חשוב לנטר מגוון ביולוגי

לבני אדם יש השפעה הולכת וגוברת על המגוון הביולוגי הגלובלי, מה שאומר שהפעולות שלנו מפחיתות את הכמות הכוללת של מינים שונים שנמצאים בכדור הארץ. הרבה מינים נדחפים לעבר הכחדה לפני שאנו אפילו יודעים עליהם משהו, או מבינים את התפקידים שהם מבצעים בסביבה. אובדן של מינים מרכזיים, או הגעה של מינים פולשים, יכולים לשנות את המערכת האקולוגית לעד [2 ,1]. מהסיבה הזו, מחקרים במגוון ביולוגי הולכים ונעשים חשובים, כך שנוכל להבין כיצד מערכות אקולוגיות שונות משתנות.

באופן מסורתי, מדענים ניטרו מערכות אקולוגיות על-ידי חקירה פיזית של אותם מקומות, זיהוי המינים שחיים שם בהתבסס על המראה של האורגניזמים וספירת האורגניזמים [3]. סוג הניטור המסורתי הזה דורש את הידע המקצועי של מדענים שנקראים טקסוֹנוֹמים, אשר מתמחים בזיהוי מינים על-ידי בחינה קרובה שלהם. לרוע המזל, מספר המדענים בעלי המומחיות הזו יורד, במיוחד אלה שיכולים לזהות מינים נדירים, מה שאומר שמחקרים של מגוון ביולוגי לעיתים אינם מספיק עמוקים או נרחבים כפי שהיינו רוצים.

מאז שהטכנולוגיה השתפרה, מדענים מצאו דרך נוספת לזיהוי מינים שנמצאים במערכות אקולוגיות – דנ“א. דנ”א מכיל באופן בסיסי את התוכנית של כל אורגניזם חי, וקובע כיצד האורגניזם ייראה ויתפקד. דנ“א מורכב משני סלילים שמכילים שילוב של ארבעה כימיקלים שנקראים בסיסים (אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C) ותימין (T)), אשר מחוברים למבנה סלילי מפותל. חלקים מרצף הדנ”א משמשים כ“ברקודים”, אשר יכולים לסייע בזיהוי מינים שונים. משמעות הדבר היא שבאמצעות התבוננות בחלקים מסוימים מהדנ“א של האורגניזם, מדענים יכולים לזהות את האורגניזם.

מהו דנ”א סביבתי?

במשך 30 השנים האחרונות, מדענים התחילו להשתמש בברקודים של דנ“א כדי לחקור אלה מינים נמצאים בסביבות שונות. חומרים שנמצאים בסביבה כמו למשל מים, אדמה, רוק, או הפרשות (צואה), יכולים להכיל דנ”א ממינים שחיים שם. הדנ“א הזה יכול להגיע מהשיער, מהקשקשים, מהעור, מהרוק, או ממוצרי הפסולת של אורגניזמים באותה הסביבה. דנ”א שנאסף מהסביבה נקרא דנ“א סביבתי. ניתוח של דנ”א סביבתי משנה במהירות את האופן שבו מדענים חוקרים מערכות אקולוגיות ומגוון ביולוגי [4].

כיצד אפשר להשתמש בדנ“א סביבתי לזיהוי אורגניזמים בחברה?

חברה מורכבת מהרבה מינים שונים. כדי לזהות את המינים שמרכיבים חברה במערכת אקולוגית מסוימת, דגימות נלקחות מהסביבה ומנותחות למציאת דנ”א סביבתי. חלקים קצרים מסוימים מהדנ”א הסביבתי מוכפלים באמצעות תהליך שנקרא תגובת שרשרת של פולימראז (PCR), כך שיש מספיק מהם בשביל המחקר. PCR מייצרת אלפי עותקים של רצפי הדנ”א האלה מכל המינים בדגימה. מאחר שלכל מין יש קוד מסוים שמורכב מארבעת הבסיסים ,(A, C, G, T) הרצפים הקצרים האלה יכולים לשמש כמזהים עבור מינים שונים – כמו ברקוד שמזהה פריט בחנות. מכונות של ריצוף דנ“א יכולות לקרוא את סדר הבסיסים בדנ”א. ברגע שרצפי הברקוד ידועים, אפשר להתאים אותם לרצפים בבסיס הנתונים של מינים ידועים. באופן הזה, ניתן לזהות אורגניזמים שנמצאים במערכת האקולוגית (איור 1).

מהם היתרונות של שימוש בדנ“א סביבתי לזיהוי מינים?

