วิธีการใหม่ที่ทดสอบในสวนสัตว์สองแห่งสามารถปฏิวัติการศึกษาความหลากหลายทางชีวภาพในป่าได้
เมื่อนักพันธุศาสตร์ เอลิซาเบธ แคลร์ วางตัวกรองขนาดเล็ก 70 ตัวรอบๆ สวนสัตว์แฮมเมอร์ตันของอังกฤษเมื่อปีที่แล้ว ความหวังก็เกิดขึ้น แคลร์ตั้งใจให้กับดักเก็บ DNA จากท้องฟ้า ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุสัตว์ที่อยู่ในกรงได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เธอคาดไม่ถึงก็คือ ทีมนักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่ง ซึ่งอยู่ห่างออกไปกว่า 500 ไมล์ กำลังทำการทดลองที่คล้ายกันในสวนสัตว์โคเปนเฮเกน ทั้งสองทีมประสบความสำเร็จอย่างอิสระและน่าประหลาดใจ
การศึกษาพิสูจน์แนวคิดใหม่ 2 ชิ้นที่ตีพิมพ์ในวันนี้ในวารสารCurrent Biologyเป็นหนึ่งในกลุ่มแรกๆ ที่แสดงให้เห็นว่าชิ้นส่วนเล็กๆ ของ DNA ในอากาศสามารถนำมาใช้ในการตรวจจับสายพันธุ์ต่างๆ ได้ วิธีการที่ไม่รุกรานอาจเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับสัตว์หายาก รุกราน และหายากอย่างอื่น การค้นพบนี้เกิดขึ้นพร้อมกันโดยกลุ่มวิจัยอิสระสองกลุ่ม กลุ่มหนึ่งอยู่ในเดนมาร์ก และอีกกลุ่มหนึ่งอยู่ในสหราชอาณาจักรและแคนาดา
สัตว์ป่ามักถูกศึกษาด้วยการมองเห็น หรือโดยอ้อมผ่านเบาะแสที่พวกมันทิ้งไว้ เช่น ขน ขนนก หรืออุจจาระ นั่นหมายถึงสัตว์บางชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสัตว์ตัวเล็ก เร็ว และขี้อาย มักถูกมองข้ามในการสำรวจสัตว์ป่าแบบดั้งเดิม เนื่องจากสิ่งมีชีวิตทั้งหมดหลั่ง DNA ออกสู่สิ่งแวดล้อม กลุ่มวิจัยทั้งสองกลุ่มจึงหวังว่าพวกเขาจะใช้ร่องรอยทางพันธุกรรมเหล่านั้นเพื่อค้นหาว่าสัตว์ชนิดใดที่อยู่บริเวณนั้นบ่อยครั้ง “เราทั้งคู่ยอมรับว่านี่เป็นความคิดที่บ้าไปหน่อย—เรากำลังดูด DNA ออกจากท้องฟ้า” แคลร์จากมหาวิทยาลัยยอร์ก ประเทศแคนาดา ซึ่งอยู่ที่มหาวิทยาลัยควีนแมรีลอนดอนเมื่อเธอเป็นผู้นำงานนี้กล่าว การศึกษานี้นำโดย Kristine Bohmann นักพันธุศาสตร์จาก Globe Institute มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน
การวิจัยเกี่ยวกับ DNA ของสิ่งแวดล้อมที่เรียกว่า eDNA ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา แต่งานส่วนใหญ่จำกัดอยู่ที่สภาพแวดล้อมทางน้ำ การรวบรวม DNA จากอากาศทำให้เกิดความท้าทายที่แตกต่างจากน้ำ เนื่องจากความเข้มข้นของ DNA ในอากาศมักจะต่ำกว่าและปะปนกันอย่างผิดปกติมากกว่า เนื่องจาก eDNA ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเครื่องมือสำคัญในการตรวจหาชนิดพันธุ์ในน้ำ กลุ่มวิจัยจึงกระตือรือร้นที่จะดูว่า eDNA ที่ลอยอยู่ในอากาศจะสามารถนำมาใช้เพื่อค้นหาสัตว์ที่อาศัยอยู่บนบกได้หรือไม่ และขอความช่วยเหลือจากสวนสัตว์ในพื้นที่ของตน
ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งในการทำงานกับ eDNA ในอากาศคือการหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนจากแหล่งอื่น ซึ่งอาจทำให้ผลลัพธ์สับสนได้ “สวนสัตว์กลายเป็นสภาพแวดล้อมที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งเรารู้ว่าทุกสิ่งที่เรากำลังตรวจจับหรือที่เราคิดว่าจะตรวจจับมีแหล่งที่เป็นไปได้เพียงแหล่งเดียว” แคลร์กล่าว “ห้องแล็บของฉันไม่ได้จัดการ DNA ของเสือเลย ดังนั้นหากเราตรวจพบเสือ ก็ไม่มีแหล่งอื่น”
เพื่อดูว่าสามารถตรวจพบ eDNA ในอากาศได้หรือไม่ ทั้งสองทีมได้วางตัวกรองไว้ภายในสวนสัตว์ต่างๆ รวมทั้งการจัดแสดงทั้งในร่มและกลางแจ้ง กลุ่มของ Bohmann ได้เก็บตัวอย่างอากาศ 40 ตัวอย่างในสามสถานที่รอบๆ สวนสัตว์โคเปนเฮเกน ได้แก่ บ้านป่าฝนเขตร้อน คอกม้า okapi และในพื้นที่กลางแจ้งระหว่างกรงสัตว์ พวกเขายังทดสอบอุปกรณ์สุ่มตัวอย่างอากาศที่แตกต่างกันสามแบบ รวมถึงเครื่องดูดฝุ่นแบบน้ำที่ดัดแปลง และพัดลมโบลเวอร์และตัวกรองสองสไตล์ ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์เก็บรวบรวม สารพันธุกรรมที่ลอยได้อิสระจากสิ่งต่างๆ เช่น ขนสัตว์ น้ำลาย และอุจจาระ จะถูกขังอยู่ในน้ำที่ผ่านการฆ่าเชื้อแล้วหรือบนตัวกรองกระดาษ
กลุ่มของแคลร์ใช้แนวทางที่คล้ายกัน แต่ใช้ปั๊มลมเพียงประเภทเดียวที่ทีมทดสอบก่อนหน้านี้ในการศึกษาก่อนหน้านี้เกี่ยวกับหนูตุ่นเปล่า พวกเขาใช้อุปกรณ์สุ่มตัวอย่างในสถานที่ต่างๆ มากมายรอบๆ สวนสัตว์ Hamerton Zoo Park ในขณะที่ทีมของ Clare ดำเนินการปั๊มเป็นเวลาครึ่งชั่วโมง กลุ่มของ Bohmann ใช้อุปกรณ์กรองอากาศระหว่าง 30 นาทีถึง 30 ชั่วโมง จากนั้นทั้งสองทีมก็นำตัวอย่างกลับไปที่ห้องปฏิบัติการของตนและใช้เทคนิคที่เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) เพื่อดูลำดับดีเอ็นเอ จากที่นั่น พวกเขาตรวจสอบสิ่งที่พบจากฐานข้อมูลสาธารณะ “โดยพื้นฐานแล้ว เรามีห้องสมุดว่าซีเควนซ์ควรมีลักษณะอย่างไรสำหรับสัตว์เหล่านั้น และจากนั้นก็จะกลายเป็นเหมือนเกมไพ่ Go Fish” แคลร์กล่าว
แม้ว่าทั้งสองกลุ่มจะมองโลกในแง่ดีว่าความคิดของพวกเขาสามารถทำงานได้ แต่พวกเขาก็ยังตกตะลึงกับผลลัพธ์ของพวกเขา ในตัวอย่าง 40 ตัวอย่างที่กลุ่มของ Bohmann รวบรวม พวกเขาพบ 49 สายพันธุ์รวมถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม นก สัตว์เลื้อยคลาน และปลาได้สำเร็จ “เราไม่เคยคิดมาก่อนว่าจะได้ผลดีขนาดนี้” Bohmann กล่าว เมื่อเธอเห็นผล เธอ “แทบไม่เชื่อเลย” Bohmann กล่าว “มันเป็นน้ำตาและเสียงหัวเราะ” พวกเขายังพบดีเอ็นเอจากสายพันธุ์ท้องถิ่นใกล้กับสวนสัตว์โคเปนเฮเกน เช่น ท้องนาและกระรอกแดง
ทีมของแคลร์สามารถระบุดีเอ็นเอจากสัตว์ต่างๆ กว่าสองโหลจากตัวอย่าง รวมทั้งเสือโคร่ง ลีเมอร์ และดิงโก นักวิจัยยังสามารถตรวจพบสายพันธุ์พื้นเมืองใกล้เคียง เช่น เม่นยูเรเชียนที่ใกล้สูญพันธุ์
ขณะทำวิจัย ทั้งสองทีมไม่มีความรู้เกี่ยวกับงานของอีกฝ่าย แต่หลังจากพบเอกสารพิสูจน์แนวคิดก่อนพิมพ์ของกันและกันทางออนไลน์ ทั้งสองกลุ่มจึงตัดสินใจส่งต้นฉบับเพื่อตรวจทานร่วมกัน “มันบ้ามากที่ทั้งสองกลุ่มทำการศึกษาที่คล้ายกันในสองแห่ง แต่ก็เป็นโอกาสที่หายากเช่นกัน” Bohmann กล่าว
