How we can detect pretty much anything - Hélène Morlon and Anna Papadopoulou

Переводчик: Rostislav Golod Редактор: Anna Kotova

For years, scientists have been staking out this remote forest in Montana

Многие годы в далёких лесах Монтаны учёные

for an animal that’s notoriously tricky to find.

пытались выследить зверя, знаменитого тем, что обнаружить его непросто.

Camera traps haven’t offered definitive evidence,

Камеры-ловушки не запечатлили каких-либо внятных подтверждений,

and even experts can't identify its tracks with certainty.

и даже эксперты не могут с уверенностью идентифицировать следы.

But within the past decades,

Но за последние несколько лет

researchers have developed methods that can detect even the most elusive species.

учёные разработали методы, позволяющие обнаружить даже самых неуловимых животных.

And so, in 2018, these scientists took a sample from some conspicuous snow tracks.

И в 2018 году биологи взяли пробу с отчётливых следов на снегу.

Lab tests showed conclusive results:

Их сомнения развеялись в лаборатории —

the Canada lynx was indeed present in the area.

в этой местности действительно водится канадская рысь.

Without seeing the cat, scientists had proof it was there

Даже не повстречавшись с дикой кошкой,

because of environmental DNA or eDNA.

учёные определили это при помощи ДНК, полученной из окружающей среды.

Using a technique called DNA metabarcoding,

При помощи технологии, которая называется метабаркодирование ДНК,

researchers can take a sample from the environment

учёным достаточно взять пробы на местности,

and learn which organisms are in it or have recently passed through it.

чтобы узнать, какие организмы в ней живут либо недавно через неё мигрировали.

The world is covered in DNA.

ДНК можно найти повсюду в мире.

It’s all around us—

Она вокруг нас —

on the ground, at the bottom of the ocean, and up in the clouds.

на земле, на дне океана и высоко в облаках.

Multicellular organisms are constantly shedding cells.

Многоклеточные организмы постоянно сбрасывают клетки.

But until recently, eDNA wasn’t very useful to us.

Но до недавнего времени от ДНК из окружающей среды

не было никакой пользы.

Traditional scientific techniques couldn’t parse environmental samples

При помощи традиционных технологий учёные не могли анализировать пробы,

containing mixed genetic material from multiple species.

в которых содержался генетический материал различных видов.

But DNA metabarcoding can.

Но это стало возможным благодаря метабаркодингу ДНК.

DNA begins to degrade once it’s exposed to the environment.

Попадая во внешнюю среду, ДНК начинает разрушаться.

In the ocean, for example, it may only persist for a few days.

В солёной воде, например, ДНК сохраняется лишь несколько дней.

So in many contexts, eDNA is useful for telling us about the recent past.

Поэтому во многих случаях ДНК может рассказать нам о недавнем прошлом.

The process of DNA metabarcoding starts with an environmental sample

Процесс метабаркодинга ДНК начинается со взятия проб:

like a core of soil, a vial of water, some feces, an insect trap,

это может быть что угодно: образец почвы, пробирка с водой, экскременты,

ловушка для насекомых и даже кровь из желудка пиявок.

or even the blood from leeches’ stomachs.

Researchers then sift out everything aside from DNA by blending the sample up

Затем из содержимого извлекают образцы ДНК:

and using enzymes that break down cellular proteins and release DNA,

при помощи специальных ферментов, разрушающих клеточные белки

which they purify.

и оставляющие лишь ДНК.

The result is a “soup” of all the DNA in the sample.

В результате получается «суп» из всех образцов ДНК в пробе.

Scientists then apply the polymerase chain reaction or PCR,

Учёные затем проводят полимеразную цепную реакцию, или ПЦР,

which uses artificial DNA strands called universal primers.

с использованием искусственных фрагментов ДНК

под названием универсальные праймеры.

These primers bind to DNA sequences that are similar across species,

Эти праймеры связывают схожие у различных видов последовательности ДНК,

then amplify genetic barcodes that are species-specific.

выделяя специфические для вида генетические коды.

High-throughput sequencing then reads millions of these DNA fragments,

При помощи высокопроизводительного секвенирования затем одновременно

анализируются миллионы фрагментов ДНК.

simultaneously.

And finally, researchers compare them to reference databases

И наконец учёные сравнивают их со справочными базами данных

and identify how many and which species are present—

и выясняют, сколько и какие виды присутствуют в пробе —

or if they’ve found entirely new ones.

а также не попали ли в неё ранее не изученные виды.

