تويت
وجد العلماء أن الهواء المحيط بنا يحمل آثارًا يمكن اكتشافها للحيوانات التي تعيش في وسطنا، ومن شأن هذا الاكتشاف أن يُحدث ثورة في الطريقة التي يراقب بها الباحثون ويتتبعون مجموعات الأنواع الضعيفة أو المهددة بالانقراض.
اكتشف الباحثون أن الحمض النووي البيئي (eDNA) الذي تسقطه الكائنات الحية يمكن تحديده بفضل أجهزة الشفط التي تلتقط العينات المحمولة جوًا وترشّحها في المناطق التي تسكنها الحيوانات، وذلك في دراستين جديدتين أجراهما فريقان منفصلان من العلماء.
تقول كريستين بومان الباحثة في علم الجينوم التطوري من جامعة كوبنهاغن في الدنمارك: «دُهشنا عندما رأينا النتائج، في 40 عينة فقط، اكتشفنا 49 نوعًا من الثدييات والطيور والبرمائيات والزواحف والأسماك».
لم يكتشف فريق بومان، الذي أخذ عينات الهواء في ثلاثة مواقع مختلفة من حديقة حيوانات كوبنهاغن، الحمض النووي البيئي للحيوانات التي تعيش في المنشأة فحسب، بل اكتشفوا أيضًا الحيوانات التي تعيش خارجها، وحتى الآثار الجينية للحوم التي أُطعِمت لبعض حيوانات الحديقة، مثل لحوم الدجاج ولحم البقر.
قالت بومان: «كان الأمر كما لو أن هذه الحديقة بُنيت خصيصًا لهذه التجربة. معظم الحيوانات ليست محلية، لذلك فهي تُلاحَظ فورًا في تحليل الحمض النووي. إذا اكتشفنا طائر فلامينغو، فنحن على يقين من أنه لا يأتي من أي مكان آخر سوى من حظيرة الفلامينغو تلك».
يمكن أن تكون هذه التقنية -كما هو موضح في ورقة بحثية قادتها الباحثة الأولى كريستينا لينغارد- رائدةً في الطرق الجديدة القائمة على جمع عينات من الحمض النووي البيئي للحيوانات من الهواء، والتي التُقطت في الماضي بشكل كبير بواسطة الماء أو التربة.
كتب ستيفن ف. سبير عالم الأحياء البحثي في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، عبر البريد الالكتروني: «اكتشفنا شيئًا واحدًا في أبحاثنا عن الحمض النووي البيئي، هو أن أي وسط بيئي (الماء والتربة والثلج وما إلى ذلك) لديه القدرة على إيواء الحمض النووي الذي يمكننا جمع عينات منه».
استخدم سبير الحمض النووي البيئي لتتبع نوعٍ من السمندل المائي المعروف باسم هيلبندر.
فيما يتعلق بما إذا كان التقاط العينات من الغلاف الجوي ممكنًا، تقول بومان: «لم نكن نعتقد أن شفط الحمض النووي الحيواني من الهواء سينجح، كان ذلك علمًا عالي الخطورة والمكافأة مع إمكانية تجاوز حدود المراقبة البيولوجية للفقاريات. من الواضح أن السماء ليست هي الحد».
كان فريق آخر من العلماء صدفةً يبحث عن الشيء نفسه في الوقت نفسه تقريبًا في المملكة المتحدة. بقيادة عالمة البيئة الجزيئية إليزابيث كلير من جامعة كوين ماري في لندن، جمعت هذه المجموعة الثانية عينات الهواء من حديقة حيوانات هامرتون في كامبريدجشاير، مستعملين مرشحات متصلة بمضخات شفط.
