DNA จรจัดอยู่รอบตัวเรา มันสามารถปฏิวัติการอนุรักษ์ได้

ในวันที่อากาศแจ่มใสในเดือนเมษายน นักชีววิทยา เดวิด ดัฟฟี และเจสซิกา ฟาร์เรลล์ เตรียมล่องเรือเล็กไปตามแม่น้ำมาทันซัสเพื่อจัดทำรายการสิ่งมีชีวิตทางน้ำในพื้นที่ ระลอกคลื่นส่งสัญญาณถึงกระแสน้ำไหลเอื่อยของแม่น้ำตามแนวชายฝั่งตะวันออกเฉียงเหนือของฟลอริดา นกบินอยู่เหนือศีรษะ บางตัวเกาะอยู่บนป่าชายเลนบริเวณริมฝั่งแม่น้ำ น้ำสีน้ำตาลขุ่นบดบังสัญญาณส่วนใหญ่ของสิ่งมีชีวิตในแม่น้ำ

แต่แล้วฝูงโลมาปากขวดก็ปรากฏขึ้น สิ่งมีชีวิตรูปร่างเพรียวบางแหวกผ่านน้ำเพื่อหายใจขณะว่ายทวนกระแสน้ำ ทีมงานจะเดินทางข้ามเส้นทางกับสัตว์จำพวกวาฬเหล่านี้อีกจำนวนมากในขณะที่เรือล่องไปตามแม่น้ำและเชื่อมต่อทางน้ำ โลมาสองสามตัวโยนปลาขึ้นไปในอากาศ ดูเหมือนกำลังเล่นกับอาหารของมัน คนอื่นๆ เคลื่อนตัวไปข้างเรือวิจัยเป็นเงาใต้น้ำ

โลมาไม่ใช่สัตว์อาศัยเพียงแห่งเดียวในแม่น้ำ เพียงแต่บางชนิดนั้นตรวจพบได้ยากกว่า

เต่าทะเลโผล่หัวขึ้นเหนือน้ำเป็นบางครั้งบางคราวและคุณจะพลาดมันไป พะยูนพะยูนจะหมุนวนบนพื้นผิวที่มีเพียงตาที่ผ่านการฝึกฝนเท่านั้นที่รู้ว่าจะต้องมองหา

แต่แม้แต่สัตว์และพืชที่หายากและยากที่สุด — และพืช — ก็ทิ้งร่องรอยโมเลกุลของการมีอยู่ของมันไว้ และนั่นคือสิ่งที่ฟาร์เรลล์และดัฟฟี่กำลังค้นหา: DNA

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดหลั่ง DNA อย่างต่อเนื่อง ทิ้งไว้จากผิวหนัง เกล็ด ผม ปัสสาวะ อุจจาระ เกสรดอกไม้ และอื่นๆ อีกมากมาย DNA สิ่งแวดล้อมหรือ eDNA นี้ "เปลี่ยนแปลงทุกอย่าง" เกี่ยวกับวิธีที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาความหลากหลายทางชีวภาพและการอนุรักษ์ กล่าวโดยนักนิเวศวิทยาระดับโมเลกุล Elizabeth Clare จากมหาวิทยาลัยยอร์กในโตรอนโต

ตามเนื้อผ้า การวิจัยและติดตามการอนุรักษ์จำเป็นต้องมีการปรากฏตัวทางกายภาพ อาจเป็นบุคคลที่คอยเฝ้าลิง หรือกล้องที่ไวต่อการเคลื่อนไหวซึ่งบันทึกภาพสิงโตภูเขาที่ผ่านไป หรือกับดักแสงที่รวบรวมผีเสื้อกลางคืน “นี่เป็นข้อยืนยันที่ดีเยี่ยมว่ามีบางอย่างอยู่ที่นั่น” แคลร์กล่าว แต่ “ถ้าสัตว์เดินตามหลังกล้องของคุณ คุณจะพลาดมัน ไม่มีบันทึก”

นั่นไม่ใช่ปัญหากับ eDNA “eDNA เป็นเหมือนรอยเท้ามากกว่า และรอยเท้านั้นอยู่ได้นานกว่าสัตว์หรือพืช” แคลร์กล่าว “สิ่งมหัศจรรย์เกี่ยวกับมันคือการขยายระยะเวลาการตรวจจับของคุณให้กว้างขึ้น… มันเหมือนกับการมีตาอยู่ที่ด้านหลังศีรษะของคุณ”

eDNA มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับ, สืบค้นแม้แต่สายพันธุ์ที่เข้าใจยากซึ่งไม่ค่อยได้ข้ามเส้นทางกับมนุษย์ (SN: 28/10/24- ตัวอย่างที่นำมาจากพื้นที่ห่างไกลและนำไปที่ห้องปฏิบัติการเพื่อทำการวิเคราะห์สามารถช่วยนักวิจัยได้พูดหรือระบุชนิดพันธุ์ที่คิดว่าสูญพันธุ์ (SN: 20/3/24- แม้ว่านักอนุรักษ์จะค้นพบวิธีใหม่ๆ ในการใช้ eDNA หรือสถานที่ใหม่ๆ ในการค้นหา แต่พวกเขาก็จะต้องเอาชนะความท้าทายในการตีความสารพันธุกรรมที่พวกเขาพบ

