الهواء مليء بالحمض النووي، وهذا ما يستخدمه العلماء من أجله

يشعر رايان كيلي بالرهبة مما يطفو بشكل غير مرئي في الهواء.

يقول كيلي، الذي يدرس الحمض النووي البيئي (eDNA) في جامعة واشنطن في سياتل: “إنه أمر مذهل تمامًا”. “نحن محاطون تمامًا بالمعلومات على شكل DNA وRNA، في جميع الأوقات.”

اكتشاف طائر نادر يسلط الضوء على الوعد بـ “الحمض النووي البيئي”

العلماء لديهم تم سحب الحمض النووي من الماء والتربة لفترة طويلةلكنهم بدأوا للتو في رؤية الهواء كمصدر للمعلومات الجينية. على مدار العقد الماضي أو نحو ذلك، تعلم الباحثون كيفية قياس الحمض النووي المحمول في الهواء، ودراسة وفرته، واستخدامه في تجميع صورة لسكان النظام البيئي وصحتهم. يتم استخدام الحمض النووي المحمول جواً مراقبة الأنواع الفردية، ويتم تجربتها كوسيلة للكشف عن الأنواع الغازية أو الهجمات بالأسلحة البيولوجية. ويتم اختباره أيضًا كوسيلة للحكم على نجاح جهود الحفظ.

تَعِد هذه التقنية بربط “التنوع البيولوجي بأكمله، والعالم كله، من خلال اختبار واحد سريع للغاية، ويمكن إجراؤه ميدانيًا، وتحليله في السحابة”، كما يقول ديفيد دافي، الباحث المتخصص في علم جينوم أمراض الحياة البرية بجامعة فلوريدا في سانت أوجستين.

ولكن لا يزال هناك الكثير مما يجب تحديده، مثل مدى سرعة تحلل الحمض النووي في الهواء ومدى انتقاله. بعض المواد الجينية التي يتم سحبها من الهواء تأتي من البشر، ويشعر العديد من العلماء بالقلق من أنه عند استخدام هذه التقنية لأبحاث الحفاظ على البيئة، يمكن أن تكشف عن غير قصد عن الأصل العرقي للأشخاص أو ما إذا كان الشخص يعاني من اضطراب وراثي – بل ويمكن استخدامها لتحديد هوية الأفراد.

غيوم الحمض النووي

خدش رأسك وستطلق مادة خلوية غنية بالحمض النووي في الهواء. هناك، سوف يختلط مع الحمض النووي من مصادر أخرى لا تعد ولا تحصى: الزفير والتقشير الخاص بك والآخرين، وأجزاء من الشعر، والريش، والبراز، وحبوب اللقاح والجراثيم، والكائنات الحية الدقيقة مثل الفيروسات والطحالب الدقيقة. وهذا الحمض النووي، الذي يمكن أن يشتمل على أجزاء يصل طولها إلى عشرات الآلاف من الأزواج الأساسية، سوف يتجول في الهواء ربما لبضعة أيام، وغالبًا ما يتشبث بجزيئات الغبار. ويمكنه السفر لمسافات تتراوح من بضعة أمتار إلى عدة آلاف.

بالرغم من يتم بالفعل جمع eDNA بشكل روتيني من الماءوالثلوج والتربة، لجمع معلومات حول التنوع البيولوجي أو لتتبع الملوثات أو الفيروسات، لم يقم العلماء عادة بمراقبة مصادر الحمض النووي في الهواء بخلاف حبوب اللقاح والجراثيم، وهي حزم قوية مصممة للانتقال مع النسيم.

ولكن في أوائل عام 2010، بدأ العديد من علماء البيئة يتساءلون عما إذا كان الهواء قد يحتوي على آثار حمض نووي مفيدة تتجاوز تلك المغلفة في مثل هذه الحزم التي تحملها الرياح. في عام 2013، قام عالما الأحياء مات كلارك من متحف التاريخ الطبيعي في لندن، وريتشارد ليجيت من معهد إيرلهام في نورويتش بالمملكة المتحدة، بأخذ عينات من الهواء في دفيئة وخارجها.

