Mit ein paar Tassen Wasser nutzen Wissenschaftler eDNA, um zurückgezogen lebende, seltene Lebewesen zu untersuchen

Nov 11, 2023

Einige Lebewesen im Meer leben zurückgezogen und verstecken sich vor menschlichen Sonden und Schleppnetzen. Andere Lebewesen sind selten und aufgrund der Erwärmung und zunehmend sauren Gewässer vom Aussterben bedroht.

Die Erforschung seltener und zurückgezogen lebender Lebewesen stellte Wissenschaftler in der Vergangenheit vor Probleme. In den letzten Jahren hat die Umwelt-DNA, kurz eDNA, geholfen. Um eDNA zu isolieren, schöpfen Wissenschaftler Wasser aus dem Ozean.

„Sie fangen Dinge ein, die vom Fisch fallen: Schuppen, Schleim oder Kot, und Sie erhalten winzig kleine Fragmente, einzelne Zellen und so weiter. Dann versuchen Sie, diese Zellen in einer riesigen Flasche Wasser zu finden.“ „, sagte Andrew Shelton, Forschungsökologe bei der National Oceanic and Atmospheric Administration.

Auf einer zweiwöchigen Reise im Mai dieses Jahres nahmen Wissenschaftler an Bord des NOAA-Forschungsschiffs Bell M. Shimada während einer Untersuchung des Ökosystems Northern California Current Proben.

„Eine Person wird eDNA-Wasserproben sammeln und zu dieser Station kommen“, sagte Jennifer Fisher, Co-Chefwissenschaftlerin auf der Shimada, während sie anderen zeigte, wie man die eDNA-Filterausrüstung verwendet.

Nachdem sie verschiedene Meerestiefen beprobt hatten, ließen die Wissenschaftler Wasser durch Filter in der Größe eines Silberdollars laufen, die wie winzige Kaffeefilter aussahen.

Das Summen der Pumpen übertönte andere Geräusche im Nasslabor des Schiffes, wo Wissenschaftler einen Großteil ihrer fast zwei Wochen an Bord des Schiffes verbrachten und Daten sammelten, die dabei helfen könnten, mehr Licht auf das winzige Plankton und andere Meereslebewesen zu werfen, die den Lachsen als Nahrung dienen .

Der Filtervorgang war manchmal mühsam und zeitaufwändig, abhängig von der Menge an Schmutz im Wasser. Pumpen pumpten das Wasser durch mit Aluminiumfolie bedeckte Glasbecher. Anschließend floss das überschüssige Wasser durch Rohre in eine größere Flasche.

Wissenschaftler entfernten vorsichtig die Filter, von denen sie hofften, dass sie voller eDNA waren. Mit einer Pinzette steckten die Wissenschaftler die Filter in Plastikröhrchen, um sie in einem Labor an Land zu analysieren.

Im letzten Jahrzehnt hat die eDNA-Technologie es Naturschutzwissenschaftlern auch ermöglicht, herauszufinden, ob seltene und gefährdete Arten in bestimmten Umgebungen vorkommen. In jüngerer Zeit nutzen Fischereimanager eDNA als Werkzeug, um mehr über Fischbestände in weiten Räumen wie dem Ozean zu erfahren.

Etwa 65 der eDNA-Proben, die Wissenschaftler auf der Shimada gesammelt hatten, gingen an Nick Adams, einen Forschungsozeanographen bei der NOAA in Seattle. Später in der Saison sammelten Vermessungsexpeditionen auch Proben, die Adams analysieren konnte.

Adams hoffte, die Vielfalt des Phytoplanktons in den auf der Shimada gesammelten Wasserproben bestimmen zu können. Phytoplankton ist das erste Glied im ozeanischen Nahrungsnetz. Phytoplankton ernährt andere Organismen, die Lachse fressen.

„Wenn wir unsere ausgefallene Analyse durchführen, können wir sagen: ‚Oh, dieses Stück DNA gehört zu diesem Organismus, dieses gehört zu diesem Organismus‘“, sagte Adams.

Anschließend wird er mit anderen Wissenschaftlern und Daten aus der Shimada-Umfrage zusammenarbeiten, um Informationen zu vergleichen und ein umfassenderes Bild davon zu erhalten, was im Ozean vor sich ging, wo die Proben gesammelt wurden.

Ungefähr drei Monate nach der Reise der Shimada vom 6. bis 17. Mai wartete Adams auf die Analyse der eDNA-Proben. Wissenschaftler hatten bei jedem Stopp des Schiffes Proben für Adams gesammelt.