حدد التسلسل اللاحق الحمض النووي من 25 نوعًا مختلفًا، بما في ذلك بعض المفاجآت في الخليط. تقول كلير، التي انتسبت الآن إلى جامعة يورك في كندا: «لقد تمكّنا حتى من جمع الحمض النووي البيئي للحيوانات التي كانت على بُعد مئات الأمتار من المكان الذي كنا نختبره دون انخفاض كبير في التركيز مثل حيوان القنفذ الأوراسي المهدد بالانقراض في المملكة المتحدة، وحتى من خارج المباني المغلقة. لقد كانت الحيوانات في الداخل، لكن حمضها النووي كان يهرب خارجًا».
فكرت بومان وفريقها في هذه الفكرة باستقلالية عن مجموعة كلير ببضع سنوات. كانت تحاول التوصّل إلى فكرة بحثية غريبة لمؤسسة دنماركية تموّل العلوم. وعندما توصّلت إلى فكرة شفط الحمض النووي من الهواء واجهت الكثير من العقبات، لكن في النهاية حصلت على التمويل وعيّنت باحثة ما بعد الدكتوراه تدعى كريستينا لينغارد لمساعدتها. كانت مهمة لينغارد الأولى هي معرفة نوع الجهاز الذي يمكن أن يستعمله الفريق لشفط الحمض النووي البيئي من الهواء.
تقول لينغارد: «جربنا ثلاثة أجهزة مختلفة، وكان أحدها مكنسة كهربائية تجارية»، وقد نجحت. استطاعوا أخذ عينات من الحمض النووي ببساطة باستخدامها، على الرغم من كونها صاخبة للغاية.
استخدمت لينغارد أيضًا بعض أجهزة جمع العينات محلية الصنع التي تعمل بواسطة مروحة صغيرة، مثل مروحة الحاسوب، مثبتة في صندوق مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد عملت هذه الأجهزة بشكل جيد أيضًا وكانت أكثر هدوءًا وكفاءة في استخدام الطاقة. لكن بومان شككّت في أنها ستكون قادرة على أخذ عينات فعلية في البرية.
بعد الانتهاء من بحثيهما لاحقًا، أدرك الفريقان أنهما شاركا صدفةً في اكتشاف الشيء نفسه، ورحّب العلماء بالصدفة، إذ إن كل دراسة تُثبت صحة الأخرى، وتكرر النتائج بطرق مماثلة هو أمر مهم أيضًا، لأنه يدعم فكرة أن دعاة الحفاظ على البيئة وغيرهم في مجتمع البحوث سيكونون قادرين على استخدام هذه التقنيات لمراقبة مجموعات الحيوانات في البرية عن بُعد، خاصة الأنواع المهددة بالانقراض التي غالبًا ما يكون من الصعب العثور عليها وتتبّعها باستخدام وسائل المراقبة التقليدية، ناهيك عن كونها شاملة بمرور الوقت.
كتب فريق كلير في ورقتهم: «تتجاوز أزمة انخفاض التنوع البيولوجي قدرتنا الحالية على مراقبة التغيرات في النظم الإيكولوجية، إذا نجح تطوير طرق جمع عينات الحمض النووي البيئي المحمولة جوًا، سيكون لذلك آثار كبيرة على الرصد البيولوجي الأرضي العالمي».
يعترف الباحثون أنه يجب القيام بمزيد من العمل قبل أن نتمكن من إدراك الإمكانيات الكاملة واستخدامها لالتقاط الحمض النووي البيئي المحمول جوًا لكن هذه الفرصة للاكتشاف المشترك هي مع ذلك تطوّر مُشجّع في بعض الأوقات العصيبة جدًا، حتى لو كان نظام الشفط هذا يبدو ساذجًا قليلًا.
أخبرت كلير الإذاعة الوطنية العامة: «هذه فكرة مجنونة بعض الشيء، نحن نشفط حرفيًا الحمض النووي من السماء».
