Gli erbivori che vagano nella savana africana sono enormi e mangiano molto. Eppure, in qualche modo, riescono tutti a vivere all'incirca nello stesso posto, supportati dallo stesso ambiente scarsamente vegetato. Nel 2013, gli ecologi volevano sapere esattamente come funzionava. Tuttavia, poiché elefanti, zebre, bufali e impala vagano per molte miglia per nutrirsi e non amano gli umani ficcanaso che li guardano mentre mangiano, era quasi impossibile capire la loro dieta.
I ricercatori sono stati lasciati, come spesso accade, a controllare la cacca. Ma le piante digerite erano impossibili da identificare solo con gli occhi umani. Quindi, per questo enigma, si sono rivolti a quella che era una tecnica genetica relativamente nuova: il codice a barre del DNA.
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Gli ecologi hanno prelevato campioni in laboratorio e setacciato il DNA dei resti vegetali, alla ricerca di un gene specifico noto come citocromo c ossidasi I. A causa della sua posizione nei mitocondri delle cellule, il gene, noto in breve come COI, ha un tasso di mutazione approssimativamente tre volte quello di altre forme di DNA. Ciò significa che mostrerà più distintamente le differenze genetiche tra organismi anche molto strettamente correlati, rendendolo un modo utile per stuzzicare le specie in gruppi da uccelli a farfalle, come il tag all'interno della maglietta o un codice a barre di un negozio di alimentari.
Per questo metodo ingegnoso, giustamente indicato come codice a barre del DNA, possiamo ringraziare un genetista che si è trovato stufo dei metodi "stressanti" e che richiedono tempo della tassonomia tradizionale. Paul Hebert, un biologo molecolare dell'Università di Guelph in Canada, ricorda una notte umida e nuvolosa che ha trascorso a raccogliere insetti in un foglio come ricercatore post dottorato in Nuova Guinea.
"Quando li abbiamo ordinati morfologicamente il giorno successivo, ci siamo resi conto che c'erano migliaia di specie che erano entrate", dice Hebert. Molti, per quanto ne sapeva, non erano mai stati descritti dalla scienza. "Mi sono reso conto che quella sera avevo incontrato abbastanza esemplari per tenermi occupato per il resto della mia vita", dice.
Hebert continua: "Fu in quel momento che praticamente ... mi resi conto che la tassonomia morfologica non poteva essere il modo di registrare la vita sul nostro pianeta." Diede via le sue raccolte di campioni e passò ad altre ricerche sulla biologia evolutiva dell'Artico— "gli habitat con la più bassa diversità di specie che sono riuscito a trovare", nelle sue parole, ma il tema della misurazione della biodiversità terrestre è sempre rimasto nella sua mente.
La tecnologia ha continuato a progredire verso la metà degli anni '90, consentendo ai ricercatori di isolare e analizzare frammenti sempre più piccoli di DNA. Hebert, che stava lavorando in Australia come ricercatore in visita, decise di iniziare a "giocare" sequenziando il DNA di diversi organismi e cercando una singola sequenza che potesse essere facilmente isolata e utilizzata per distinguere rapidamente le specie. "Mi sono basato su questa unica regione del gene mitocondriale come efficace in molti casi", dice. Quello era COI.
Hebert decise di testare il suo metodo nel suo cortile, raccogliendo decine di insetti e codice a barre. Scoprì di poter facilmente distinguere gli insetti. "Ho pensato 'Ehi, se funziona su 200 specie nel mio cortile, perché non funzionerà sul pianeta?"
E, con alcune eccezioni, ha.
Usando questa tecnica, i ricercatori dello studio sulla savana del 2013 sono stati in grado di mettere insieme le varie diete di questi animali coesistenti. "Abbiamo potuto dire tutto ciò che gli animali stavano mangiando dal codice a barre dei loro scatti", afferma W. John Kress, curatore di botanica del Museo Nazionale di Storia Naturale Smithsonian, che ha collaborato allo studio. Informando i gestori e gli scienziati della fauna selvatica esattamente su quali erbe si nutre ogni animale, questi risultati "potrebbero avere un impatto diretto sulla progettazione di nuove aree di conservazione per questi animali", afferma Kress.
Ha anche fornito agli ecologi un quadro più ampio di come l'intero ecosistema funzioni insieme. "Ora puoi vedere come queste specie coesistono effettivamente nella savana", afferma Kress. Oggi l'idea stessa di ciò che rende una specie sta cambiando, grazie al codice a barre del DNA e ad altre tecniche genetiche.
Potrebbe non sembrare molto, nel verde. Ma in qualche modo, la savana africana supporta una varietà di iconici erbivori. Il codice a barre del DNA aiuta a mostrare come. (Cultura RM / Alamy) Sin dai tempi di Darwin, i tassonomisti hanno setacciato le specie in base a ciò che potevano osservare. Cioè se sembra un'anatra, cammina come un'anatra e suona come un'anatra, gettala nel mucchio di anatre. L'avvento del sequenziamento del DNA negli anni '80 ha cambiato il gioco. Ora, leggendo il codice genetico che rende un organismo quello che è, gli scienziati potrebbero raccogliere nuove intuizioni sulla storia evolutiva delle specie. Tuttavia, confrontare milioni o miliardi di coppie di basi che compongono il genoma può essere una proposta costosa e che richiede tempo.
Con un marcatore come il citocromo c ossidasi I, è possibile individuare queste distinzioni in modo più rapido ed efficiente. Il codice a barre può dirti in poche ore - che è il tempo necessario per sequenziare un codice a barre del DNA in un laboratorio di biologia molecolare ben attrezzato - che due specie che sembrano esattamente uguali sulla superficie sono sostanzialmente diverse a livello genetico. Proprio l'anno scorso, gli scienziati del Cile hanno usato il codice a barre del DNA per identificare una nuova specie di ape che i ricercatori di insetti avevano perso negli ultimi 160 anni.