Melania Cristescu นักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการและนักนิเวศวิทยาจากมหาวิทยาลัย McGill ในเมืองมอนทรีออล กล่าวว่า การจัดการกับความไม่แน่นอนนั้นคุ้มค่า “เครื่องมือ [การตรวจสอบทางพันธุกรรม] เหล่านี้จะทำให้โครงการความหลากหลายทางชีวภาพเป็นไปได้ในระดับโลก เพื่อให้เรามีวิธีการในการตรวจสอบความหลากหลายทางชีวภาพด้วยวิธีที่เราติดตามสภาพอากาศของเราด้วยความสม่ำเสมอ”

มีใครอยู่บ้าง?

ฟาร์เรลล์และดัฟฟี่ ซึ่งทั้งคู่ทำงานที่ห้องปฏิบัติการวิทนีย์ด้านชีววิทยาศาสตร์ทางทะเลแห่งมหาวิทยาลัยฟลอริดาในเซนต์ออกัสติน ได้มาถึงจุดแรกของวัน นั่นคือ Dolphin Creek ซึ่งเป็นหน่อของ Matanzas

ฟาร์เรลล์หย่อนเสาโลหะยาวที่มีขวดพลาสติกขนาด 1 ลิตรไว้ที่ปลายลงไปในน้ำระดับเอว แล้วเติมน้ำลงไป เธอดึงขวดออกมาแล้วปิดฝาด้วยมือที่สวมถุงมือ ซึ่งเป็นข้อควรระวังเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนตัวอย่าง และใส่ลงในถังเก็บความเย็นสีขาวเพื่อการขนส่ง กลับมาที่ห้องแล็บ ทีมงานจะกรอง DNA เพื่อการวิเคราะห์และค้นหาฐานข้อมูลทางพันธุกรรมเพื่อหาการจับคู่ที่เป็นไปได้กับ ID สปีชีส์นั้น

ขณะเดียวกัน ดัฟฟี่กำลังทดสอบวิธีการที่สามารถขจัดความจำเป็นในการแบกขวดน้ำหนักๆ ได้ บนดาดฟ้าเรือ เขาติดตั้งปั๊มแบบพกพาและติดไว้กับท่อที่ดึงน้ำผ่านตัวกรองขนาดนิ้วก้อยที่ห่อหุ้มด้วยพลาสติกและจุ่มลงในลำห้วย หลังจากผ่านไปประมาณห้านาที ตัวกรองที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นสีขาวก็จะกลายเป็นสีน้ำตาลอ่อนและหวังว่าจะเต็มไปด้วย DNA

แนวคิดในการลากอวนน้ำเพื่อใช้เป็นสารพันธุกรรมย้อนกลับไปในช่วงกลางทศวรรษ 1980 เมื่อนักวิจัยใช้ DNA เพื่อตรวจจับแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในตะกอนทะเล จากนั้นในช่วงต้นทศวรรษ 2000 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าตะกอนบางชนิดสามารถรักษา DNA จากสัตว์ที่สูญพันธุ์ได้ DNA แมมมอธขนปุยถูกพบลึกลงไปในชั้นดินเยือกแข็งของไซบีเรีย และตะกอนจากถ้ำในรัฐแอริโซนามีสารพันธุกรรมจากสลอธพื้นดินขนาดยักษ์โบราณ การค้นพบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า DNA สามารถดำรงอยู่ได้หลายพันปี

สัญญาณแห่งชีวิตสมัยใหม่ก็มีอยู่เช่นกัน นักวิจัยที่ทำงานในไซบีเรีย นำโดยนักพันธุศาสตร์ Eske Willerslev จากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน ได้ดึง DNA ของพืชดอกและมอสในปัจจุบันออกจากดินผิวดิน

แคลร์ให้เครดิต Willerslev สำหรับการสร้างแรงบันดาลใจให้กับนักอนุรักษ์ให้ใช้ร่องรอยของโมเลกุลดังกล่าวเพื่อติดตามความหลากหลายทางชีวภาพ งานของเขาเกี่ยวกับตะกอนแช่แข็ง “เป็นจุดเริ่มต้นจริงๆ” เธอกล่าว “แล้วมันก็ลงไปในน้ำอย่างรวดเร็ว” ในปี พ.ศ. 2551 นักวิจัยชาวฝรั่งเศสใช้ eDNA เพื่อตรวจจับอึ่งอ่างอเมริกันที่รุกราน-Lithobates catesbeianus) ในบ่อธรรมชาติ จากนั้นในปี 2554 อีกทีมหนึ่งได้ชี้ไปที่ eDNA เพื่อแนะนำทั้งสองปลาคาร์พเอเชียที่รุกรานกำลังว่ายน้ำอยู่ในน้ำที่เชื่อมต่อกับทะเลสาบมิชิแกน

