگاه خاصی زندگی می‌کند، محققان باید آن را به دام می‌انداختند، برچسب می‌زدند، با دوربین‌های تله‌ای از آن عکس می‌گرفتند، یا در طول بررسی‌های میدانی پرزحمت، آن را به صورت بصری مشاهده می‌کردند. این پارادایم سنتی یک تنش ذاتی ایجاد می‌کند: عمل مطالعه یک اکوسیستم اغلب مستلزم ورود و ایجاد اختلال در آن است، و گونه‌های گریزان یا نادر به طور معمول از شبکه رصدی خارج می‌شوند.[1][3]

اکنون یک تغییر تکنولوژیک در حال حل این تنش است و تله فیزیکی را با لوله آزمایش مولکولی جایگزین می‌کند. دی‌ان‌ای محیطی (eDNA) به دانشمندان اجازه می‌دهد تا حضور یک حیوان را تنها با تجزیه و تحلیل ردهای ژنتیکی میکروسکوپی که در زیستگاه خود به جا می‌گذارد، تشخیص دهند. این روش با دنیای طبیعی مانند صحنه جرم رفتار می‌کند، جایی که هر ارگانیسم ناخواسته شواهدی از وجود خود را بر جای می‌گذارد.[5]

این سازوکار متکی بر ریزش بیولوژیکی مداومی است که در تمام حیات وجود دارد. همانطور که حیوانات در محیط‌های خود حرکت می‌کنند، به طور مستمر مواد ژنتیکی را در اطراف خود رها می‌کنند. ماهی‌ها فلس و مخاط را در رودخانه‌ها می‌ریزند؛ پستانداران مو، سلول‌های پوستی و بزاق را در آبشخورها به جا می‌گذارند؛ و همه موجودات مدفوع و ادرار دفع می‌کنند. این بقایای سلولی حاوی کد ژنتیکی منحصر به فرد آن گونه است.

برای ثبت این داده‌ها، محققان دیگر نیازی به یافتن خود حیوان ندارند. در عوض، آنها یک لیتر آب رودخانه را فیلتر می‌کنند، یک نمونه هسته‌ای از خاک جمع‌آوری می‌کنند، یا از یک سطح نمونه‌برداری می‌کنند. در آزمایشگاه، تکنسین‌ها قطعات ژنتیکی را از نمونه محیطی استخراج می‌کنند، آنها را با استفاده از فناوری واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) تکثیر می‌کنند و دی‌ان‌ای را توالی‌یابی می‌کنند. با تطبیق این توالی‌ها با یک کتابخانه مرجع از ژنوم‌های شناخته شده، دانشمندان می‌توانند دقیقاً مشخص کنند که کدام گونه اخیراً از آن منطقه عبور کرده است.[4]

موجودات زنده به طور مداوم مواد ژنتیکی را در محیط اطراف خود رها می‌کنند که می‌توانند فیلتر، توالی‌یابی و با یک کتابخانه مرجع مطابقت داده شوند.
موجودات زنده به طور مداوم مواد ژنتیکی را در محیط اطراف خود رها می‌کنند که می‌توانند فیلتر، توالی‌یابی و با یک کتابخانه مرجع مطابقت داده شوند.

سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) به طور فزاینده‌ای دی‌ان‌ای محیطی را به عنوان ابزاری اصلی برای مدیریت اکوسیستم در سراسر آمریکای شمالی پذیرفته است. این سازمان از این فناوری برای ردیابی هم گونه‌های بومی در معرض خطر و هم تهدیدات مهاجم نوظهور استفاده می‌کند. از آنجایی که دی‌ان‌ای محیطی نیازی به تأیید بصری ندارد، روشی سریع‌تر، دقیق‌تر و کاملاً غیرتهاجمی برای نقشه‌برداری از تنوع زیستی در مناظر وسیع و غیرقابل دسترس فراهم می‌کند.