يقول كلارك: “كنا نتساءل فقط عما إذا كنا سنحصل على أي شيء”. “في الواقع، حصلنا على العشرات – المئات – من الأشياء التي ظهرت.”

وفي الوقت نفسه، في جامعة تكساس التقنية في لوبوك، قام عالم البيئة ماثيو بارنز بتحليل عينات الهواء باستخدام تقنيات تم تطويرها لجمع الحمض النووي eDNA المنقول بالماء، واكتشف أنها كانت تعج بالحمض النووي من الأوراق والزهور، بالإضافة إلى أنواع من حبوب اللقاح غير المصممة لتحملها الرياح. لقد أدرك بعد ذلك إمكانية فهم مجتمعات النباتات بأكملها باستخدام الهواء¹.

لكن اكتشاف الحمض النووي للنمر بالقرب من كامبريدج بالمملكة المتحدة هو الذي نبه المجتمع الأوسع إلى إمكانات الحمض النووي المحمول جواً. أرادت إليزابيث كلير من جامعة يورك في تورونتو، كندا، وجوان ليتلفير من جامعة كوليدج لندن معرفة ما إذا كان بإمكانهما العثور على الحمض النووي الحيواني في الهواء. لقد جمعوا عينات من حديقة حيوانات صغيرة في كامبريدجشير بالمملكة المتحدة، معتقدين أنهم سيعرفون أصل أي حمض نووي يعثرون عليه، لأن الحيوانات الغريبة كانت محصورة في الحديقة.

وفي المختبر، استخرج الباحثون الحمض النووي من العينات وقاموا بتضخيمه وتسلسله. ووجدوا أنهم يستطيعون شم النمور على بعد 200 متر من حظيرتهم، بالإضافة إلى العديد من الحيوانات الأخرى في حديقة الحيوان، وطعامهم – بما في ذلك الدجاج والحصان والخنازير – والحياة البرية مثل القنافذ والخفافيش والسناجب. في المجمل، احتوت العينات على الحمض النووي لـ 25 نوعًا من الثدييات والطيور، بما في ذلك 17 نوعًا محفوظة في حديقة الحيوان². دراسة أخرى بالقرب من حديقة حيوان كوبنهاجن، نشرت في نفس الوقت، توصلت إلى نتائج مماثلة³.

يقول سايمون كرير، الذي يدرس البيئة الجزيئية في جامعة بانجور بالمملكة المتحدة: «كان الحمض النووي الحيواني المحمول جوًا موجودًا دائمًا، ولكننا لم نبحث عنه مطلقًا».

لكن الفيزيائي هو الذي وجد طريقة لتوسيع نطاق هذه الطريقة. اقترح جيمس أليرتون، من المختبر الفيزيائي الوطني في لندن، أن تقوم كلير بفحص العينات المأخوذة من شبكة مراقبة المعادن الثقيلة في المملكة المتحدة، والتي لديها 25 مضخة هواء، موجودة في المدن وفي الريف وفي المواقع الصناعية.

وقام الباحثون بدراسة عينات من 15 موقعًا للشبكة ونشروها العام الماضي⁴ ما يقولونه هو أول مسح وطني في العالم للتنوع البيولوجي الأرضي باستخدام eDNA المحمول جواً. ووجدوا حيوانات شائعة في المملكة المتحدة، بالإضافة إلى حيوانات أليفة غريبة مثل الببغاوات وأنواع الأسماك الغازية، الكارب الفضي.هيبوفثالميكثيس موليتريكس)، والتي لم يتم الإبلاغ عنها من قبل في المنطقة. من الفقاريات إلى الطلائعيات وحيدة الخلية، التقطوا 1100 نوع.