เมื่อย้อนกลับไปที่ Dolphin Creek ไม่ใช่เรื่องยากเลยที่จะคาดเดาสัตว์ตัวหนึ่งที่จะปรากฏในตัวอย่างของฟาร์เรลล์และดัฟฟี่ “เราได้รับดีเอ็นเอของโลมา” ดัฟฟี่ยืนยัน

เนื่องจากมีโลมาจำนวนมากว่ายผ่านไป eDNA บางส่วนจึงรับประกันได้ว่าจะเป็นเร็วๆ นี้ แต่การสุ่มตัวอย่างจาก Matanzas แสดงให้เห็นถึงความยากลำบากอย่างหนึ่งในการตีความ eDNA แตกต่างจากภาพถ่ายประทับเวลาจากกับดักกล้อง เป็นการยากที่จะทราบแน่ชัดว่าสัตว์ทิ้งสัญญาณทางพันธุกรรมไว้เมื่อใด

การศึกษาแสดงให้เห็นว่า eDNA สามารถคงอยู่ในคอลัมน์น้ำได้นานหลายชั่วโมงหรือหลายสัปดาห์ Kristy Deiner นักนิเวศวิทยาจาก ETH Zurich กล่าว หลังจากนั้น “คุณจะพบมันบางครั้ง ไม่ใช่ครั้งอื่น” การตรวจจับที่ไม่สอดคล้องกันในกลุ่มตัวอย่างที่เก็บในวันเดียวกันหรือนานกว่าสองสามวัน บ่งชี้ว่าสัตว์นั้นหายไปนานแล้ว หรือ DNA เดินทางไปที่นั่นจากที่อื่น

ระยะเวลาที่ eDNA จะอยู่ในน้ำนั้นขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ตัวอย่างเช่นeDNA สลายตัวเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นสูงกว่า 20° องศาเซลเซียส Deiner และเพื่อนร่วมงานรายงานในการวิเคราะห์เมตาปี 2022 การที่ DNA ดำรงอยู่ในสิ่งแวดล้อมสามารถส่งผลต่อพลังการดำรงอยู่ของมันได้เช่นกัน

“เรารู้ว่า DNA มีอยู่ในนิวเคลียส ภายในเซลล์ และในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ขนาดใหญ่” Deiner กล่าว “แต่จริงๆ แล้วเรากำลังตรวจจับอะไรเมื่อเราเก็บตัวอย่างน้ำ? เราไม่รู้ว่ามันเป็นเซลล์หรือมาจากออร์แกเนลล์ (โครงสร้างภายในเซลล์) หรือดีเอ็นเอที่ละลายลอยอยู่รอบๆ” ยังไม่ชัดเจนว่าสถานะที่แตกต่างกันของ eDNA อาจส่งผลต่อการตรวจพบโมเลกุลหรือการเคลื่อนที่ผ่านระบบน้ำอย่างไร

ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเคมีของน้ำส่งผลต่อการย่อยสลาย eDNA อย่างไร หรือน้ำที่ไหลเข้าไปส่งผลต่อการย่อยสลายอย่างไร eDNA จากแม่น้ำที่เต็มไปด้วยธารน้ำแข็งที่รวดเร็วอาจมีพฤติกรรมแตกต่างไปจาก eDNA จากแม่น้ำอเมซอนที่เคลื่อนตัวอย่างช้าๆ “เราไม่ได้ทำการศึกษาทั่วโลกมากพอที่จะรู้ว่ามันขึ้นอยู่กับบริบทหรือมีสมการสากลที่จะทำนายพฤติกรรมของ [eDNA]” Deiner กล่าว

แต่การเคลื่อนที่ของ eDNA ในน้ำอาจก่อให้เกิดประโยชน์ ตัวอย่างเช่น น้ำในแม่น้ำมักจะจบลงในทะเลสาบ ซึ่งอาจทำหน้าที่เป็น "ตัวสะสมความหลากหลายทางชีวภาพ" Deiner กล่าว ทะเลสาบเพียงแห่งเดียวสามารถเป็นที่กักเก็บสิ่งมีชีวิตทั้งหมดในบริเวณลุ่มน้ำทั้งหมดได้

