ДНК на старых воздушных фильтрах раскрывает скрытое прошлое экосистем
ДНК, захваченная воздушными фильтрами и хранившаяся с 1960-х годов, действует как экологическая капсула времени, согласно недавней публикации в Nature Communications. Исследование показывает, что крошечные фрагменты генетического материала могут дать детальную картину жизни в ландшафте. Они также выявили явное снижение биоразнообразия за три десятилетия.
Все организмы выделяют в окружающую среду фрагменты клеток с ДНК. Исследователи провели самый масштабный и детальный на сегодня анализ воздушной ДНК, используя фильтры, изначально предназначенные для мониторинга радиоактивных осадков.
Воздушные фильтры для мониторинга есть на сотнях станций по всему миру. Эти конкретные фильтры происходят со станции за пределами Кируны на севере Швеции и с 1960-х годов хранились в архиве в подвале Шведского агентства оборонных исследований (FOI). Узнав об архиве около десяти лет назад, исследователь Пер Стенберг и его коллега Матс Форсман осознали его ценность.
Показывает экосистемы неделя за неделей
Неделя за неделей фильтры собирали ДНК всех живых существ: растений, грибов, насекомых, микробов, птиц, рыб и даже крупных млекопитающих, таких как лоси и северные олени. Секвенируя ДНК, исследовательская группа смогла еженедельно идентифицировать присутствие 2700 групп организмов в радиусе нескольких миль от станции и отслеживать изменение их численности в течение 34 лет.
«Нам повезло, что фильтры сохранились — и что они были сделаны из материала, сохраняющего ДНК. Архив оказался машиной времени, позволившей нам вернуться в прошлое и наблюдать за изменениями экосистемы почти в реальном времени», — говорит Стенберг, ведущий автор исследования, проведенного учеными из Университета Умео, Шведского университета сельскохозяйственных наук и Шведского агентства оборонных исследований.
Анализ долгосрочных тенденций показал четкое снижение биоразнообразия в этом районе с 1970-х до начала 2000-х годов. Примеры сокращающихся организмов включают березу вместе с лишайниками и грибами, ассоциированными с древесиной. Общее снижение нельзя объяснить изменениями климата; оно, по-видимому, связано с деятельностью человека, такой как лесопользование.
Совершенно новый метод для воздушной ДНК
Анализы воздушной ДНК проводились и раньше, но это совершенно новый и гораздо более комплексный подход, охватывающий несколько десятилетий. Команда использовала масштабное секвенирование ДНК, машинное обучение для идентификации организмов и моделирование воздушных потоков для отслеживания источников ДНК. Сравнения с традиционными полевыми исследованиями показывают, что метод надежен как для идентификации организмов, так и для обнаружения изменений в их численности.
«Эта работа — результат девяти лет интенсивных исследований и разработок. Я с нетерпением жду возможности применить эти данные, вместе с продолжающимся секвенированием дополнительных фильтров, для решения широкого круга вопросов», — говорит соавтор исследования Даниэль Свенссон.
Исследование показывает, что существующие сети станций с воздушными фильтрами можно использовать для мониторинга тенденций биоразнообразия и реконструкции экосистем в местах, где отсутствуют исходные данные. Это важно для прогнозирования будущих изменений и адаптации стратегий управления и восстановления.
«Метод также может обнаруживать и отслеживать генетические вариации, а также присутствие инвазивных видов и патогенов», — говорит Стенберг.