שיטות מבוססות דנ”א יצרו מהפכה במחקר של מינים שקשה לראות ולזהות אותם באמצעות שיטות מסורתיות [5]. לדוגמה, מרבית מיני החיידקים נראים אותו הדבר – כמו מקלות או כדורים – מה שגורם לזיהוי שלהם על פי מראה להיות כמעט בלתי אפשרי. אולם מדענים יכולים להבחין בין החיידקים האלה באמצעות דנ“א סביבתי. למעשה, מדענים אפילו לא הבינו כמה מיני חיידקים מגוונים יש, עד שמחקרי דנ”א סביבתי נעשו שכיחים. זיהוי מינים כשהם צעירים קשה יותר לעיתים קרובות מאשר התבוננות על השלב הבוגר – חשבו על צפרדעים ועל ראשנים. צפרדעים של מינים שונים יכולות להיראות שונה מאוד, אולם לעיתים קרובות הראשנים שהן מתפתחות מהם נראים דומה מאוד. היכולת לקבוע לאלה מינים החיות הצעירות שייכות חשובה מאוד להבנת סביבות המחיה שהמינים תלויים בהן בשלבי התפתחותם השונים. הידע הזה יכול לסייע למדענים לקבל את ההחלטות הנכונות כדי להגן על סביבות המחיה של המינים, ולשמר את המגוון הביולוגי. ישנן סיבות אחרות לכך שלעיתים קרובות קשה לאתר מינים בסביבה. מינים רבים טובים בלהתחבא. חלק יכולים לשנות את המראה שלהם בתנאי סביבה שונים, או שהם יכולים לחיות בסביבות מחיה שבהן קשה לראות אותם. לדוגמה, חסרי חוליות רבים מסתתרים בשוניות אלמוגים, והרבה מינים חיים במעמקים החשוכים של האוקיינוס או של אגמים. בסיועו של דנ“א סביבתי, מתגלה המגוון שנוכח בהרבה מהמערכות האקולוגיות בעולם.

ביולוגיה משמרת היא תחום אחד שבו דנ”א סביבתי נמצא בשימוש. ביולוגיה משמרת היא ההגנה והשימור של מינים ושל סביבות המחיה שלהם. בתחום הזה, דנ“א סביבתי יכול לסייע גם באיתור מינים נדירים, וגם בזיהוי של מינים פולשים שונים. ניטור מסורתי שמטרתו לאתר מינים נדירים צורך זמן רב, ולעיתים קרובות דורש עבודה במקומות מרוחקים בעולם, כך שדנ”א סביבתי מספק יתרון על פניו. אחת הדוגמאות המעניינות לשימוש בדנ“א סביבתי מגיעה מחֵקֶר חולייתנים נדירים. מציאת החיות הנדירות האלה היא קשה, אולם דנ”א סביבתי יכול להילקח מתכולת בטן של פרזיטים כמו עלוקות ויתושים, אשר ניזונים מחיות נדירות, וקל יותר למצוא אותם. דנ”א סביבתי יכול להגיד למדענים מאילו מינים הפרזיטים ניזונים, מה שיכול להעיד אם מין נדיר נמצא באזור. דנ”א סביבתי יכול גם לשמש כמערכת להתרעה מוקדמת לזיהוי מינים פולשים, בזמן שהם מתפשטים בסביבות חדשות. מאחר שדנ“א סביבתי יכול לאתר מינים, אפילו אם ישנם מעט פרטים בסביבה, הוא יכול לסייע לנו להגיב מהר לאיום של מינים פולשים. משמעות הדבר היא שישנו סיכוי גדול יותר לעצור את ההתפשטות של מינים פולשים לפני שהם נעשים מבוססים, ועלולים להזיק למינים המקומיים.

לעיתים קרובות זיהוי אורגניזמים באמצעות דנ”א סביבתי הוא פחות יקר מזיהוי שלהם באמצעות שיטות מסורתיות [6], ואפשר לעבד דגימות דנ“א סביבתי מהר יותר. משמעות הדבר היא שיותר דגימות יכולות להילקח מטווח גדול יותר של מקומות וזמנים, מה שמאפשר לערוך מחקרי עומק ולהבין טוב יותר את המינים שנמצאים במערכת אקולוגית (איור 2).

האם יש בעיות בשימוש בדנ”א סביבתי?

שימוש בדנ“א סביבתי למציאת מינים סייע לנו לקבל תמונה ברורה יותר של היצורים שחיים בכדור הארץ, כמה מינים שונים חיים יחד, וכיצד חברות של אורגניזמים משתנות עם הזמן. אולם לשיטה הזו עדיין יש שלוש מגבלות עיקריות.

המגבלה הראשונה של שימוש בדנ”א סביבתי לזיהוי מינים היא שבמהלך תגובת PCR, או תהליך ריצוף הדנ“א, לעיתים מתרחשות טעויות אשר מונעות מריצוף הדנ”א להיות מועתק או להיקרא באופן תקין. הטעויות האלה יכולות להוביל לזיהוי שגוי של מינים. לדוגמה, ייתכן שמינים שנמצאים בסביבה לא יזוהו (זיהוי שלילי שגוי), או שמינים שאינם נמצאים בסביבה יזוהו (זיהוי חיובי שגוי).