Mark Johnson ผู้ซึ่งศึกษา eDNA และ Texas Tech University กล่าวว่าข้อเท็จจริงที่กลุ่มต่างๆ ใช้เส้นทางที่แตกต่างกันเพื่อค้นหาผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันนั้นน่าสนใจเป็นพิเศษ “มันน่าตื่นเต้นมากที่ได้เห็นว่าเอกสารทั้งสองนี้ทำโดยแยกจากกันอย่างไร ให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกันจริงๆ” จอห์นสันกล่าว “มันเพิ่มการตรวจสอบอีกเล็กน้อยว่าสิ่งที่เราเห็นเป็นของจริง” ในขณะที่มีความหวังเกี่ยวกับอนาคตของ eDNA ในอากาศ จอห์นสันตั้งข้อสังเกตว่าจำเป็นต้องมีการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ก่อนที่เทคนิคที่ใช้ในสวนสัตว์จะสามารถนำมาใช้ในภาคสนามได้ การรวบรวม eDNA ในป่าทำให้เกิดตัวแปรใหม่ๆ และพื้นที่ปิด เช่น ถ้ำ อาจสะสมสารพันธุกรรมที่แตกต่างจากพื้นที่เปิด เช่น ทุ่งหญ้า “ขั้นตอนต่อไปคือการนำมันจากสวนสัตว์ไปสู่สภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและดูว่าเราจะพบอะไรที่นั่น
แคลร์และโบห์มันน์คาดการณ์ว่าการใช้ดีเอ็นเอในอากาศที่ดีที่สุดอย่างหนึ่งคือการวัดความหลากหลายทางชีวภาพในสถานที่ที่ยากต่อการเข้าถึง เช่น โพรงและถ้ำ Fabian Roger นักวิจัย eDNA ที่ ETH ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์ กระตือรือร้นที่จะดูว่างานนี้จะนำไปใช้กับการศึกษาแมลงได้อย่างไร “เรามีวิธีติดตามพวกมันน้อยมาก นอกจากจับและฆ่าพวกมัน” โรเจอร์ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานล่าสุดกล่าว การใช้ eDNA เพื่อตรวจจับชนิดของแมลงจากตัวอย่างอากาศแทนการดักจับแมลงจะทำให้การวิจัยกีฏวิทยาก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว เทคนิคนี้ยังสามารถบอกนักวิทยาศาสตร์ถึงการมีอยู่หรือการแพร่กระจายของสายพันธุ์ที่รุกรานได้ เช่นเดียวกับแคลร์และโบห์มันน์ โรเจอร์ไม่ได้มองว่า eDNA ในอากาศมาแทนที่วิธีการตรวจสอบแบบเดิม แต่เป็นเครื่องมืออื่นที่พวกเขาสามารถใช้ได้ “วิทยาศาสตร์ความหลากหลายทางชีวภาพเป็นสถานการณ์ที่ต้องลงมือทำด้วยตนเอง
ในสาขาที่เติบโตอย่างรวดเร็วพอๆ กับการวิจัย eDNA มีสิ่งที่ไม่เป็นที่รู้จักมากมาย แคลร์และโบห์มันน์ไม่แน่ใจว่า eDNA ที่จับได้จากอากาศจะสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับประชากรชนิดพันธุ์ หรือแม้แต่จำนวนสัตว์ทั้งหมดในสภาพแวดล้อมได้ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่า DNA จะสลายตัวได้เร็วแค่ไหนเมื่อมันหลุดออกมา หรือนานแค่ไหนที่สปีชีส์ต้องอยู่ในสิ่งแวดล้อมก่อนที่จะถูกตรวจพบผ่าน eDNA ในอากาศ แม้จะมีความท้าทายต่อหน้าพวกเขา ทั้ง Bohmann และ Clare ต่างก็มองโลกในแง่ดีว่า eDNA ในอากาศสามารถปฏิวัติการศึกษาความหลากหลายทางชีวภาพได้
แคลร์กล่าวว่า “นับจากนี้เป็นต้นไป ผู้คนอาจไปเก็บตัวกรองอากาศ และสามารถวินิจฉัยป่าได้” “ในระดับหนึ่ง มันคือนิยายวิทยาศาสตร์ แต่ตอนนี้ก็กลายเป็นข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ด้วย—และนั่นก็เยี่ยมมาก”