In collaborazione con Hebert, esperti come il curatore entomologico del Museo Nazionale di Storia Naturale John Burns sono stati in grado di distinguere molti organismi che un tempo si pensava fossero la stessa specie. I progressi nella tecnica stanno ora permettendo ai ricercatori di codificare a campione esemplari del museo a partire dal 1800, dice Burns, aprendo la possibilità di riclassificare definizioni di specie a lungo termine. Un anno dopo che Hebert descrisse il codice a barre del DNA, Burns lo usò per identificare uno di questi casi: una specie di farfalla identificata nel 1700 che si rivelò in realtà 10 specie separate.
L'individuazione di definizioni di specie oscure ha conseguenze al di fuori del mondo accademico. Può dare a scienziati e legislatori un migliore senso del numero e della salute di una specie, informazioni cruciali per proteggerli, afferma Craig Hilton-Taylor, che gestisce la "Lista rossa" dell'International Union for the Conservation of Nature. Mentre l'organizzazione fa affidamento su diversi gruppi di esperti che possono lavorare da diverse prospettive su come definire meglio una specie, i codici a barre del DNA hanno aiutato molti di questi gruppi a discriminare più precisamente tra le diverse specie.
"Chiediamo loro di pensare a tutte le nuove prove genetiche che stanno emergendo ora", afferma Hilton-Taylor delle procedure della IUCN oggi.
Sebbene innovativa, la tecnica originale del codice a barre presentava dei limiti. Ad esempio, ha funzionato solo sugli animali, non sulle piante perché il gene COI non è mutato abbastanza velocemente nelle piante. Nel 2007, Kress ha aiutato ad espandere la tecnica di Hebert identificando altri geni che mutano allo stesso modo rapidamente nelle piante, permettendo lo svolgimento di studi come quello della savana.
Kress ricorda come, a partire dal 2008, lui e un suo ex collega, l'ecologo Carlos García-Robledo, dell'Università del Connecticut, hanno usato il codice a barre del DNA per confrontare le varie piante di cui si nutrivano diverse specie di insetti nella foresta pluviale costaricana. Sono stati in grado di raccogliere insetti, macinarli e sequenziare rapidamente il DNA dalle loro viscere per determinare cosa stavano mangiando.
In precedenza, García-Robledo e altri scienziati avrebbero dovuto seguire noiosamente gli insetti in giro e documentare le loro diete. "Possono essere necessari anni per un ricercatore per comprendere appieno le diete di una comunità di erbivori insetto in una foresta pluviale tropicale senza l'aiuto dei codici a barre del DNA", ha dichiarato Garcá-Robledo a Smithsonian Insider in un'intervista del 2013.
Da allora sono stati in grado di estendere questa ricerca osservando come il numero di specie e le loro diete differiscono a diverse altitudini e come l'aumento delle temperature dai cambiamenti climatici potrebbe influire su questo mentre le specie sono costrette a spostarsi sempre più in alto. "Abbiamo sviluppato un'intera e complessa rete di interazioni di insetti e piante, cosa impossibile prima", afferma Kress.
"Improvvisamente, in un modo molto più semplice, usando il DNA, potremmo effettivamente tracciare, quantificare e ripetere questi esperimenti e comprendere queste cose in un modo molto più dettagliato", aggiunge. Kress e altri ricercatori stanno ora utilizzando il codice a barre per analizzare campioni di suolo per le comunità di organismi che li abitano, afferma. Il codice a barre promette anche di aiutare a identificare i resti di materiale genetico trovato nell'ambiente.
"Per gli ecologi", afferma Kress, "il codice a barre del DNA sta davvero aprendo un modo completamente diverso di rintracciare le cose negli habitat in cui non potevamo rintracciarle prima".
Consentendo agli scienziati di esaminare un gene specifico invece di dover sequenziare interi genomi e confrontarli, Hebert aveva sperato che il suo metodo avrebbe permesso che l'analisi genetica e l'identificazione fossero eseguite molto più rapidamente ed economicamente rispetto al sequenziamento completo. "Gli ultimi 14 anni hanno dimostrato che funziona in modo molto più efficace ed è molto più semplice da implementare di quanto mi aspettassi", afferma ora.
Ma vede ancora margini di progresso. "Siamo davvero alle prese con dati inadeguati in termini di abbondanza e distribuzione delle specie", afferma ora Hebert degli ambientalisti. La tecnologia in rapido miglioramento per analizzare i campioni di DNA più velocemente e con meno materiale necessario abbinato alla codifica a barre del DNA offre una via d'uscita, dice Hebert, con i moderni scanner già in grado di leggere centinaia di milioni di coppie di basi in ore, rispetto alle migliaia di coppie di basi che potrebbero essere letto nello stesso tempo dalla tecnologia precedente.
Hebert immagina un futuro in cui il DNA viene raccolto e sequenziato automaticamente dai sensori di tutto il mondo, consentendo agli ambientalisti e ai tassonomi di accedere a grandi quantità di dati sulla salute e la distribuzione di varie specie. Ora sta lavorando per organizzare una biblioteca mondiale di codici a barre del DNA che gli scienziati possono utilizzare per identificare rapidamente un campione sconosciuto, qualcosa come un Pokedex nella vita reale.
"Come prevederesti il cambiamento climatico se stessi leggendo la temperatura in un punto del pianeta o un giorno all'anno?" Sottolinea Hebert. "Se vogliamo prendere sul serio la conservazione della biodiversità non ci resta che spostare completamente le nostre opinioni sulla quantità di monitoraggio che sarà richiesto."
