دانشمندان برای اولین بار DNA حیوانی را از هوا جمع‌آوری کردند

کریستین بومن در دوران دانشجویی برای به‌دست آوردن شجره آکادمیک خود فداکاری کرد. بومن برای جمع‌آوری سرنخ‌های ژنتیکی درمورد حیات‌وحش اطراف ازطریق بررسی روده انگل‌ها، به‌سختی در نهری آلوده به زالو در ماداگاسکار راه می‌رفت. برای انجام این کار، او باید ابتدا به آن‌ها اجازه می‌داد تا به پوست برهنه او بچسبند. بومن که اکنون، دانشیار ژنومیک تکاملی در دانشگاه کپنهاگ است، می‌گوید: «من به‌عنوان طعمه انسانی عمل کردم. این زالوها در واقع از حیوانات جنگل‌های بارانی تغذیه می‌کردند، خون آن‌ها را می‌کشیدند و نگهدارنده عالی DNA هستند».

اکنون بومن و گروه دیگری از پژوهشگران روش بسیار ساده‌تری برای نمونه‌گیری از DNA محیطی یا eDNA پیدا کرده‌اند. آن‌ها چند فیلتر هوا را درون و اطراف دو باغ‌وحش نصب کردند تا قطعات میکروسکوپی مواد ژنتیکی شناور در هوا را بگیرد. آن‌ها پس از برداشتن فیلترهای کوچک و تکثیر DNA با استفاده از توالی‌یاب، توانستند نشانگرهای ژنتیکی ده‌ها گونه حیوانی در اسارت و نیز موجودات آزاد اطراف مانند سنجاب‌ها، گربه‌ها و جوجه‌تیغی‌ها را پیدا کنند.

درحالی‌که دانشمندان از تکنیک‌های نمونه‌گیری مشابه eDNA برای شناسایی مواد ژنتیکی ماهی‌ها و موجودات دیگر درون رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها استفاده می‌کنند، اولین‌بار است که از این تکنیک برای جمع‌آوری DNA پستانداران از هوا استفاده می‌شود. بومن می‌گوید مرحله‌ی بعدی این است که متوجه شویم که چگونه می‌توان از این روش در طبیعت استفاده کرد و چگونه می‌توان آن را با زیستگاه‌ها و اکوسیستم‌های مختلف مطابقت داد.

نتایج حاصل از این دو آزمایش مبتنی‌بر باغ‌وحش اخیرا در مجله‌ی Current Biology منتشر شد. مقاله اول از تیم بومن در دانشگاه کپنهاگ است. گزارش دوم، از گروهی از پژوهشگران دانشگاه کوئین‌مری در لندن و دانشگاه یورک در تورنتو است.

پژوهشگران دانمارکی سه فیلتر هوا را به مدت ۳۰ ساعت در هر نوبت مستقر کردند و توانستند ۴۹ مهره‌دار شامل ۳۰ پستاندار، ۱۳ پرنده، چهار ماهی، یک دوزیست و یک خزنده را شناسایی کنند. آن‌ها DNA حیوانات باغ‌وحش مانند زرافه گردن‌کوتاه (اُکاپی)، آرمادیلو، گوپی (گونه‌ای ماهی که در برکه‌ای در خانه جنگلی زندگی می‌کرد) و حتی DNA حیوانات مزاحمی مانند موش صحرایی قهوه‌ای و موش خانگی را پیدا کردند. قطعاتی از DNA از ماهی‌های مورد استفاده برای تغذیه حیوانات دیگر باغ‌وحش نیز به سمت آسمان حرکت کرده بود و توسط فیلتر به دام افتاد و شناسایی شد.

تنبلی در باغ‌وحش کپنهاگ، جایی که کریستین بومن نمونه‌های هوا را جمع‌آوری کرد

درمقابل، گروه بریتانیایی از هوای اطراف پارک باغ‌وحش همرتون در نزدیکی کمبریج نمونه‌گیری کرد. مدت زمان نمونه‌گیری آن‌ها هر نوبت ۳۰ دقیقه بود؛ اما آن‌ها فیلترها را از جایی به جای دیگر می‌بردند تا ببینند که آیا می‌توانند حرکات حیوانات را ردیابی کنند.

