Экологическая ДНК (eDNA) совершает революцию в изучении морских экосистем . Благодаря этой методике теперь можно узнать, какие виды прошли через определенную область, не наблюдая и не отлавливая их. Достаточно взять пробу воды, извлечь содержащийся в ней генетический материал и проанализировать его с помощью высокоточных молекулярных методов.
В случае океанов эДНК стала ведущим инструментом для мониторинга китообразных и других морских организмов , особенно на очень больших территориях, которые трудно исследовать традиционными методами. От крупных международных кампаний до лабораторий, специализирующихся на изучении водного биоразнообразия, все больше проектов используют эту технологию для улучшения сохранения и управления морской средой.
Что такое экологическая ДНК и как её получают из моря?
Когда мы говорим об эДНК, мы имеем в виду ДНК, которую организмы оставляют в окружающей среде через клетки кожи, фекалии, слизистые оболочки, остатки тканей, чешую или даже микроскопические фрагменты, отслаивающиеся во время плавания. Этот генетический материал некоторое время сохраняется в воде, почве или воздухе и может быть собран при правильном отборе проб.
В морских экосистемах наиболее распространенная процедура состоит в следующем: Наберите несколько литров морской воды и отфильтруйте её. для удержания всех этих биологических частиц. Микроорганизмы, такие как бактерии и фитопланктон, задерживаются фильтрами, а также следовые количества других микроорганизмов. de pecesкитообразные и другие морские позвоночные, присутствие которых было бы очень трудно обнаружить невооруженным глазом.
После того как материал попадает на фильтр, ДНК извлекается в лаборатории и амплифицируется с использованием методов молекулярной биологии , таких как ПЦР и метабаркодинг. Затем она секвенируется и сравнивается с эталонными базами данных для определения вида, к которому принадлежит каждый фрагмент.
Такой подход имеет важное следствие: качество и объем генетических баз данных определяют, какие виды могут быть обнаружены . Если последовательность генома вида не зарегистрирована в этих базах данных, этот вид не появится в результатах, даже если он фактически присутствует в исследуемой экосистеме.
Кроме того, анализ эДНК имеет свои особенности с точки зрения интерпретации: обнаружение ДНК определенного вида в образце не всегда означает, что животное находится именно в этом месте в этот момент . Океанские течения могут переносить генетический материал, возможно перекрестное загрязнение или даже следы добычи в содержимом желудка хищников. Поэтому крайне важно анализировать данные эДНК в океанографическом и экологическом контексте.
Преимущества анализа эДНК по сравнению с традиционными методами отбора проб
Анализ ДНК из окружающей среды занял важное место в арсенале морской экологии, поскольку он обладает очевидными преимуществами перед классическими методами отбора проб , такими как траление, визуальный учет или прямой отлов организмов.
Одним из важнейших преимуществ является неинвазивность метода . Нет необходимости отлавливать, манипулировать или причинять вред организмам, чтобы знать об их присутствии или прошлом. Это особенно актуально при работе с охраняемыми или находящимися под угрозой исчезновения видами, а также с крупными животными, такими как китообразные.
Анализ эДНК также повышает объективность идентификации видов . В то время как визуальные методы в значительной степени зависят от опыта и подготовки наблюдателей, отнесение последовательностей к видам основано на сравнении с генетическими базами данных. Хотя эти базы данных все еще расширяются и совершенствуются, этот процесс снижает предвзятость, связанную с таксономической экспертизой.
Еще одно ключевое преимущество — способность обнаруживать редкие, скрытные или неуловимые виды , которые остаются незамеченными при визуальном обследовании или использовании рыболовных сетей. Животные, которые редко всплывают на поверхность, отходят от кораблей или перемещаются в глубоких водах, могут оставлять достаточно следов ДНК, чтобы их можно было обнаружить.
Наконец, анализ ДНК из окружающей среды облегчает исследование труднодоступных мест , таких как районы, удаленные от побережья, глубоководные зоны или местообитания, где применение традиционных методов было бы дорогостоящим, рискованным или неэффективным. При правильном планировании отбора проб можно охватить очень большие территории за относительно короткое время и с умеренными затратами, что делает этот метод очень перспективным и экономически эффективным способом мониторинга морской среды.
Знаковое исследование: мониторинг китообразных с помощью эДНК в открытом океане.
Исследование, проведенное Испанским институтом океанографии (IEO, CSIC) в сотрудничестве с Институтом морских исследований (IIM-CSIC) , наглядно продемонстрировало потенциал экологической ДНК для изучения китообразных в открытом океане. В этом исследовании, опубликованном в журнале Marine Environmental Research, основное внимание уделялось сравнению результатов, полученных с помощью анализа экологической ДНК, с результатами традиционных визуальных исследований.