Adams lagerte diese Proben in einem Gefrierschrank bei -80 Grad Celsius bzw. -112 Grad Fahrenheit.

Um die Proben vorzubereiten, steckte er die Filter in ein Röhrchen mit winzigen Glaskügelchen und einem DNA-Extraktionspuffer. Dann schüttelte eine Perlenrührmaschine die Proben.

„Es schlägt ihnen einfach den Rotz aus dem Leib“, sagte Adams. „Nur um all die kleinen Partikel und vor allem Plankton zu bekommen, nach denen ich suche. Einige Phytoplanktonarten haben diese Silica-Schalen, und sie lassen sich nur schwer aufbrechen.“

Deshalb ist die Perlenschlagmaschine praktisch. Anschließend lagerte Adams die Proben über Nacht und inkubierte sie bei etwa 132 Grad Fahrenheit.

Am nächsten Morgen drehte Adams die Probenröhrchen und entfernte den DNA-Extraktionspuffer.

„DNA bleibt bei hohen Salzkonzentrationen am Glas haften. Die DNA bleibt also an den Glasröhrchen haften. Man wäscht alle schädlichen Stoffe weg und verwendet dann Wasser oder einen anderen Puffer, um die DNA vom Glas zu lösen. Und dann haben Sie es getan.“ gereinigte DNA“, sagte Adams.

Die gereinigte DNA wird dann in einem Prozess namens DNA-Sequenzierung untersucht.

Ein Hochleistungscomputer kann die DNA-Sequenzen mit Datenbanken bekannter Phytoplankton-DNA-Sequenzen vergleichen, was Adams hoffentlich Informationen über die Vielfalt der Plankton-DNA in den auf der Shimada gesammelten Proben liefern wird. Die Wissenschaftler hoffen, dass die Informationen Aufschluss darüber geben könnten, ob es im Meer gutes Futter für Lachse gibt.

Shelton sagte, dass eDNA viel versprechend für die Wissenschaft im Hinblick auf Naturschutz und Fischereimanagement sei. Es gebe jedoch noch viel Raum für das Wachstum von eDNA, sagte er.

„Es ist sehr hip“, sagte Shelton. „Im Moment ist so etwas wie ein Neuling auf dem Block. Immer wenn ein Neuling auf dem Block ist, bekommt der Neue viel Aufmerksamkeit und viel Geld.“

Die Wissenschaft der eDNA steckt noch in den Kinderschuhen, aber sie wird in den kommenden Jahren noch relevanter werden, sagte Shelton, und dazu beitragen, andere Arten von Fischuntersuchungen, wie zum Beispiel die Schleppnetzfischerei, zu ergänzen.

In der Fischerei gibt es diese anderen Arten von Erhebungen schon seit Jahrzehnten. Jetzt, da Wissenschaftler eDNA-Daten sammeln und sicher speichern, werden diese Informationen den Wissenschaftlern weiterhin eine Vorstellung von der Fischkonzentration im Ozean geben, sagte Shelton.

„In fünf Jahren werden die Daten sehr nützlich sein. In zehn Jahren werden sie sehr nützlich sein. In 20 Jahren werden sie sehr, sehr nützlich sein“, sagte Shelton.

Kürzlich wollte Shelton herausfinden, ob eDNA das Fischereimanagement in großem Maßstab verbessern könnte. Zuvor wurde eDNA hauptsächlich von Naturschützern genutzt.

Shelton nutzte eDNA, um den Nordkalifornienstrom auf Seehecht zu untersuchen, die größte kommerzielle Fischerei vor der Westküste. Die Daten der eDNA zeigten ähnliche Ergebnisse wie traditionellere akustische und Schleppnetzuntersuchungen.

Aber der Ozean ist riesig. Gutachter könnten nur wenige Meter von eDNA-Proben entfernt sein, aber die Strömungen könnten die eDNA in die entgegengesetzte Richtung treiben. Eine Möglichkeit, das zu verhindern, bestehe laut Shelton darin, eine Menge Proben zu nehmen.

Wissenschaftler können aus einer einzigen Probe kein Datenuniversum ableiten, sagte Shelton.

Stellen Sie sich das ähnlich vor, als würden Sie im Green Lake in Seattle nach Fischen suchen, sagte er.