به‌گفته‌ی الیزابت کلر، پژوهشگر اصلی و استادیار زیست‌شناسی در دانشگاه یورک، تیم ۷۲ نمونه جمع‌آوری کرد و از تکنیک آزمایشگاهی به نام واکنش زنجیره‌ای پلیمراز برای تکثیر مقادیر اندک ماده ژنتیکی استفاده کرد تا بتواند نشانگرهای ژنتیکی گونه‌های انفرادی را شناسایی کند. او می‌گوید:

فیلتر DNA مانند صافی قهوه عمل می‌کند: شما هوا را از آن عبور می‌دهید و ذرات در آن گیر می‌افتند، همان‌طور که تفاله‌های قهوه در صافی گیر می‌افتند، اما آب به سرعت از آن عبور می‌کند. کاری که ما می‌خواهیم انجام دهیم این است که DNA یا سلول‌ها یا قطعات میکروسکوپی بافت را که در هوا وجود دارد، روی این صافی به دام بیندازیم. سپس می‌توانیم به آزمایشگاه استریل برگردیم، لوله را باز کنیم، فیلتر را بیرون بیاوریم و DNA را مستقیما از آن استخراج کنیم.

گروه بریتانیایی، ۲۵ گونه جانوری شامل ۱۷ جانور اسیر مانند گیبون‌، دینگو، دُم‌عصایی، تنبل و الاغ را شناسایی کردند. آن‌ها همچنین بازدیدکنندگان تصادفی مانند سنجاب‌ها و یک جوجه تیغی را پیدا کردند که احتمالاً اطراف پارک به‌دنبال غذا پرسه می‌زدند. این تیم توانست علاوه بر حضور این حیوانات، حرکت آن‌ها را نیز تشخیص دهد.

پژوهشگران حیات‌وحش سال‌ها است به‌دنبال راه بهتری برای ردیابی حیوانات هستند. برخی دوربین‌های تله‌ای را در امتداد مسیرهای شناخته‌شده حیوانات وحشی نصب می‌کنند تا تصاویری از موجودات محتاطی که ممکن است به‌ندرت یا هنگام شب بیرون بیایند، بگیرند. برخی دیگر به‌دنبال نشانه‌هایی از مدفوع هستند که ممکن است نشان‌دهنده حضور حیوان و غذایی باشد که او می‌خورد. روشی قدیمی هم وجود دارد: ردپایی که کنار رودخانه گل‌آلود، برف یا بیابان شنی باقی مانده است. اما برای بسیاری از زیست‌شناسان دنبال کردن پستاندارانی که هر روز کیلومترها حرکت می‌کنند و نسبت‌به انسان‌ها محتاط هستند، تقریباً غیرممکن است.

مایکل شوارتز، دانشمند ارشد مرکز ملی ژنومیک حیات‌وحش و حفاظت از ماهی سازمان جنگلداری ایالات متحده در ایمیلی به وایرد نوشت:

اگر می‌خواهیم اکوسیستم‌ها را احیا کنیم، باید درک کنیم که چگونه اقدامات حفاظتی ما بر گونه‌های تهدیدشده و درمعرض خطر انقراض اثر می‌گذارد. اما برای انجام این کار باید بتوانیم حتی نادرترین، محتاط‌ترین و مرموزترین گونه‌ها را بشناسیم. ما به تکنولوژی‌هایی مانند توانایی تشخیص DNA محیطی معلق در هوا نیاز داریم.

شوارتز که در دو مطالعه جدید شرکت نداشت، از نمونه‌های هوا، آب و خاک برای ردیابی خفاش‌های قهوه‌ای بزرگ (Eptesicus fuscus) استفاده کرده است که تعداد آن‌ها به خاطر سندرم بینی سفید به‌شدت کاهش پیدا کرده است. سندرم مذکور نوعی بیمار قارچی است که در سال ۲۰۰۶ وارد ایالات متحده شد.

شوارتز و همکارانش در ماه سپتامبر مطالعه‌ای را در مجله‌ی Biological Conservation منتشر کردند که نمونه‌های eDNA خاک و آب بیرون از غارهایی را که خفاش‌ها در آن آشیانه داشتند، بررسی کرده بود. آن‌ها همچنین از نمونه‌گیر هوا به‌عنوان بخشی از پروژه استفاده کردند تا ببینند که آیا می‌توانند DNA معلق در هوا را از محوطه خفاش‌ها در اوهایو جمع‌آوری کنند. بنا به گزارش مطالعه، در شش نمونه از هفت نمونه هوای فیلترشده، eDNA شناسایی شد، اما با اینکه ۳۰ خفاش در محوطه قرار داشتند، غلظت‌ها بسیار پایین بود.

شوارتز می‌گوید همکارانش درحال اصلاح تکنیک‌های نمونه‌برداری از هوا هستند و روی روشی برای جمع‌آوری مقادیر کم DNA از برف نیز کار می‌کنند. این روش نه‌تنها به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا تشخیص دهند که کدام گونه از پستاندار اخیرا روی برف‌انباشت‌ها حرکت کرده است، بلکه حفاری درون آن به آن‌ها اجازه می‌دهد تا شواهدی را پیدا کنند که نشان می‌دهد حیوان خاصی ماه‌ها پیش از این منطقه عبور کرده است.