هل يمكن أن يساعد الحمض النووي المحمول جوًا في تتبع الأنواع المهددة بالانقراض؟
توجد الكثير من الأسئلة التي لم يُجب عليها. لسبب واحد فقط، تقول كلير: «ما يزال الباحثون غير متأكدين من ماهية الحمض النووي البيئي الذي يكتشفونه. قد يكون جلدًا أو لعابًا أو حتى بولًا أو برازًا. كانت هناك بعض الأنواع التي لم نستطع تحديدها أبدًا على الرغم من معرفتنا أنها موجودة هناك».
فوّتت مجموعتها الذئاب ذات العرف، على الرغم من أنها كانت تستطيع شم رائحتها في جميع أنحاء الحديقة. تقول لينغارد أن فريقها لم يستطع تحديد عينات تخص أفراس النهر أيضًا، وقالت: «أرى أن الوضع الحالي للحمض النووي البيئي المحمول جوًا يشبه إلى حد كبير وضع الأوراق البحثية الأولى التي ظهرت حول الحمض النووي البيئي المائي منذ أكثر من عقد من الزمن».
يقول ستيفن سبير: «هل ستعمل هذه التقنية بكفاءة مع الحيوانات الأصغر حجمًا أو الأكثر قابلية للحركة والتنقل؟ كيف يمكن مقارنتها بالطرق الأخرى مثل فخاخ الكميرات؟ وما هي أفضل طريقة لأخذ عينات الحمض النووي البيئي وجمعه من الهواء؟».
من جانبها تحرص كلير على الغوص في الإجابة على هذه الأسئلة، وتطوير طرق جمع عينات الحمض النووي البيئي إلى تقنية حجر الزاوية للحفظ. وتقول: «لدي هذه الرؤية لأجهزة جمع عيناتٍ تُنشر عالميًا التي يمكنها امتصاص الحمض النووي من كل هذه المصادر المختلفة، من التربة والعسل والمطر والثلج والهواء والماء، وسلسلتها في الموقع، وإرسال البيانات إلى الخوادم. وسيكون الهدف هو إنشاء نظام عالمي للرصد البيولوجي لحيوانات العالم. لأن ليس لدينا نظام منسق لذلك حتى الآن».
تعتقد كلير أن الإجابات على بعض أصعب الأسئلة في مجال الحفاظ على الأنواع يمكن أن تكون حرفيًا أمام وجوهنا، معلقة في الهواء.
اكتشف الباحثون أن الحمض النووي البيئي (eDNA) الذي تسقطه الكائنات الحية يمكن تحديده بفضل أجهزة الشفط التي تلتقط العينات المحمولة جوًا وترشّحها في المناطق التي تسكنها الحيوانات، وذلك في دراستين جديدتين أجراهما فريقان منفصلان من العلماء.
تقول كريستين بومان الباحثة في علم الجينوم التطوري من جامعة كوبنهاغن في الدنمارك: «دُهشنا عندما رأينا النتائج، في 40 عينة فقط، اكتشفنا 49 نوعًا من الثدييات والطيور والبرمائيات والزواحف والأسماك».
لم يكتشف فريق بومان، الذي أخذ عينات الهواء في ثلاثة مواقع مختلفة من حديقة حيوانات كوبنهاغن، الحمض النووي البيئي للحيوانات التي تعيش في المنشأة فحسب، بل اكتشفوا أيضًا الحيوانات التي تعيش خارجها، وحتى الآثار الجينية للحوم التي أُطعِمت لبعض حيوانات الحديقة، مثل لحوم الدجاج ولحم البقر.
قالت بومان: «كان الأمر كما لو أن هذه الحديقة بُنيت خصيصًا لهذه التجربة. معظم الحيوانات ليست محلية، لذلك فهي تُلاحَظ فورًا في تحليل الحمض النووي. إذا اكتشفنا طائر فلامينغو، فنحن على يقين من أنه لا يأتي من أي مكان آخر سوى من حظيرة الفلامينغو تلك».
يمكن أن تكون هذه التقنية -كما هو موضح في ورقة بحثية قادتها الباحثة الأولى كريستينا لينغارد- رائدةً في الطرق الجديدة القائمة على جمع عينات من الحمض النووي البيئي للحيوانات من الهواء، والتي التُقطت في الماضي بشكل كبير بواسطة الماء أو التربة.