เพื่อทดสอบแนวคิดดังกล่าว เมื่อต้นปีที่ผ่านมาในเดือนพฤษภาคม Deiner และเพื่อนร่วมงานได้ขอให้นักวิทยาศาสตร์พลเมืองทั่วโลกเก็บตัวอย่างน้ำจากทะเลสาบประมาณ 400 แห่ง รวมถึงในแอฟริกาและเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ซึ่งเป็นสถานที่ที่ไม่มีบทบาทในการศึกษา eDNA ด้วยการวิเคราะห์ตัวอย่างหลายร้อยตัวอย่าง ทีมงานหวังที่จะจับสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในน้ำที่เชื่อมต่อกัน เช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตบนบกที่อาศัยอยู่ในพื้นที่โดยรอบ

การวิเคราะห์ความหลากหลายทางชีวภาพครั้งใหญ่เช่นนี้คงเป็นไปไม่ได้หากไม่มี eDNA Deiner กล่าว “มันช่วยให้คุณคิดใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้นมาก”

คุณไปไหนมา?

ก่อนพระอาทิตย์ขึ้น ท้องฟ้าฟลอริดาก็ลุกเป็นไฟ เฉดสีแดง สีส้ม และสีเหลืองผสมผสานกันเป็นสีฟ้าอ่อนเมื่อคลื่นซัดกระทบหาดทราย มีคนไม่กี่คนที่ออกมาเร็วขนาดนี้ แต่เสียงคำรามของยานพาหนะอเนกประสงค์สองคันทำให้ความสงบเงียบลง

เป็นวันที่สองของฤดูลาดตระเวนเต่าทะเล เมื่ออาสาสมัครมารวมตัวกันที่ Mickler's Landing ชายหาดทางตอนเหนือของ St. Augustine เพื่อดูแลรังเต่าทะเล ภารกิจหนึ่งในเช้าที่อากาศหนาวเย็นของเดือนเมษายนนี้คือการเก็บทรายจากรังเพื่อเก็บเกี่ยว DNA ที่เต่าทิ้งไว้

น่าเสียดายที่ยังเป็นช่วงต้นฤดูกาลและไม่มีรังอยู่ แต่อาสาสมัคร ลูคัส เมียร์ส อธิบายขั้นตอนการสุ่มตัวอย่างหากมีรังอยู่ เขาจะคุกเข่าลง ดึงท่อขนาดประมาณหลอดกระดาษชำระออกมาจากกระเป๋าเป้สะพายหลัง แล้วหยิบทรายอันละเอียดอ่อนสั้นๆ ขึ้นมา หากมีรอยเท้าของเต่า Meers กล่าว เขาจะตักตัวอย่างจากบริเวณที่ตีนกบของเต่าสัมผัสทราย และจุดที่ตัวของเต่าขูดไปทั่วชายหาด (และอาจทิ้งสารคัดหลั่งจากการวางไข่ไว้) เมียร์สจะเก็บตัวอย่างควบคุมซึ่งอยู่ห่างจากรางรถไฟซึ่งควรทดสอบ DNA เต่าทะเลเป็นลบ

เช่นเดียวกับตัวอย่างแม่น้ำ Matanzas eDNA ที่ดึงออกมาจากทรายช่วยให้ Duffy, Farrell และเพื่อนร่วมงานระบุได้ว่าเต่าชนิดใดที่มีอยู่ เช่น เต่าเขียว (เชโลเนีย ไมดาส) คนโง่เง่า (คาเร็ตต้า คาเร็ตต้า) หรือหนังกลับ (Dermochelys coriacea- ทีมงานยังตรวจสอบการมีอยู่ของไวรัสที่ทำให้เกิดเนื้องอกซึ่งแพร่ระบาดไปยังเต่าทั่วโลก ซึ่งเป็นช่องทางสู่สุขภาพเต่าทะเล

ดัฟฟี่กล่าว การวิเคราะห์ทางพันธุกรรมยังครอบคลุมมากกว่าว่าสัตว์ชนิดใดมีอยู่ และเผยให้เห็นว่าสัตว์ไปอยู่ที่ไหน

ด้วยการระบุลายนิ้วมือทางพันธุกรรมของประชากรและมองหาลายเซ็นนั้นใน eDNA นักวิจัยอาจสามารถระบุได้ว่ากลุ่มสัตว์เดินทางไปที่ใดโดยการรวบรวมตัวอย่างจากสถานที่ต่างๆ เพื่อเป็นการพิสูจน์แนวคิดDNA เต่าคนโง่ซึ่งพบที่ Mickler's Landing และชายหาดอื่นๆ ในรัฐฟลอริดา เป็นของสัตว์ที่วางไข่ทางตะวันออกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา ดัฟฟี ฟาร์เรลล์ และเพื่อนร่วมงานรายงานในปี 2565ทรัพยากรนิเวศวิทยาระดับโมเลกุล- การใช้ DNA เพื่อติดตามเส้นทางการเดินทางอาจเป็นประโยชน์ในการตัดสินใจว่าจะปกป้องแหล่งที่อยู่อาศัยใด