Научная группа проанализировала согласованность результатов обоих методов в различных пространственных масштабах , от очень больших территорий до средних и более мелких масштабов. Данные показали, что метод анализа ДНК из окружающей среды (eDNA) особенно эффективен для описания разнообразия и распространения китообразных при работе в средних пространственных масштабах, явно дополняя информацию, собранную наблюдателями на борту судов.
Одним из наиболее поразительных аспектов исследования является то, что анализ эДНК позволил исследователям обнаружить виды, которые не были замечены во время кампании . Среди них были зарегистрированы косатки, длинноплавниковые гринд и клюворылые киты Тру — виды, которые легко могут остаться незамеченными при визуальном обследовании из-за их поведения, низкой численности или особенностей погружения.
В то же время, полученная с помощью анализа эДНК пространственная картина распределения в значительной степени совпала с наблюдениями наиболее часто встречающихся видов китообразных, таких как финвал . Кроме того, анализ предоставил новую информацию о полосатом дельфине, виде, который часто недостаточно представлен в визуальных данных из-за его групповой динамики и поведения на поверхности воды.
Эти данные побудили группу исследователей под руководством Мигеля Альвареса в рамках его докторской диссертации выделить ДНК из окружающей среды (eDNA) как ключевой дополнительный инструмент для мониторинга китообразных . Ее применение особенно интересно для редких, трудноуловимых или плохо обнаруживаемых видов, поскольку она расширяет научные знания об их присутствии и распространении и способствует разработке более эффективных стратегий управления и сохранения, как подчеркнула ведущий исследователь этого исследования, доктор Паула Суарес.
Кампания SCANS-IV: беспрецедентное освещение космической тематики.
Исследования, проведенные IEO и IIM-CSIC, осуществлялись в рамках европейской кампании SCANS-IV , одной из крупнейших инициатив, посвященных мониторингу китообразных в Северной Атлантике. Цель этой кампании — получить достоверные оценки численности и распространения этих морских млекопитающих на обширных океанических территориях.
В ходе проекта SCANS-IV было собрано 258 проб воды на 129 станциях, расположенных на территории океана площадью 270 684 км² , что делает эту работу одной из самых масштабных по пространственному охвату, достигнутых на сегодняшний день в исследованиях ДНК окружающей среды, изучающих китообразных. Каждая проба была обработана для извлечения и анализа ДНК окружающей среды, которая затем сравнивалась с данными визуальных наблюдений.
Объём собранных данных позволил провести достаточно детальную оценку корреляции между закономерностями, наблюдаемыми наблюдателями, и закономерностями, выявленными с помощью анализа эДНК , как на крупномасштабном, так и на локальном уровнях. Такой многомасштабный подход имеет решающее значение для понимания того, в какой степени оба метода дополняют друг друга и где каждый из них вносит наибольший вклад.
Работа финансировалась Фондом биоразнообразия в рамках проекта NuTEC (Новые молекулярные и дистанционные технологии управления для оценки популяций китообразных) , фондами Next Generation Европейского союза, направленными в рамках соглашения между Министерством сельского хозяйства, рыболовства и продовольствия и CSIC, а также проектом ESMARES 2, направленным на внедрение мониторинга морских стратегий в Испании через IEO и софинансируемым Европейским фондом морского рыболовства и аквакультуры (EMFF).
Вся эта сеть финансирования и институционального сотрудничества подчеркивает стратегическую важность ДНК из окружающей среды для устойчивого управления океанами , способствуя укреплению международного управления и обеспечению защиты морей и океанов, их безопасности, чистоты, отсутствия пластикового загрязнения и управления на основе самых передовых научных знаний.
Вся эта сеть финансирования и институционального сотрудничества подчеркивает стратегическую важность ДНК из окружающей среды для устойчивого управления океанами , способствуя укреплению международного управления и обеспечению защиты морей и океанов, их безопасности и чистоты, а также управлению ими на основе самых передовых научных знаний.
Применение ДНК из окружающей среды в морских экосистемах и других местообитаниях
Хотя китообразные являются ярким примером, анализ ДНК окружающей среды имеет широкий спектр применений в мониторинге экосистем , включая морскую, пресноводную и наземную среду. Различные лаборатории и специализированные компании разработали проекты для максимального использования потенциала этой методологии в самых разных условиях.
Одним из наиболее перспективных направлений исследований является определение биоразнообразия и характеристика биологических сообществ . С помощью метабаркодинга эДНК можно получить своего рода «снимок» видов, присутствующих в конкретной области, идентифицируя целые таксономические группы за один анализ. Это полезно для оценки состояния экосистем, выявления изменений в видовом составе и изучения влияния изменения климата на биоразнообразие.
Еще одно важное применение — раннее обнаружение экзотических и инвазивных видов . Благодаря возможности регистрации их присутствия на самых ранних стадиях, эДНК позволяет активировать меры по борьбе с ними до того, как эти виды распространятся и вызовут серьезные экологические и экономические последствия. Такие компании, как Eurofins Cavendish, разработали специальные протоколы для идентификации этих видов в водоемах, что позволяет оперативно реагировать на потенциальные биологические инвазии.