„Du gehst nicht raus und steckst deinen Tauchkescher rein und sagst: ‚Keine Fische in meinem Tauchkescher. Es muss null Fische in Green Lake geben‘“, sagte Shelton. „Sie würden rund um den See Proben nehmen, im seichten Wasser und im tiefen Wasser. Sie würden eine systematische und sorgfältige Suche durchführen.“

Überall im Bundesstaat Pullman hat Meghan Parsley eDNA-Proben für ihre Doktorarbeit gesammelt. Ein Teil davon besteht darin, die Menge an eDNA zu verwenden, um die Populationsgröße von Waldfroschkaulquappen in Connecticut abzuschätzen.

„Hier geschieht die Magie“, sagte Parsley, als er ein karges, sauberes Labor an der Washington State University betrat.

Es ist schwierig und erfordert viel Bleichmittel, unerwünschte DNA aus dem Labor fernzuhalten. „Ich habe viele mit Bleichmittel befleckte Kleidung“, sagte Parsley.

All diese Bleichmittel tragen dazu bei, dass sich verirrte DNA von nahezu überall nicht mit der Kaulquappen-eDNA vermischt, die sie verarbeiten möchte.

„Ich verbinde es gerne mit Backen, oder? Es gibt ein Rezept und eine Anleitung. Man muss es ziemlich genau befolgen, aber es ist eigentlich nur eine Reihe chemischer Reaktionen, bei denen man die Zellen irgendwie aufbricht, um Zugang zur DNA zu erhalten.“ „, sagte Petersilie.

Das Goldberg-Labor an der Washington State University, wo Parsley Labormitglied ist, konzentriert sich oft auf seltene Arten mit geringen Populationen.

„Ich denke, eDNA verändert wirklich die Art und Weise, wie Menschen über die Überwachung und das Finden von Dingen denken“, sagte sie.

Tatsächlich arbeitet sie daran, die Grenzen noch weiter auszureizen, indem sie eRNA untersucht. Wenn DNA der Bauplan eines Körpers sei, setze die RNA diesen Bauplan in die Tat um, sagte sie.

Während Parsley sagte, dass eRNA heikler sei als eDNA, sagte sie, sie wolle eRNA verwenden, um das Alter verschiedener Ochsenfrösche und Tigersalamander zu bestimmen. Ein Nachteil von eDNA besteht derzeit darin, dass sie dabei helfen kann, die Menge von etwas zu messen, anstatt Wissenschaftlern dabei zu helfen, mehr über das Alter zu erfahren, sagte Parsley, von dem sie glaubt, dass eRNA es messen kann.

Ein weiterer potenzieller zukünftiger Forschungsbereich, den Wissenschaftler untersuchen möchten, könnte eRNA nutzen, um den Stresspegel einer bestimmten Art zu messen, sagte Parsley.

Um das Alter mit eRNA zu bestimmen, versucht sie, Kaulquappen in einer Population erwachsener Ochsenfrösche zu entdecken, die im Westen invasiv sind.

Diese Art von Informationen könnte Landverwaltern helfen, die möglicherweise Tage oder Wochen damit verbringen, einen Ochsenfrosch zu finden, den sie in der Ferne gehört haben. Manchmal sind diese Frösche nur auf der Durchreise, sagte Parsley, manchmal vermehren sich die Frösche in einem nahegelegenen Teich.

Wenn Landverwalter eine Wasserprobe einreichen würden, anhand derer Wissenschaftler feststellen könnten, ob Ochsenfroschkaulquappen vorhanden seien, könne dies viel Zeit und Mühe sparen, sagte Parsley.

„Wir versuchen herauszufinden, ob sich ein Frosch fortpflanzt, ohne viel Zeit damit verbringen zu müssen, diesen einen Frosch zu verfolgen, den jemand gehört hat“, sagte Parsley.

Während eDNA oder eRNA nicht jedes Rätsel in der Naturschutzwissenschaft lösen werden, könnten sie ein weiteres Werkzeug sein, um Landverwaltern in der Zukunft zu helfen, sagte sie.

„Warum nutzen wir nicht eDNA, sparen unsere Arbeitskräfte und viele Stunden und können die Liebe auf andere Projekte und andere Arten übertragen“, sagte Parsley.

Darüber hinaus sagte Shelton, dass eDNA die Wissenschaft gerechter machen könnte. Wissenschaftler brauchen keine Flotte von Schiffen, um tage- oder wochenlang auf dem Meer zu bleiben. Die Technologie könnte Studien für Wildtiere in Teilen der Welt ermöglichen, die nicht so viel Zugang zu Forschungsgeldern haben, sagte Shelton.

„Es besteht die Möglichkeit, viele dieser Informationen zu verbreiten und an Orten zu nutzen, die nicht so gut entwickelt sind“, sagte Shelton.