“หากคุณพยายามอนุรักษ์ [สายพันธุ์] โดยเพียงปกป้องส่วนหนึ่งของแหล่งที่อยู่อาศัยที่พวกเขาต้องการในช่วงชีวิต นั่นจะประสบความสำเร็จอย่างจำกัด” ดัฟฟี่กล่าว “หากคุณสามารถเริ่มเข้าใจว่าสัตว์เหล่านั้นมาจากไหน คุณก็จะมีความคิดที่ดีขึ้นมากเกี่ยวกับขอบเขตของพวกมันและสิ่งที่จำเป็นต้องได้รับการคุ้มครอง”

การแยกสัญญาณทางพันธุกรรมของบุคคลกลุ่มเดียวในกลุ่มประชากรอาจเป็นไปได้ ส่งผลให้นักวิจัยละทิ้งการติดแท็กสัตว์ใกล้สูญพันธุ์ได้ ในการศึกษาปี 2023 ในอีไลฟ์ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์สามารถแยกแยะสมาชิกบางคนของกลุ่มที่มีการศึกษาสูงได้ประชากรนกแก้วคาคาโปในนิวซีแลนด์ที่ทิ้งร่องรอย DNA ในตัวอย่างดินไว้ แต่ในปัจจุบัน เป็นการยากที่จะแยกวิเคราะห์เฉพาะบุคคลจาก eDNA เว้นแต่ว่าสารพันธุกรรมของพวกมันจะครอบงำกลุ่มตัวอย่าง ทำให้นักวิจัยมีทรัพยากรมากขึ้นในการทำงานร่วมกันเพื่อทำการจับคู่ กลุ่มตัวอย่างส่วนใหญ่เป็นกลุ่มคนจำนวนมากที่สับสน

แต่ตัวอย่างจากมนุษย์ยังแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ในการติดตามบุคคลอีกด้วย ดัฟฟี่และเพื่อนร่วมงานได้เก็บรวบรวมตัวอย่าง DNA ของมนุษย์โดยไม่ได้ตั้งใจในสิ่งแวดล้อมที่ยังคงสภาพสมบูรณ์เพียงพอที่จะเปิดเผยบรรพบุรุษทางพันธุกรรมและแม้แต่ความไวต่อโรค ด้วยการวิเคราะห์แบบกำหนดเป้าหมายเนื้อหาที่รวบรวมไว้อาจเพียงพอที่จะระบุตัวบุคคลได้โดยทีมรายงานตัวในปี 2023นิเวศวิทยาธรรมชาติและวิวัฒนาการ-

แม้ว่าความเป็นไปได้จะทำให้เกิดข้อกังวลด้านจริยธรรมเกี่ยวกับความเป็นส่วนตัว นักอนุรักษ์มักดำเนินการเพื่อหลีกเลี่ยงการวิเคราะห์ DNA ของมนุษย์จากตัวอย่างภาคสนามเพื่อสนับสนุนสายพันธุ์อื่น

ถึงกระนั้น "ถ้าคุณแปล [การค้นพบของมนุษย์] ในอนาคตออกไปเป็นสายพันธุ์อื่น" ดัฟฟี่กล่าว "นั่นอาจเป็นตัวเปลี่ยนเกมในแง่ของปริมาณข้อมูลที่คุณสามารถหาได้"

อะไรอยู่ในอากาศ?

เช่นเดียวกับชิ้นดีเอ็นเอจำนวนนับไม่ถ้วนที่ลอยอยู่ในน้ำหรือเกาะตัวอยู่ในทราย นักวิจัยกำลังค้นพบว่าเมื่อมีสุญญากาศอยู่ในมือ พวกเขาสามารถดูด eDNA จากขอบเขตใหม่ ซึ่งก็คืออากาศ

ลมกระโชกพัดละอองเรณูของต้นไม้และสปอร์ของเชื้อราไปตามทางที่ผู้คนถูกพัดพาไปในฝูงชน เซลล์ขนสัตว์และผิวหนังของสัตว์สามารถจับฝุ่นในสัตว์ขี่ได้ แหล่งเก็บข้อมูล DNA ขนาดใหญ่นี้อยู่รอบตัวเรา เช่นเดียวกับน้ำที่ล้อมรอบสิ่งมีชีวิตในน้ำ การวิเคราะห์ eDNA ที่ลอยอยู่ในอากาศต้องเผชิญกับความท้าทายในการตีความหลายอย่างเช่นเดียวกับตัวอย่างน้ำและดิน และขณะนี้ มีห้องปฏิบัติการเพียงไม่กี่แห่งทั่วโลก รวมถึงของ Clare's ที่มหาวิทยาลัยยอร์ก ที่กำลังเก็บเกี่ยว eDNA ในอากาศเพื่อสำรวจขอบเขตของชีวิต