حساسیت تشخیص مولکولی به طور مداوم از روش‌های میدانی سنتی بهتر عمل می‌کند. مطالعات نشان می‌دهند که دی‌ان‌ای محیطی می‌تواند گونه‌ها را در تراکم‌های جمعیتی بسیار پایین‌تر از ماهیگیری الکتریکی یا توراندازی تشخیص دهد. برای مدیران منابعی که تلاش می‌کنند آخرین افراد باقی‌مانده از یک دوزیست نادر را پیدا کنند، یا در تلاش برای تأیید ریشه‌کنی یک ماهی مهاجم هستند، این حساسیت بالا برای استقرار مؤثر منابع حفاظتی حیاتی است.[3]

دامنه یک نمونه واحد نیز در حال گسترش است. در حالی که کاربردهای اولیه دی‌ان‌ای محیطی بر تشخیص یک گونه هدف متمرکز بود، تکنیک‌های مدرن متالایه‌گذاری (Metabarcoding) به محققان اجازه می‌دهد تا تمام دی‌ان‌ای موجود در یک نمونه را به طور همزمان توالی‌یابی کنند. صندوق جهانی حیات وحش (WWF) اشاره می‌کند که یک ویال آب می‌تواند کد ژنتیکی صدها حیوان مختلف را حمل کند و یک نمای کلی جامع و چندگونه‌ای از کل یک اکوسیستم آبی را تنها با یک بازدید از محل فراهم سازد.[1][2]

در حالی که محیط‌های آبی محل اثبات کارایی دی‌ان‌ای محیطی بودند، این فناوری به سرعت در حال گسترش به اکوسیستم‌های خشکی است. اکنون از نمونه‌برداری خاک به طور معمول برای آشکارسازی تنوع زیستی زیرزمینی استفاده می‌شود و امضاهای ژنتیکی قارچ‌ها، بی‌مهرگان و پستانداران نقب‌زن را که سلامت خاک را تعیین می‌کنند اما برای بررسی‌های سطحی نامرئی هستند، ثبت می‌کند.[2][4]

در حالی که محیط‌های آبی محل اثبات کارایی دی‌ان‌ای محیطی بودند، این فناوری به سرعت در حال گسترش به اکوسیستم‌های خشکی است.

اخيراً، محققان شروع به جمع‌آوری دی‌ان‌ای مستقیماً از هوا کرده‌اند. دی‌ان‌ای محیطی هوابرد – که با استفاده از جاروبرقی‌های تخصصی یا صفحات جمع‌آوری غیرفعال جمع‌آوری می‌شود – می‌تواند با تجزیه و تحلیل گرده، هاگ‌ها و شوره حیوانات معلق در سایه‌بان جنگل، جوامع حیات وحش خشکی را رصد کند. این امر امکان نظارت مداوم و غیرفعال بر پرندگان، خفاش‌ها و پستانداران درختی را بدون نیاز به ورود به درختان فراهم می‌کند.[2][4]

حسگرهای دی‌ان‌ای محیطی هوابرد می‌توانند ردهای ژنتیکی گرده، هاگ‌ها و شوره حیوانات معلق در سایه‌بان جنگل را ثبت کنند.
حسگرهای دی‌ان‌ای محیطی هوابرد می‌توانند ردهای ژنتیکی گرده، هاگ‌ها و شوره حیوانات معلق در سایه‌بان جنگل را ثبت کنند.

علیرغم پتانسیل تحول‌آفرین، این فناوری محدودیت‌ها و عدم قطعیت‌های مشخصی دارد. دی‌ان‌ای به محض قرار گرفتن در معرض عوامل محیطی به سرعت تجزیه می‌شود. در محیط‌های آبی، دی‌ان‌ای محیطی معمولاً بسته به دمای آب، اسیدیته و قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش، تنها ۷ تا ۲۱ روز دوام می‌آورد. این تجزیه سریع یک شمشیر دو لبه است: تضمین می‌کند که یک تشخیص مثبت منعکس کننده حضور اخیر است، اما همچنین به این معنی است که رد ژنتیکی به سرعت سرد می‌شود.[3]

علاوه بر این، وجود دی‌ان‌ای حضور یک حیوان زنده و در حال تنفس را در محل دقیق نمونه‌برداری تضمین نمی‌کند. یک تشخیص مثبت دی‌ان‌ای محیطی در یک رودخانه می‌تواند ناشی از یک ماهی زنده در حال شنا به سمت بالا، یک لاشه در حال شسته شدن به سمت پایین، یا حتی مدفوع یک شکارچی باشد که ماهی را کیلومترها دورتر خورده است. تفسیر منشأ مکانی و زمانی دی‌ان‌ای نیازمند مدل‌سازی هیدرولوژیکی دقیق است.[3]

بوم‌شناسان همچنین هشدار می‌دهند که دی‌ان‌ای محیطی در حال حاضر نمی‌تواند به سؤالات جمعیتی پاسخ دهد. در حالی که این فناوری در تأیید حضور یا عدم حضور عالی است، نمی‌تواند به طور قابل اعتمادی اندازه جمعیت، ساختار سنی، نسبت جنسی یا سلامت کلی افراد شناسایی شده را تعیین کند. تله‌گذاری سنتی و بررسی‌های بصری برای جمع‌آوری این معیارهای حیاتی تاریخچه زندگی همچنان ضروری هستند.[3][5]