This method has led to the discovery of tens of thousands of species

Благодаря этому методу за последние десять лет

удалось открыть десятки тысяч видов.

over the past decade.

While metabarcoding can detect elusive animals like the Canada lynx,

Помимо того, что метабаркодинг позволяет обнаружить не только редких животных,

таких как канадская рысь,

it can also help scientists identify invasive species.

благодаря ему учёные могут вычислить и инвазивные виды.

In Yosemite, researchers used eDNA to track and remove invasive bullfrogs.

При помощи проб ДНК в национальном парке Йосемите удалось выследить и выловить

инвазивный вид бычьих лягушек.

Once no trace of these amphibians remained,

Когда следов вредных амфибий больше не обнаружили,

they reintroduced a threatened native species, California red-legged frogs,

в естественную среду обитания возвратили калифорнийских красноногих лягушек,

which had disappeared from the area some 50 years prior.

которые исчезли в тех местах около 50 лет назад.

Likewise, DNA metabarcoding can be used to monitor biodiversity.

Ещё метабаркодинг ДНК можно использовать для мониторинга биоразнообразия.

For example, using traditional approaches,

Например, если действовать по старинке, на каталогизацию всех насекомых,

categorizing all of the insects in a hectare of rainforest can take decades.

найденных на гектаре джунглей, уйдёт много лет.

Но если взять ДНК из ловушек для насекомых,

But DNA from insect traps could yield these results in just a few months.

то аналогичные результаты можно получить за пару месяцев.

One study compared insects from adjacent forest and plantation sites

В одном исследовании в китайской провинции Юньнань

сравнивали насекомых, выловленных на плантациях,

within China’s Yunnan province.

с образцами из лесов неподалёку.

It quickly found that not only were plantations less diverse,

Очень быстро удалось обнаружить, что фауна плантаций не только менее разнообразна,

but deforestation affected insect groups unequally.

но и что обезлесение неоднородно повлияло на различные группы насекомых.

Grasshoppers thrived in cleared areas while specialist forest beetles declined.

На расчищенных участках в огромном количестве водились кузнечики,

но снизилась численность лесных жуков.

Using eDNA, scientists are able to investigate

При помощи анализа ДНК учёные могут наблюдать

complex ecosystem interactions.

за сложными взаимодействиями экосистем.

Tracking thousands of insects as they visit flowers is impossible.

Невозможно уследить за тысячами насекомых, которые садятся на цветки.

Instead, researchers can study the DNA left on flowers and insects

Но можно проанализировать фрагменты ДНК, оставленные насекомыми на цветках

to map pollination networks.

и составить карты опыления.

Before these techniques were available, we didn’t really know how much pollination

До применения этих методик мы даже не догадывались, сколько цветков

was happening at night because we couldn’t observe it.

опыляют по ночам, потому что не могли за этим наблюдать.

Now scientists understand that moths are important nocturnal pollinators.

Сегодня учёные понимают важность ночных мотыльков для опыления.

eDNA can even tell stories of long extinct species.

ДНК может рассказать истории и о давно вымерших животных.

Cold, dry, and low oxygen conditions are perfect for preserving genetic material.

Генетический материал отлично сохраняется

в холоде, сухой и бедной кислородом среде.

By digging deep into the Arctic permafrost,

Учёные пробурились глубоко в вечную мерзлоту Арктики

researchers found 50,000 year old DNA,

и обнаружили там фрагменты ДНК, возраст которых 50 000 лет

which they matched to the nutrient-rich plants

и которые идентифицировали как богатые питательными веществами растения,

found in the stomachs of woolly mammoths.

ранее найденные в желудках шерстистых мамонтов.

With eDNA, they also found that less nutritious grasses

Также выяснилось, что в последний ледниковый период

colonized the Arctic steppe during the last ice age,

в степях Арктики произрастали менее питательные травы,

potentially contributing to the mammoth decline.

что, возможно, способствовало снижению численности мамонтов.

As we face another period of climate change—

Поскольку мы живём в эпоху очередных климатических изменений —

this time due to human activities—

на этот раз по вине человека, —

understanding our planet’s rapidly shifting biodiversity

понимание того, насколько быстро меняется биоразнообразие нашей планеты,

will be crucial to protecting it.

будет иметь первостепенное значение для его сохранения.

Fortunately, eDNA and metabarcoding

А благодаря сбору, анализу и метабаркодированию ДНК,

give us the tools to document rapid change in real time.

у нас есть необходимые инструменты

для документирования изменений в режиме реального времени.