ในอดีต นักวิจัยมุ่งเน้นไปที่การเก็บ DNA จากจุลินทรีย์ สปอร์ และละอองเกสรดอกไม้ ซึ่งเป็นเป้าหมายที่ชัดเจนในอากาศ ด้านสัตว์แคลร์พบน้อยมากรวมถึงรายงานจากนักเรียนมัธยมปลายชาวญี่ปุ่นสองคนที่หยิบดีเอ็นเอของนกสตาร์ลิ่งและนกฮูกขึ้นมาจากอากาศสำหรับโครงงานวิทยาศาสตร์ (สน: 5/16/62-

จากนั้นในปี 2022 ทีมงานของแคลร์และอีกกลุ่มหนึ่งรายงานการทดลองดึง DNA ของสัตว์ออกมาจากอากาศในสวนสัตว์อย่างเป็นอิสระ ซึ่งยืนยันว่าได้กลิ่นของ-SN: 18/1/22- เนื่องจากการสาธิตเหล่านี้ทำให้ความสนใจใน eDNA ในอากาศมีเพิ่มมากขึ้น ดัฟฟี่กล่าวว่า DNA ที่มีอยู่มากมายดังกล่าว "เปิดวิธีการใหม่ในการวัดความหลากหลายทางชีวภาพ"

ความอุดมสมบูรณ์ดังกล่าวช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เก็บตัวอย่างอากาศได้หลายร้อยตัวอย่างจากพื้นที่เดียวกันซ้ำแล้วซ้ำเล่า Clare ผู้ศึกษาทั้ง eDNA และนิเวศวิทยาของค้างคาวกล่าว “ฉันคนเดียว ฉันสามารถนั่งดูถ้ำแห่งหนึ่งได้ แต่ฉันสามารถใส่เครื่องเก็บตัวอย่าง [อากาศ] 100 เครื่องในถ้ำ 100 แห่งและทำทุกคืนเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ และทันใดนั้นฉันก็เข้าใจระบบนิเวศน์ของการเกาะแบบนีโอเขตร้อน”

นักวิทยาศาสตร์อาจสามารถเก็บตัวอย่างพันธุกรรมจากโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ได้ เช่น สถานีตรวจวัดมลพิษทางอากาศ เป็นต้นโกดังที่ซ่อนอยู่สำหรับ eDNAแคลร์และเพื่อนร่วมงานรายงานในปี 2566 ในชีววิทยาปัจจุบัน- สิ่งอำนวยความสะดวกทั่วโลกเก็บตัวอย่างรายวันหรือรายสัปดาห์เพื่อติดตามดูมลพิษ สถานที่บางแห่งเก็บตัวอย่างไว้เป็นเวลาหลายทศวรรษ ซึ่งหมายความว่าสถานีดังกล่าวสามารถช่วยนักวิจัยติดตามความหลากหลายทางชีวภาพในขนาดที่ใหญ่ขึ้นกว่าที่เคย

“ตอนนี้เราพบวิธีการที่เหมาะกับระบบเฝ้าระวังที่เรามีอยู่แล้ว” แคลร์กล่าว

แต่การรวบรวมสารพันธุกรรมจากอากาศมาพร้อมกับความไม่แน่นอน ไม่ว่า DNA ในอากาศจะตรวจพบเฉพาะสายพันธุ์ท้องถิ่นหรือจับสายพันธุ์ที่อยู่ห่างออกไปหลายกิโลเมตรก็ไม่ชัดเจน ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าสัญญาณคงอยู่ได้นานแค่ไหน และปริมาณ DNA ที่มีอยู่มากมายจากสายพันธุ์หนึ่งในกลุ่มตัวอย่างมีความหมายอย่างไรต่อความอุดมสมบูรณ์ของสัญญาณในธรรมชาติ

ปริมาณของ eDNA ในตัวอย่างอากาศ ดิน หรือน้ำ มีความสัมพันธ์โดยประมาณกับจำนวนพืชหรือสัตว์ที่อยู่ในพื้นที่ Clare กล่าว “แต่ยังมีหลายอย่างที่อาจผิดพลาดได้ จน [การประมาณการความอุดมสมบูรณ์] ยากที่จะนำไปใช้ในทางจริงใดๆ ก็ตาม”

ประการแรก สิ่งมีชีวิตบางชนิดอาจหลั่ง DNA มากกว่าสิ่งมีชีวิตอื่น โดยสัตว์ขนยาวอาจโผล่ขึ้นมาในอัตราที่สูงกว่าสัตว์ที่เป็นเกล็ดโดยอาศัย "ปัจจัยความฟู" และบางครั้งนักวิจัยเองก็มีอิทธิพลต่อผลลัพธ์โดยไม่รู้ตัวด้วยซ้ำ

