Геодезия и изучение кораллов занимает очень много времени. Обычно это делается вручную, для чего требуются гидрокостюмы, баллоны с воздухом, акваланг и люди. Но это важно сделать, так как коралловые рифы имеют наибольшее биоразнообразие любой экосистемы на Земле, но быстро деградируют из-за повышения температуры моря.
Сбор проб воды намного проще и дешевле. И вот недавно проведенное исследование показало, что эДНК, найденная в этих образцах, может дать ученым такую же точную информацию обследования, не посылая дайверов в глубоководные слои синего моря.
эДНК, сокращенно от экологической ДНК, - это ДНК, найденная в битах биологических остатков в почве, воздухе и воде. В прошлом сбор ДНК определенного растения или животного требовал от ученых физического контакта с этим видом и непосредственного отбора проб. Однако с помощью эДНК ученые могут собирать ДНК фекалий, пыльцы, кожи, чешуи или слизи, обнаруженной в образцах почвы или воды.
Согласно новому исследованию, проведенному Гавайским университетом на факультете биологии Манойского университета, эДНК может быть использована для точного определения количества живых кораллов в рифах. Это исследование, проведенное под руководством Патрика Николса, аспиранта по морской биологии и доцента Питера Марко, показало высокую корреляцию между количеством живых кораллов, подсчитанных с помощью визуальных исследований, и концентрацией эДНК кораллов, обнаруженной в пробах морской воды. Несмотря на растущий объем исследований, проводимых с использованием эДНК, лишь немногие исследования показали надежную связь между изобилием организма и наличием эДНК. Это исследование показывает, что эДНК может быть быстрым и доступным способом измерения присутствия живых кораллов в рифе.
Метод, используемый для извлечения и оценки эДНК из морской воды , называемый метабаркодированием, анализирует всю ДНК в образце воды с помощью ДНК-праймеров для амплификации определенных участков ДНК из целевых организмов с целью идентификации, которые присутствуют в образце. Некоторые из целевых последовательностей праймеров в нынешнем исследовании были короткие, амплифицирующие только около 80-120 пар оснований ДНК, в то время как самые длинные последовательности имели около 400. Эти праймеры, предназначенные для амплификации ДНК всех коралловых родов, обнаруженных на Гавайских островах, были способны не только количественно определять коралловый покров, но и обнаруживать различия в структуре кораллового сообщества (т. е. относительное содержание основных коралловых родов) на разных участках от эДНК в пробах воды.
По словам Николса, кораллы являются хорошим кандидатом для такого рода исследований, поскольку существует множество коралловых последовательностей в открытых онлайновых базах данных, где они могут быть сопоставлены с вновь собранными последовательностями эДНК.
Исследования включали в себя отбор проб морской воды в ряде мест на острове Оаху с различным уровнем деградации кораллов. Некоторые из этих объектов являются морскими заповедниками, некоторые - туристическими пляжами, а на один из них приходится менее 1% кораллового покрова в целом. Как только исследователи собрали воду, они должны были быстро извлечь ДНК и стабилизировать ее, поскольку в противном случае она быстро деградировала бы и стала непригодной для использования. Затем Николс и его команда пропускают ДНК через несколько фильтров, чтобы отсеять бактерии и другие одноклеточные организмы, составляющие большую часть ДНК в воде, так как они были заинтересованы только в более крупных, многоклеточных организмах. Затем они сравнили отфильтрованную ДНК с онлайновыми базами данных, чтобы сопоставить ее с известными последовательностями.
Здоровые кораллы выделяют много эДНК, в то время как деградировавшие рифы оставляют в воде очень мало информации о том, какие кораллы в каких районах подвергаются большему ущербу. Николс и Марко обнаружили, что их результаты эДНК сильно коррелируют с результатами визуальных исследований, проведенных водолазами СКУБА в тех же районах.
Проблемы эДНК
По-прежнему остается много вопросов в отношении данных, получаемых в результате использования ДНК, относящейся к окружающей среде. Одна из проблем такого рода исследований эДНК заключается в том, что вода постоянно течет, что затрудняет понимание того, откуда на самом деле взята ДНК в конкретном образце.
Еще одна проблема заключается в том, что биомасса каждой группы организмов на данном участке должна быть теоретически представлена в пропорции их эДНК, найденной в пробе воды с этого участка. Это, однако, предполагает, что все эти организмы сбрасывают свою ДНК примерно с одинаковой скоростью, что не обязательно так. Различные виды будут сбрасывать слизь с разной скоростью, некоторые рыбы испражняются больше, чем другие, и обилие репродуктивного материала в воде будет меняться сезонно.
Некоторые организмы и окружающая среда лучше подходят для использования эДНК для проведения демографических обследований, чем другие. Площадь поверхности коралловых видов, например, является хорошим показателем для их фактической биомассы, и разумно предположить, что все коралловые виды сбрасываются с одинаковыми темпами, что делает коралловые виды хорошим объектом изучения для изучения эДНК. И поскольку коралл является такой жизненно важной частью рифовых экосистем, коралловый покров является важным маркером общего здоровья рифов, что делает его важным организмом для изучения.
Из-за повышения температуры воды в результате глобального потепления, наряду с прямым воздействием человека, таким как загрязнение окружающей среды, коралловый покров во всем мире быстро деградирует. За последние пять лет произошло массовое обесцвечивание кораллов из-за повышения температуры океана. По данным ЮНЕСКО, кораллы находятся во всех 29 объектах всемирного наследия если выбросы парниковых газов будут продолжаться такими же темпами, как сейчас, то к концу этого столетия они могут прекратиться. Рифы поддерживают более 4000 видов рыб во всем мире и обеспечивают продовольствие, защиту береговой линии и доходы для миллионов людей во всем мире, поэтому важно иметь возможность отслеживать и исследовать деградацию рифов, что анализ эДНК может сделать более легким и доступным для выполнения.
Прогнозы
Результаты исследования позволяют предположить, что другие места могли бы контролировать коралловый покров и биомассу с помощью быстрых съемок с использованием относительно небольших объемов морской воды и что новый метод мог бы помочь с существующими усилиями по мониторингу, особенно там, где визуальные обследования дайверов сложны с логистической точки зрения логистики.
Николс сообщил, что планирует продолжить мониторинг кораллов с целью создания долгосрочного крупномасштабного набора данных, в том числе по районам до и после обесцвечивания. Он добавил, что хотел бы также обратить внимание на глубоководные рифы, расположенные на глубине около 60-200 метров, которые достаточно мелководны, чтобы не нуждаться в подводных аппаратах, но слишком глубоки для любительского дайвинга. По его словам, эта область недостаточно изучена, поэтому он хотел бы использовать эДНК для восполнения этого пробела в знаниях.