للتحقق من موثوقية طريقتهم، قارن الباحثون نتائجهم مع بيانات من قواعد بيانات ضخمة مثل iNaturalist، حيث يسجل العلماء المواطنون ما يرونه. لقد فشل موقع iNaturalist في الحصول على نصف ما وجده الفريق. وفي المقابل، لم يعكس الحمض النووي الإلكتروني 43% من ملاحظات موقع iNaturalist. كان العلم المواطن يميل إلى العثور على المزيد من الطيور وغيرها من الأنواع الجذابة والمرئية بالقرب من سكن الإنسان. يقول ليتلفير إن الحمض النووي المحمول بالهواء التقط المزيد من الكائنات الصغيرة وغير المرئية والليلية، بما في ذلك الفطريات والأشنات واللافقاريات والنباتات غير الأشجار. “هذه هي في الواقع مراكز القوة لوظيفة النظام البيئي.”

ويقول الفريق إن هذه الطريقة هي “حل واقعي لمراقبة ديناميكيات الحياة على الأرض”. والآن، يساعد الباحثون البلدان التي لديها شبكات مراقبة مماثلة على القيام بالشيء نفسه.

أرشيف الهواء

ولكن ماذا لو تمكنت من تسخير شبكة تضخ كميات هائلة من الهواء عبر مرشحاتها، ولها سجلات تمتد إلى عقود مضت؟ في عام 2015، سمع عالم الأحياء الجزيئية بير ستينبرج من جامعة أوميو في السويد عن مثل هذا الاحتمال، وهو تاريخ من التنوع البيولوجي يمتد لـ 70 عامًا، وقد تم سرده في خصلات من الحمض النووي تم التقاطها في عشرات الآلاف من المرشحات، وتم تخزينها في وكالة أبحاث الدفاع السويدية في ستوكهولم.

وكان يحضر ندوة حول شبكة الكشف عن النويدات المشعة في السويد، والتي تم بناؤها في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي للكشف عن تجارب الأسلحة النووية. وتمتص المحطات الخمس والعشرون مئات الأمتار المكعبة من الهواء في الساعة، ثم يتم تخزين المحتويات على مرشحات من الألياف الزجاجية.

بدأ ستينبيرج في تحليل المرشحات من محطة تقع شمال الدائرة القطبية الشمالية. في حين بحث فريق ليتلفير عن مناطق محددة من الحمض النووي تحدد الأنواع الفردية – المعروفة باسم ترميز الحمض النووي الفوقي – استخدم ستينبيرج تسلسل البندقية، حيث يتم تقسيم الحمض النووي إلى قطع صغيرة، وتسلسلها ومطابقتها للجينومات المرجعية المعروفة باستخدام جهاز كمبيوتر. يستهلك أسلوب البندقية وقتًا وطاقة أكبر ويتطلب تقنيات إحصائية أكثر تعقيدًا من تقنية الترميز الفوقي. لكن النتائج أكثر تفصيلا.

لقد مرت أربع سنوات قبل أن يحصل هو ومعاونه ماتس فورسمان، مدير الأبحاث في الوكالة، على النتائج⁵.

“الفيروسات، والبكتيريا، والفطريات، والنباتات، والحيوانات، والطيور، والأسماك… الطفيليات المعوية للموظ”، كما يروي ستينبرغ. “أعني، أيًا كان ما كان موجودًا وكان لديه مرجع يطابقه، يمكننا أن نرى – كل كائن حي ليس نادرًا للغاية في النظام البيئي.”

ويقول إن النتائج تشير إلى أنه يمكن الوثوق بهذه التقنية. “وبالتالي كان الأمر مثل: واو. هذا شيء نحتاج إلى استكشافه.”