كتب ستيفن ف. سبير عالم الأحياء البحثي في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، عبر البريد الالكتروني: «اكتشفنا شيئًا واحدًا في أبحاثنا عن الحمض النووي البيئي، هو أن أي وسط بيئي (الماء والتربة والثلج وما إلى ذلك) لديه القدرة على إيواء الحمض النووي الذي يمكننا جمع عينات منه».
استخدم سبير الحمض النووي البيئي لتتبع نوعٍ من السمندل المائي المعروف باسم هيلبندر.
فيما يتعلق بما إذا كان التقاط العينات من الغلاف الجوي ممكنًا، تقول بومان: «لم نكن نعتقد أن شفط الحمض النووي الحيواني من الهواء سينجح، كان ذلك علمًا عالي الخطورة والمكافأة مع إمكانية تجاوز حدود المراقبة البيولوجية للفقاريات. من الواضح أن السماء ليست هي الحد».
كان فريق آخر من العلماء صدفةً يبحث عن الشيء نفسه في الوقت نفسه تقريبًا في المملكة المتحدة. بقيادة عالمة البيئة الجزيئية إليزابيث كلير من جامعة كوين ماري في لندن، جمعت هذه المجموعة الثانية عينات الهواء من حديقة حيوانات هامرتون في كامبريدجشاير، مستعملين مرشحات متصلة بمضخات شفط.
حدد التسلسل اللاحق الحمض النووي من 25 نوعًا مختلفًا، بما في ذلك بعض المفاجآت في الخليط. تقول كلير، التي انتسبت الآن إلى جامعة يورك في كندا: «لقد تمكّنا حتى من جمع الحمض النووي البيئي للحيوانات التي كانت على بُعد مئات الأمتار من المكان الذي كنا نختبره دون انخفاض كبير في التركيز مثل حيوان القنفذ الأوراسي المهدد بالانقراض في المملكة المتحدة، وحتى من خارج المباني المغلقة. لقد كانت الحيوانات في الداخل، لكن حمضها النووي كان يهرب خارجًا».
فكرت بومان وفريقها في هذه الفكرة باستقلالية عن مجموعة كلير ببضع سنوات. كانت تحاول التوصّل إلى فكرة بحثية غريبة لمؤسسة دنماركية تموّل العلوم. وعندما توصّلت إلى فكرة شفط الحمض النووي من الهواء واجهت الكثير من العقبات، لكن في النهاية حصلت على التمويل وعيّنت باحثة ما بعد الدكتوراه تدعى كريستينا لينغارد لمساعدتها. كانت مهمة لينغارد الأولى هي معرفة نوع الجهاز الذي يمكن أن يستعمله الفريق لشفط الحمض النووي البيئي من الهواء.
تقول لينغارد: «جربنا ثلاثة أجهزة مختلفة، وكان أحدها مكنسة كهربائية تجارية»، وقد نجحت. استطاعوا أخذ عينات من الحمض النووي ببساطة باستخدامها، على الرغم من كونها صاخبة للغاية.
استخدمت لينغارد أيضًا بعض أجهزة جمع العينات محلية الصنع التي تعمل بواسطة مروحة صغيرة، مثل مروحة الحاسوب، مثبتة في صندوق مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد عملت هذه الأجهزة بشكل جيد أيضًا وكانت أكثر هدوءًا وكفاءة في استخدام الطاقة. لكن بومان شككّت في أنها ستكون قادرة على أخذ عينات فعلية في البرية.