مطالعات به طور مداوم نشان می‌دهند که تشخیص مولکولی در شناسایی جمعیت‌های نادر یا با تراکم پایین، بهتر از بررسی‌های فیزیکی سنتی عمل می‌کند.
مطالعات به طور مداوم نشان می‌دهند که تشخیص مولکولی در شناسایی جمعیت‌های نادر یا با تراکم پایین، بهتر از بررسی‌های فیزیکی سنتی عمل می‌کند.

پذیرش گسترده ابزارهای دی‌ان‌ای محیطی در حفاظت جهانی اکنون به رفع این عدم قطعیت‌ها از طریق استانداردسازی دقیق بستگی دارد. در حال حاضر، تفاوت‌ها در مواد فیلتر، پروتکل‌های استخراج و خطوط لوله بیوانفورماتیک می‌تواند مقایسه داده‌ها را در مطالعات یا حوزه‌های قضایی مختلف دشوار سازد. کارگروه‌های بین سازمانی در حال تلاش برای ایجاد استانداردهای داده یکپارچه برای اطمینان از سازگاری هستند.[2]

به همان اندازه مهم، گسترش کتابخانه‌های مرجع ژنتیکی است. یک توالی دی‌ان‌ای محیطی تنها در صورتی مفید است که بتوان آن را با یک گونه شناخته شده مطابقت داد. برای بسیاری از موجودات نادر یا تازه کشف شده، این طرح‌های ژنومی بنیادی هنوز وجود ندارند و نیازمند تلاش‌های موازی برای توالی‌یابی تنوع زیستی جهان قبل از اینکه بتوان آن را به صورت محیطی ردیابی کرد، است.[5]

با برطرف شدن این موانع فنی، دی‌ان‌ای محیطی آماده است تا به سیستم عصبی استاندارد برای نظارت جهانی بر تنوع زیستی تبدیل شود. با جدا کردن تشخیص از صید فیزیکی، دی‌ان‌ای محیطی در حال تبدیل حفاظت از یک رشته واکنشی و پرزحمت به یک علم فعال و مبتنی بر داده است که قادر به نظارت بر سلامت سیاره در زمان تقریباً واقعی است.[1][3]

دی‌ان‌ای محیطی پس از استخراج از خاک یا آب، تکثیر و توالی‌یابی می‌شود تا گونه دقیق موجود در اکوسیستم شناسایی شود.
دی‌ان‌ای محیطی پس از استخراج از خاک یا آب، تکثیر و توالی‌یابی می‌شود تا گونه دقیق موجود در اکوسیستم شناسایی شود.

چرا مهم است

با تغییر روش از صید فیزیکی به تشخیص مولکولی، دی‌ان‌ای محیطی به مدیران منابع طبیعی این امکان را می‌دهد که گونه‌های در معرض خطر را ردیابی کرده و تهدیدات مهاجم را سریع‌تر، ارزان‌تر و بدون ایجاد استرس برای حیواناتی که قصد حفاظت از آن‌ها را دارند، شناسایی کنند.

بررسی عمیق دیدگاه‌ها

زیست‌شناسان حفاظت

طرفدار نظارت غیرتهاجمی برای حفاظت از اکوسیستم‌های شکننده.

زیست‌شناسان حفاظت دی‌ان‌ای محیطی را به عنوان ابزاری تحول‌آفرین می‌بینند که اخلاق و اقتصاد تحقیقات میدانی را به طور اساسی تغییر می‌دهد. با حذف نیاز به صید فیزیکی یا ایجاد استرس در حیوانات در معرض خطر، محققان می‌توانند جمعیت‌های شکننده را بدون آسیب رساندن ناخواسته به آن‌ها رصد کنند. علاوه بر این، توانایی توالی‌یابی صدها گونه از یک نمونه واحد به حافظان محیط زیست اجازه می‌دهد تا سلامت کل اکوسیستم‌ها را به طور همزمان ارزیابی کنند، نه اینکه فقط بر یک گونه شاخص تمرکز کنند. آن‌ها استدلال می‌کنند که این رویکرد جامع و مبتنی بر داده برای ردیابی کاهش تنوع زیستی در مقیاس جهانی ضروری است.

مدیران منابع طبیعی

متمرکز بر کاربرد عملی دی‌ان‌ای محیطی برای تشخیص زودهنگام و واکنش سریع.