يمكن أن يؤدي جمع الحمض النووي عن طريق الخطأ بواسطة أجهزة استشعار الهواء إلى إحداث ثورة في تتبع الحياة البرية

يفعل علماء البيئة ذلك بالضبط، حيث يقومون بتوثيق التقلبات الأسبوعية والموسمية والدورية في وفرة العديد من الأنواع ومطابقتها مع التغيرات المناخية. لقد كشفوا عن تغيرات مجتمعية طويلة المدى – ارتفاع وانخفاض وفرة أشجار الصنوبر بسبب تغير إدارة الغابات، وما يصاحب ذلك من انخفاض في الأشجار الأخرى، والطحالب، والأشنات، والفطريات. لقد تتبعوا مع مرور الوقت الاختلافات المشتركة المعروفة بين العديد من الأنواع، مثل تلك الموجودة بين الذباب وبعض البكتيريا، ووجدوا اختلافات جديدة.

تمتلئ أوروبا بمحطات الكشف عن النويدات المشعة، والتي يمكن أن توفر “فرصة غير مسبوقة لإعادة بناء التاريخ البيئي، واكتشاف التغيرات المستمرة”، كما يقول ستينبيرج والمؤلفون المشاركون.

ومع ذلك، فإن مثل هذه الشبكات موجودة في مواقع ثابتة. يقوم بعض العلماء بتجربة مراقبة أكثر مرونة. قامت إيرين هان، التي تدرس علم الوراثة في مجال الحفاظ على البيئة في المجموعة الوطنية الأسترالية للحياة البرية في كانبيرا، بتصميم عينات سلبية وطباعتها ثلاثية الأبعاد، والتي لا تحتاج إلى مصدر للطاقة، وأعطتها لأصحاب الأراضي في جميع أنحاء نيو ساوث ويلز.

ولا يزال فريقها في المرحلة التجريبية. يقول هان: “هناك الكثير من المتغيرات حول تدفق الهواء، والتعرض للضوء، والقرب من مسارات الألعاب”. “لقد بدأنا للتو في تقليصها لفهم كيفية تحرك الحمض النووي بشكل أفضل.” ما يريده هان في نهاية المطاف هو شبكة ذكية يمكنها تحديد التغيير بسرعة، أو تحديد الأنواع الغازية، أو تدمير المجموعات السكانية التي تحتاج إلى إدارة.

إجمالي القراءة

بالنسبة للحكومات والشركات والعلماء ونشطاء الحفاظ على البيئة الذين يهدفون إلى تتبع صحة النظم البيئية، يمكن أن يوفر الحمض النووي المحمول جواً قراءة شاملة ومنتظمة للتنوع البيولوجي على الأرض.

يقول دافي، الذي يقوم بتقييم إمكاناته لتتبع استعادة الغابات: “هذا يعني أنه يمكننا تقييم البيئات بسرعة قبل وأثناء وبعد التخفيف، ولا نعتقد أننا نحسن التنوع البيولوجي فحسب، بل لدينا بالفعل مقياس كمي”.

يمكن أن تساعد قراءات الحمض النووي أيضًا في تسجيل حيوية النظام البيئي، من خلال تتبع حمل مسببات الأمراض والتنوع الجيني للأنواع الفردية – وهو مؤشر للصحة.

هناك أسئلة بيئية دائمة أخرى يمكن أن يساعد الحمض النووي المحمول في الهواء في حلها. تعمل مجموعة ستينبيرج على تطوير نماذج تهدف إلى فهم السبب والنتيجة في النظم البيئية.

يقول ستينبيرج: “نحن نعلم أن الثعالب تأكل الأرانب، والأرانب تأكل بعض النباتات وما إلى ذلك”. “لكن النظام البيئي بأكمله – عندما نتحدث عن البكتيريا والديدان الخيطية والحشرات والنباتات والحيوانات – ليس لدينا أي فكرة في الأساس”. إن الكشف عن المزيد من التفاصيل يمكن أن يوفر معلومات عملية حول كيفية استجابة النظم البيئية للضرر.

من الصعب تفسيرها

ولكن هناك الكثير من استكشاف الأخطاء وإصلاحها التي يجب القيام بها أولاً.