بعد الانتهاء من بحثيهما لاحقًا، أدرك الفريقان أنهما شاركا صدفةً في اكتشاف الشيء نفسه، ورحّب العلماء بالصدفة، إذ إن كل دراسة تُثبت صحة الأخرى، وتكرر النتائج بطرق مماثلة هو أمر مهم أيضًا، لأنه يدعم فكرة أن دعاة الحفاظ على البيئة وغيرهم في مجتمع البحوث سيكونون قادرين على استخدام هذه التقنيات لمراقبة مجموعات الحيوانات في البرية عن بُعد، خاصة الأنواع المهددة بالانقراض التي غالبًا ما يكون من الصعب العثور عليها وتتبّعها باستخدام وسائل المراقبة التقليدية، ناهيك عن كونها شاملة بمرور الوقت.
كتب فريق كلير في ورقتهم: «تتجاوز أزمة انخفاض التنوع البيولوجي قدرتنا الحالية على مراقبة التغيرات في النظم الإيكولوجية، إذا نجح تطوير طرق جمع عينات الحمض النووي البيئي المحمولة جوًا، سيكون لذلك آثار كبيرة على الرصد البيولوجي الأرضي العالمي».
يعترف الباحثون أنه يجب القيام بمزيد من العمل قبل أن نتمكن من إدراك الإمكانيات الكاملة واستخدامها لالتقاط الحمض النووي البيئي المحمول جوًا لكن هذه الفرصة للاكتشاف المشترك هي مع ذلك تطوّر مُشجّع في بعض الأوقات العصيبة جدًا، حتى لو كان نظام الشفط هذا يبدو ساذجًا قليلًا.
أخبرت كلير الإذاعة الوطنية العامة: «هذه فكرة مجنونة بعض الشيء، نحن نشفط حرفيًا الحمض النووي من السماء».
هل يمكن أن يساعد الحمض النووي المحمول جوًا في تتبع الأنواع المهددة بالانقراض؟
توجد الكثير من الأسئلة التي لم يُجب عليها. لسبب واحد فقط، تقول كلير: «ما يزال الباحثون غير متأكدين من ماهية الحمض النووي البيئي الذي يكتشفونه. قد يكون جلدًا أو لعابًا أو حتى بولًا أو برازًا. كانت هناك بعض الأنواع التي لم نستطع تحديدها أبدًا على الرغم من معرفتنا أنها موجودة هناك».
فوّتت مجموعتها الذئاب ذات العرف، على الرغم من أنها كانت تستطيع شم رائحتها في جميع أنحاء الحديقة. تقول لينغارد أن فريقها لم يستطع تحديد عينات تخص أفراس النهر أيضًا، وقالت: «أرى أن الوضع الحالي للحمض النووي البيئي المحمول جوًا يشبه إلى حد كبير وضع الأوراق البحثية الأولى التي ظهرت حول الحمض النووي البيئي المائي منذ أكثر من عقد من الزمن».
يقول ستيفن سبير: «هل ستعمل هذه التقنية بكفاءة مع الحيوانات الأصغر حجمًا أو الأكثر قابلية للحركة والتنقل؟ كيف يمكن مقارنتها بالطرق الأخرى مثل فخاخ الكميرات؟ وما هي أفضل طريقة لأخذ عينات الحمض النووي البيئي وجمعه من الهواء؟».
من جانبها تحرص كلير على الغوص في الإجابة على هذه الأسئلة، وتطوير طرق جمع عينات الحمض النووي البيئي إلى تقنية حجر الزاوية للحفظ. وتقول: «لدي هذه الرؤية لأجهزة جمع عيناتٍ تُنشر عالميًا التي يمكنها امتصاص الحمض النووي من كل هذه المصادر المختلفة، من التربة والعسل والمطر والثلج والهواء والماء، وسلسلتها في الموقع، وإرسال البيانات إلى الخوادم. وسيكون الهدف هو إنشاء نظام عالمي للرصد البيولوجي لحيوانات العالم. لأن ليس لدينا نظام منسق لذلك حتى الآن».
تعتقد كلير أن الإجابات على بعض أصعب الأسئلة في مجال الحفاظ على الأنواع يمكن أن تكون حرفيًا أمام وجوهنا، معلقة في الهواء.