برای سازمان‌های دولتی و مدیران منابع، ارزش اصلی دی‌ان‌ای محیطی در حساسیت بی‌نظیر آن به عنوان یک سیستم هشدار اولیه نهفته است. تشخیص یک گونه مهاجم مانند مار پیتون زیتونی پیلبرا یا کپور مهاجم زمانی که تعداد آن‌ها هنوز کم است، برای ریشه‌کنی موفقیت‌آمیز حیاتی است. تله‌گذاری سنتی اغلب در تشخیص این تهدیدات شکست می‌خورد تا زمانی که جمعیت از قبل منفجر شده باشد. با این حال، مدیران همچنین با چالش عملی تفسیر داده‌های دی‌ان‌ای محیطی روبرو هستند؛ یک تشخیص مثبت مستلزم آن است که آن‌ها تعیین کنند آیا دی‌ان‌ای نشان‌دهنده یک جمعیت تثبیت شده است یا صرفاً یک رد گذرا که توسط یک شکارچی یا بدنه قایق حمل شده است.

شکاکان بوم‌شناختی

هشدار در مورد اتکای بیش از حد به داده‌های مولکولی به قیمت نادیده گرفتن زیست‌شناسی میدانی سنتی.

در حالی که شکاکان بوم‌شناختی قدرت تشخیص مولکولی را تأیید می‌کنند، هشدار می‌دهند که دی‌ان‌ای محیطی یک راه‌حل جامع نیست و نمی‌تواند به طور کامل جایگزین زیست‌شناسی میدانی سنتی شود. آن‌ها تأکید می‌کنند که یک توالی ژنتیکی نمی‌تواند به یک محقق بگوید که آیا یک حیوان در حال تولید مثل است، گرسنه است یا از بیماری رنج می‌برد. علاوه بر این، تجزیه سریع دی‌ان‌ای در محیط و پیچیدگی‌های انتقال هیدرولوژیکی به این معنی است که دی‌ان‌ای محیطی ردهای ژنتیکی را نقشه‌برداری می‌کند، نه لزوماً جمعیت‌های زنده را. آن‌ها استدلال می‌کنند که دی‌ان‌ای محیطی باید به عنوان یک مکمل قدرتمند برای – و نه جایگزینی برای – بررسی‌های بوم‌شناختی میدانی در نظر گرفته شود.

اصطلاحات کلیدی

دی‌ان‌ای محیطی (eDNA)
مواد ژنتیکی که توسط موجودات زنده در زیستگاه خود به جا گذاشته می‌شود و می‌توان آن را از نمونه‌های آب، خاک یا هوا استخراج کرد.
متالایه‌گذاری (Metabarcoding)
تکنیکی که به محققان اجازه می‌دهد تا دی‌ان‌ای چندین گونه مختلف را به طور همزمان از یک نمونه محیطی واحد توالی‌یابی و شناسایی کنند.
واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR)
یک روش آزمایشگاهی که برای ساخت سریع میلیون‌ها نسخه از یک نمونه دی‌ان‌ای خاص استفاده می‌شود و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا ردهای بسیار کوچک مواد ژنتیکی را برای تجزیه و تحلیل تکثیر کنند.
کتابخانه مرجع
یک پایگاه داده از توالی‌های ژنتیکی شناخته شده که توسط دانشمندان برای تطبیق و شناسایی قطعات دی‌ان‌ای ناشناخته یافت شده در نمونه‌های محیطی استفاده می‌شود.

منابع

پوشش منابع

5 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

زیست‌شناسان حفاظت 40%مدیران منابع طبیعی 35%شکاکان بوم‌شناختی 25%
  1. [1]World Wildlife Fund (WWF)زیست‌شناسان حفاظت

    What is environmental DNA?

    مطالعه در World Wildlife Fund (WWF)
  2. [2]National Institutes of Health (NIH)شکاکان بوم‌شناختی

    Environmental DNA (eDNA) collection strategies in diverse settings

    مطالعه در National Institutes of Health (NIH)
  3. [3]Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematicsشکاکان بوم‌شناختی

    Uses and Misuses of Environmental DNA in Biodiversity Science and Conservation

    مطالعه در Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics
  4. [4]NatureMetricsمدیران منابع طبیعی

    Environmental DNA (eDNA) from water, soil, and air

    مطالعه در NatureMetrics
  5. [5]تیم سردبیری کوهستان

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

دریافت محیط زیست اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، مستقیم در صندوق ورودی شما.