ในขณะที่ศึกษาค้างคาวในเบลีซ แคลร์และทีมของเธอได้เก็บเกี่ยว eDNA ที่ลอยอยู่ในอากาศจากห้องเรียนที่พวกเขานำค้างคาวเข้ามาในห้องด้วยถุงผ้า จุดมุ่งหมายคือการหาคำตอบว่า DNA ที่ถูกดูดฝุ่นสามารถระบุค้างคาวสายพันธุ์ต่างๆ ได้ดีแค่ไหน และมันสามารถเก็บค้างคาวได้กี่สายพันธุ์ แม้ว่าสารพันธุกรรมส่วนใหญ่จากอากาศในห้องจะตรงกับจำนวนค้างคาวแต่ละชนิดที่มีอยู่ แคลร์กล่าวว่า "มีข้อยกเว้นหลายอย่าง"

ค้างคาวบางตัวถูกนำเสนอมากเกินไป และบางตัวถูกนำเสนอต่ำกว่านั้น “เราใช้เวลานานมากในการหาสาเหตุ” เธอกล่าว “และเห็นได้ชัดว่าฉันกำลังอ้างอิงถึง Taylor Swift ทุกครั้งที่พูดแบบนี้ ปัญหาก็คือตัวฉันเอง”

แคลร์ต้องระบุค้างคาวแต่ละตัว บางชนิดจำแนกได้ยาก และเนื่องจากเธอใช้เวลาตรวจสอบร่างกายและฟันของค้างคาวอย่างใกล้ชิด พวกมันจึงปล่อย DNA จำนวนมากไปในอากาศ ในทางกลับกัน ค้างคาวแวมไพร์จะส่งเสียงที่ชัดเจนเมื่อมีคนแตะกระเป๋า ดังนั้นแคลร์จึงไม่จำเป็นต้องเปิดเพื่อดูว่ามีอะไรอยู่ข้างใน นั่นอาจเป็นเหตุผลว่าทำไมน้อยมากDNA ค้างคาวแวมไพร์ปรากฏตัวในการทดลอง ทีมของแคลร์รายงานในปี 2023ดีเอ็นเอสิ่งแวดล้อม-

ถึงกระนั้น eDNA ที่ลอยอยู่ในอากาศก็มอบโอกาสที่คล้ายกันในการตรวจสอบสายพันธุ์บกตามวิธีที่ลำธารและมหาสมุทรขนส่ง DNA จากสิ่งมีชีวิตในน้ำ นักวิจัยสามารถถามคำถามที่ครอบคลุมพื้นที่กว้างใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่างดินจากหลายจุดบนภูมิประเทศอันกว้างใหญ่ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่า eDNA เดินทางในอากาศได้ไกลแค่ไหน ตัวอย่างเช่น “หากเรากำลังติดตั้งฟาร์มแผงโซลาร์เซลล์ในนิวเม็กซิโก” ดัฟฟี่ถามว่า “สิ่งนั้นจะมีผลกระทบต่อความหลากหลายทางชีวภาพในท้องถิ่นอย่างไร”

อะไรอยู่ที่นี่ตอนนี้?

การรวบรวมซ้ำช่วยให้นักวิจัยมีความมั่นใจมากขึ้นในการตีความการค้นพบ eDNA แต่วิธีการใหม่ที่ใช้ RNA ซึ่งเป็นลูกพี่ลูกน้องโมเลกุลของ DNA อาจช่วยระบุได้ว่ารูปแบบชีวิตใดอยู่ในสถานที่ล่าสุด

RNA เปลี่ยนคำสั่งทางพันธุกรรมของ DNA ให้เป็นโปรตีน เมื่อเปรียบเทียบกับ DNA แล้ว RNA ให้สัญญาณที่ชัดเจนกว่าว่าสัตว์เพิ่งเข้ามาในพื้นที่นั้น เนื่องจาก RNA จะสลายเร็วกว่ามาก ความเปราะบางดังกล่าวเริ่มแรกกระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่ามันจะย่อยสลายเร็วเกินไปสำหรับการสุ่มตัวอย่าง แต่การวิจัยที่เกิดขึ้นใหม่แสดงให้เห็นว่ายังมีช่วงการตรวจจับอยู่ หลังจากที่สิ่งมีชีวิตปล่อย RNA ออกสู่สิ่งแวดล้อม โมเลกุล RNA ส่วนใหญ่จะหายไปภายในสามถึงห้าชั่วโมง Cristescu กล่าว แม้ว่าการศึกษาจะชี้ให้เห็นว่า eRNA อาจตรวจพบได้นานถึง 72 ชั่วโมง eRNA ใดๆ ที่พบในตัวอย่างจึงหมายความว่าสิ่งมีชีวิตที่ทิ้งไว้นั้นอยู่ในพื้นที่ภายในสองสามวันที่ผ่านมา

โมเลกุลยังมีข้อดีอื่นๆ อีกด้วย “สิ่งที่สวยงามเกี่ยวกับ RNA” Cristescu กล่าว “ก็คือคุณสามารถได้รับข้อมูลทางนิเวศน์มากมายซึ่งคุณไม่สามารถรับได้จาก DNA”