گروه شوارتز در سال ۲۰۱۹ نتایجی را درمورد این پروژه در مجله‌ی Biological Conservation منتشر کرد. او می‌گوید استفاده از آثار روی برف برای تشخیص شکارچیان محافظه‌کاری مانند سیاهگوش روشی کارآمد، مقرون‌به‌صرفه و قطعی است

.دینگوها در باغ‌وحش بریتانیا تجهیزات نمونه‌برداری هوا را تماشا می‌کنند.

آیا روش نمونه‌برداری از DNA موجود در هوا برای ردیابی مواد ژنتیکی افراد منفرد کارآمد است؟ کارشناسی می‌گوید، به صورت فرضی بله اما ازنظر عملی خیر. ملانیا کریستسکو، دانشیار ژنومیک زیست‌محیطی در دانشگاه مک‌گیل که از eDNA برای نمونه‌گیری از زیستگاه‌های آبی استفاده می‌کند، می‌گوید: «این کار ممکن است، اما مقداری چالش‌برانگیز خواهد بود».

تجزیه‌و‌تحلیل قطعات DNA انسانی با استفاده از نمونه‌های مو، بزاق، خون یا مواد ژنتیکی دیگری که روی سطوح باقی مانده‌اند، آسان‌تر از تجزیه‌و‌تحلیل نمونه‌های جمع‌آوری‌شده از هوا است. (اخیرا پژوهشگران سوئیسی با استفاده از DNA برجای‌مانده روی تمبرهای پستی که روی کارت پستالی از زمان جنگ جهانی اول برجای مانده بود، توانستند معمای یک شجره خانوادگی را حل کنند و پایداری این مولکول را در شرایط خاص نشان دادند).

اما به دست آوردن نمونه کافی از مواد ژنتیکی معلق در هوا زمان بیشتری نیاز دارد و پژوهشگران باید مراقب باشند که DNA خودشان مواد ژنتیکی روی فیلتر را آلوده نکند.

درمورد DNA معلق در هوا، آب‌و‌هوا نیز عامل موثری است. برای مثال، اگر هوا بارانی یا بادی باشد، ممکن است نمونه‌گیری کارآمد نباشد، زیرا این شرایط می‌تواند هوا را از ذرات حامل DNA پاک کند. همچنین مشخص نیست که تحت شرایط گرما یا نور شدید خورشید این مولکول چقدر دوام می‌آورد. کلر می‌گوید:

آیا تابش‌های خورشیدی DNA را تخریب می‌کنند؟ احتمالاً، اما میزان تخریب ناشی از آن را نمی‌دانیم. نمی‌دانیم که باد چقدر می‌تواند DNA را پراکنده کند. نمی‌دانیم که دما چگونه می‌تواند بر میزان تخریب DNA اثر بگذارد. همه‌ی این‌ها سوالات جالبی هستند.

بومن و کلر می‌گویند که آزمایش‌های مبتنی‌بر باغ وحش آن‌ها فقط شروع کار است و آن‌ها امیدوار هستند پژوهش‌ها ادامه پیدا کند تا روش‌های نمونه‌گیری و تکنیک‌های دیگر بهبود پیدا کند.

کل زمینه‌ی eDNA به سرعت درحال پیشرفت است و دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که در آینده می‌توانیم با استفاده از این روش مواردی مانند حرکت گونه‌های جانوری یا گیاهی مهاجم به یک منطقه را تشخیص دهیم. همچنین می‌توانیم به کمک این رویکرد مشخص کنیم که آیا تکه‌ی خاصی از یک جنگل به‌علت اینکه جانوران از آن برای مهاجرت یا غذا استفاده می‌کنند، به محافظت نیاز دارد.

به‌گفته‌ی پژوهشگران، تشخیص الگوهای حرکت جانوران در طول زمان، به‌جای اطلاع از فقط موقعیت کنونی آن‌ها، برای محافظت از زیستگاه‌ها دربرابر توسعه و حفظ تنوع زیستی زمین مهم است. کلر می‌گوید:

تقریباً هر چیزی که وجود دارد، به حضور جانور در زمان حضور شما نیاز دارد. اگر دوربین تله‌ای کار گذاشته باشید، باید جانور جلوی آن راه برود. اگر از پشت آن راه برود، هرگز متوجه حضور آن نخواهید شد. اما DNA روشی غیرتهاجمی است، به‌طوری‌که حیوان ممکن است روزهای قبل در آنجا بوده باشد و هنوز می‌توانید آن را تشخیص دهید. این کار بیشتر شبیه ردپایی است که پشت سر بر جای می‌ماند.