Электронная ДНК (eDNA) также используется для изучения рациона питания многочисленных видов по их фекалиям . Анализируя ДНК, содержащуюся в этих останках, можно с достаточной детализацией реконструировать, чем питались животные, что способствует лучшему пониманию пищевых цепей, взаимодействий хищник-жертва и потенциальных изменений в доступности пищевых ресурсов в морских экосистемах.
Наконец, все большую популярность приобретает использование эДНК для расчета классических биологических индексов , таких как IBMWP (индекс бентосных макробеспозвоночных) или IPS (индекс диатомовых водорослей), адаптируя их к молекулярному контексту. Цель этих исследований — определить, в какой степени индексы на основе эДНК могут заменить или дополнить традиционные методы физического отбора проб макробеспозвоночных или микроводорослей, обеспечивая большую скорость и пространственное покрытие.
Компания Eurofins Cavendish и становление прикладной молекулярной экологии
В прикладной сфере такие компании, как Eurofins Cavendish, зарекомендовали себя как лидеры в области анализа ДНК окружающей среды для идентификации видов и изучения биоразнообразия. В 2023 году компания открыла лабораторию молекулярной экологии, специализирующуюся на анализе ДНК окружающей среды, особенно в контексте водных экосистем.
Лаборатории такого типа предлагают индивидуальные решения для исследователей, природоохранных организаций и государственных администраций . Их услуги варьируются от разработки кампаний по отбору проб и проведения молекулярного анализа до интерпретации результатов и подготовки отчетов, полезных для планирования сохранения биоразнообразия или оценки воздействия на окружающую среду.
Одно из преимуществ этих команд — их строгий, основанный на доказательствах подход , подкрепленный стандартизированными протоколами и жестким контролем качества. Это обеспечивает надежные результаты, необходимые для принятия решений в области управления окружающей средой, мониторинга планов сохранения и разработки политики защиты морской среды.
Кроме того, компания Eurofins Cavendish и другие участники отрасли вносят свой вклад в разработку и совершенствование новых методик анализа эДНК , адаптируя их к различным средам (морская вода, пресная вода, осадки, воздух) и различным таксономическим группам. Таким образом, эта методика становится более точной, эффективной и доступной для постоянно расширяющегося круга пользователей.
Для организаций, заинтересованных во внедрении такого рода анализа, сотрудничество со специализированными лабораториями предлагает быстрый путь к включению экологической генетики в свои проекты без необходимости создания собственной сложной инфраструктуры. Это облегчает как небольшим организациям, так и крупным учреждениям использование преимуществ анализа ДНК окружающей среды (eDNA).
Роль просветительской работы: понимание ДНК из окружающей среды за пределами лаборатории.
Быстрое распространение данных об экологической ДНК сопровождалось значительными усилиями по популяризации науки и просвещению населения . Примером может служить работа Атлантической океанографической и метеорологической лаборатории NOAA (AOML), которая разработала серию образовательных видеороликов под названием «Изучение экологической ДНК», доступных на её веб-сайте и канале YouTube.
В этой серии простыми словами объясняется, что такое ДНК из окружающей среды, как её отбирают и для чего она используется , в основном в океане. В ней демонстрируются технологии отбора проб, разработанные в AOML, представлены практические занятия по выделению ДНК и показаны примеры применения, связанные с биоразнообразием, инвазивными видами и видами, находящимися под угрозой исчезновения.
В проекте участвуют аспиранты, такие как Меган Дихан из Школы морских и атмосферных наук Розенстила при Университете Майами , прошедшие стажировку по научной коммуникации в AOML, а также ученые из NOAA и Кооперативного института морских и атмосферных исследований (CIMAS). Подобные инициативы помогают приблизить молекулярную биологию к широкой общественности, преподавателям и будущим исследователям.
Глубокое понимание основ анализа ДНК из окружающей среды не только вдохновляет на научные карьеры, но и помогает руководителям, техникам и общественности лучше понимать возможности и ограничения этого инструмента . Это позволяет избежать нереалистичных ожиданий и способствует ответственному и обоснованному использованию в управлении морской экологией.
Диалог между лабораториями, администрациями, компаниями и гражданским обществом имеет ключевое значение для обеспечения того, чтобы решения по сохранению и управлению океаном основывались на надежных данных и методологиях, соответствующих каждому конкретному случаю, и эДНК становится одним из столпов этого нового подхода, основанного на фактических данных.
Все вышеизложенное показывает, что ДНК из окружающей среды стала центральным инструментом мониторинга морских экосистем , способным эффективно дополнять традиционные методы, улучшать обнаружение труднонаблюдаемых видов, расширять пространственный охват отбора проб и предоставлять ключевую информацию для сохранения и устойчивого управления океанами, при условии наличия хороших справочных баз данных, надежных протоколов и тщательной интерпретации результатов в их экологическом и океанографическом контексте.