RNA ที่ถูกปั่นป่วนโดยแต่ละบุคคลนั้นแตกต่างกันไปตามปัจจัยต่างๆ เช่น เพศหรือความเครียดจากสิ่งแวดล้อม ด้วยการรวบรวม eRNA นักวิจัยยังสามารถแยกความแตกต่างระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งมีชีวิตที่ตายแล้ว รวมถึงผู้ใหญ่และเยาวชนได้เป็นอย่างดี

ในการศึกษาบ่อกบอึ่งอเมริกันในไอดาโฮ ตัวอย่างน้ำมี RNA ที่เปิดเผยเมื่อมีลูกอ๊อดอยู่นักวิจัยรายงานเมื่อเดือนพฤษภาคมทรัพยากรนิเวศวิทยาระดับโมเลกุล-

การทดสอบเพิ่มเติมเพื่อค้นหาซาลาแมนเดอร์นิ้วยาว (แอมบีสโตมา มาโครแดกติลัม) ตัวอ่อนจะติดลบในบ่อเมื่อมีผู้ใหญ่อยู่แถวนี้เท่านั้น ตัวเต็มวัยจะวางไข่ในฤดูใบไม้ผลิแล้วออกไป ดังนั้นตัวเต็มวัยและลูกหลานจึงไม่อยู่ในบ่อพร้อมกัน เพียงสามเดือนต่อมา หลังจากที่ไข่ฟักออกมาแล้ว ทีมงานได้ตรวจพบ RNA ที่จำเพาะต่อตัวอ่อน

สำหรับตอนนี้ ตัวอย่างจะต้องกลับจากภาคสนามกลับไปยังห้องแล็บ ซึ่งบางครั้งอาจใช้เวลาหลายสัปดาห์ และต้องผ่านการประมวลผลหลายชั่วโมงก่อนที่นักวิจัยจะได้เหลือบเห็นชนิดพันธุ์ที่ตรวจพบในตัวพวกมัน แต่นักชีววิทยา Ravi Nagarajan แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย Davis กล่าวว่าสักวันหนึ่ง eRNA อาจถูกวิเคราะห์ในภาคสนาม

เทคโนโลยีดังกล่าวอยู่ระหว่างการพัฒนาสำหรับ eDNA แล้ว นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะออกแบบการทดสอบภาคสนามซึ่งใช้เวลาไม่ถึงหนึ่งชั่วโมงในการตรวจหา DNA สำหรับหนึ่งหรือหลายสายพันธุ์ในตัวอย่างน้ำโดยใช้กรรไกรโมเลกุล CRISPR เทคนิคการสุ่มตัวอย่างแบบเรียลไทม์ซึ่งมีชื่อว่า SHERLOCK สามารถเปิดเผยสัญญาณเบื้องต้นสำหรับชนิดพันธุ์ที่น่าสนใจ โดยระบุได้ว่าไซต์ใดต้องการการสุ่มตัวอย่างที่ละเอียดมากขึ้น Nagarajan ผู้เคยใช้ SHERLOCK กล่าวเพื่อสแกนปากแม่น้ำในแคลิฟอร์เนียเพื่อหาปลาที่ใกล้สูญพันธุ์- นอกจากนี้ยังสามารถช่วยจัดสรรทรัพยากรที่มีจำกัดของห้องปฏิบัติการไปยังจุดที่มีศักยภาพในการตอบคำถามมากที่สุด

SHERLOCK สามารถนำไปปรับใช้ให้ทำงานกับ eRNA ได้ Nagarajan กล่าว ด้วยการเก็บเกี่ยว RNA ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมบางอย่าง SHERLOCK สามารถให้คำแนะนำได้ทันทีว่าระบบนิเวศถูกเน้นย้ำ การทดสอบดังกล่าวอาจบ่งชี้ถึงภัยคุกคาม ไม่ว่าสิ่งมีชีวิตจะตกอยู่ในอันตรายเนื่องจากการปนเปื้อนสารเคมีในน้ำหรือคลื่นความร้อนขนาดใหญ่ Nagarajan กล่าว “มีศักยภาพมหาศาลอยู่ที่นั่น”

ในขณะที่สายพันธุ์ต่างๆ ลดน้อยลงหรือสูญพันธุ์ท่ามกลางแรงกดดัน เช่น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และอิทธิพลอื่นๆ ของมนุษย์ การมีแนวทางระดับโลกในการจัดทำรายการสิ่งที่อยู่ข้างนอกนั้นมีความสำคัญมากขึ้น Cristescu กล่าว “การไม่มีความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับความหลากหลายทางชีวภาพทำให้เราอยู่ในสถานะที่แย่มากในการทำความเข้าใจกับสิ่งที่เรากำลังสูญเสียไป”