נוסף על כך שיטות מסורתיות להערכת מגוון ביולוגי בדרך כלל מערבות ספירה של כמה אורגניזמים נמצאים באותה הדגימה, כמו גם זיהוי של המינים שנמצאים. דנ“א סביבתי מסייע למדענים לדעת את מספר המינים השונים שנמצאים בחברה. אולם הוא לא אומר להם כמה פרטים חברים מאותו המין נמצאים במערכת האקולוגית הזו, באופן שספירה מסורתית הייתה עושה. אפילו אם יש יותר דנ”א ממין מסוים, זה לא בהכרח אומר שישנם יותר חברים מאותו המין. לכן, אי אפשר לסמוך על דנ“א סביבתי במתן הערכה מדויקת למספר האורגניזמים בחברה.

מגבלה פוטנציאלית אחרונה של שימוש בדנ”א סביבתי היא שהוא עשוי לגרום למינים להיות מזוהים לא נכון. כדי לזהות נכון מין לא ידוע באמצעות ריצוף דנ“א, הרצף מושווה לבסיס נתונים עצום שמכיל ברקודים של אורגניזמים ידועים. זה מבוצע על בסיס דמיון – אם הרצף החדש מתאים בדיוק לרצף מוכר, אומרים שהוא שייך לאותו המין. לרוע המזל, בסיסי הנתונים האלה אינם שלמים מאחר שלא כל המינים הידועים רוצפו עדיין, ולכן חלק מהרצפים שמגיעים מדנ”א סביבתי לא יכולים להיות מותאמים בדיוק לרצף ידוע. אם הרצפים לא בדיוק תואמים לאורגניזם בבסיס הנתונים, הם משויכים לרצף הכי דומה שנמצא בבסיס הנתונים, מה שלפעמים יכול להיות אורגניזם די שונה!

עתיד הדנ“א הסביבתי

דנ”א סביבתי סייע לחשוף מגוון ביולוגי עצום שקיים בכדור הארץ. ממחקרים של דנ“א סביבתי, מספר האורגניזמים הידועים שחולקים איתנו את כדור הארץ שלנו עלה באופן משמעותי! שיטות דנ”א סביבתי הן התקדמות מדהימה באיתור מינים, אך עדיין ישנם כמה אתגרים שמדענים צריכים לפתור. אולם, התחום הזה מתקדם במהירות, והשיטות האלה ייעשו אפילו יותר חזקות וחשובות בעתיד. עד כה, דנ“א סביבתי סיפק לנו תמונה טובה יותר של המינים שחיים על כדור הארץ, ועל התפקידים שהם מבצעים במערכת האקולוגית שלהם, מה שאומר שיש לנו מושג טוב יותר על האופן שבו נוכל להגן ולשמור על העולם שסביבנו.

מילון מונחים

מגוון ביולוגי (Biodiversity): ↑ המגוון והשוֹנוּת של אורגניזמים חיים.

מינים פולשים (Invasive Species): ↑ מינים שלא נמצאים בדרך כלל בסביבה, שיש להם יכולת להתפשט במהירות ולהשתלט על מינים שנמצאים בסביבה באופן טבעי.

בסיסים (Bases): ↑ מולקולות ביולוגיות שיוצרות את מבנה הסליל הכפול של הדנ”א. ארבע מולקולות משמשות ליצירת דנ“א: אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C) ותימין (T).

דנ”א סביבתי (eDNA - Environmental DNA): ↑ שאריות של דנ“א שמשוחרר על-ידי אורגניזמים לסביבה. הדנ”א הזה יכול להגיע מקשקשים, משיער, מעור, מרוק, או ממוצרי פסולת.

תגובת שרשרת של פולימראז (PCR - Polymerase Chain Reaction): ↑ שיטה שבה ניתן ליצור הרבה עותקים מפיסת דנ“א, כך שאפשר יהיה לרצף ולנתח אותו.

ריצוף דנ”א (DNA Sequencing): ↑ תהליך מציאת רצף הבסיסים לאורך סליל דנ“א.

ביולוגיה משמרת (Conservation Biology): ↑ הגנה ושימור של מינים וסביבות המחיה שלהם.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

המחברים מודים על תמיכתו של המשרד הניו-זילנדי לעסקים, חדשנות ומחקר יישומי, במסגרת תוכנית בריאות האגמים שלנו; עבר, הווה והעתיד (C05X1707), וארגז כלים למציאה והתאפשרות של מערכת ההגנה הביולוגית הימית בניו-זילנד (CAWX1904), כמו גם למלגת הדוקטורט באוניברסיטת אוטגו שמוחזקת על-ידי LS. אנו מודים לסוקרים, למנטור המדעי ולעורך עבור ההערות הבונות ויקרות הערך שלהם. לבסוף, אנו רוצים גם להודות לסוזן דבאד על הנגשת כתב היד שלנו לקהל הצעיר.