終わりに 1980年代、フロリダ州ペンサコーラの連邦研究施設で、テイマー・バーカイは、当時想像もできなかった方法で革命的なことが証明された方法で泥を使用した。これは、現在多くの科学分野を揺るがしている技術の粗雑なバージョンである。バーカイ氏はいくつかの泥のサンプルを収集していた。XNUMX つは内陸の貯水池から、もう XNUMX つは汽水域のバイユーから、そして XNUMX 番目は低地にある塩水の湿地から採取した。彼女はこれらの堆積物サンプルを研究室のガラス瓶に入れ、水銀を加えて有毒な汚泥を生成しました。

当時、バーカイさんは環境保護庁で働いており、泥の中の微生物が産業汚染物質である水銀とどのように相互作用するかを知りたいと考えていました。 を 研究室のペトリ皿で正常に増殖できるごく一部の微生物だけではなく、特定の環境にある微生物を対象とします。しかし、根底にある疑問は非常に基本的なものであったため、生物学全体を動かす基本的な疑問の 1 つとして残っています。現在は引退しているバーカイは、コロラド州ボルダーでの最近のインタビューでこう語った。そして、同じくらい重要なこととして、「彼らはそこで何をしているのですか？」と付け加えました。

このような疑問は、生態学者、公衆衛生当局、保全生物学者、法医学者、進化論や古代の環境を研究する人々によって今日でも重要であり、靴革の疫学者や生物学者を世界の隅々まで駆り立てています。

1987 紙 Barkay とその同僚は、 微生物学的方法のジャーナル 方法の概要を説明した - 「環境 DNA の直接抽出」—研究者が国勢調査を行うことが可能になります。それは、かなり面倒ではあるものの、誰がそこにいるかを検出するための実用的なツールでした。バーケイはキャリアの残りの期間、それを使用しました。

今日、この研究は、生命の多様性と分布を観察するための比較的安価で広く普及し、潜在的に自動化された方法である eDNA (環境 DNA) の初期の一端として引用されています。たとえば単一の生物から DNA を識別できたこれまでの技術とは異なり、この方法では周囲の他の遺伝物質の渦巻く雲も収集します。近年、この分野は著しく成長しています。 「独自のジャーナルを持っています」とコペンハーゲン大学の進化遺伝学者エスケ・ウィラースレフ氏は言う。 「そこには独自の社会、科学社会がある。すっかり定着した分野になりました。」

eDNA は監視ツールとして機能し、研究者に一見検出不可能なものを検出する手段を提供します。水、土壌、氷床コア、綿棒、あるいは薄い空気を含む想像できるほぼあらゆる環境から、eDNA、または遺伝物質の混合物、つまり生命の設計図である DNA の断片をサンプリングすることで、現在では、以下のものを検索することが可能です。特定の生物を観察したり、特定の場所に存在するすべての生物のスナップショットを作成したりできます。 eDNA は、夜にビーチを横切る人を確認するためにカメラを設置する代わりに、砂の上の足跡からその情報を抽出します。 「私たちは皆、不安定ですよね？」カナダのグエルフ大学の生物学者ロバート・ハナー氏は言う。 「細胞の破片が常に剥がれ落ちています。」

何かの存在を確認する方法として、eDNA は確実ではありません。たとえば、eDNA で検出された生物は、サンプルが収集された場所に実際には生息していない可能性があります。ハナー教授は、通りすがりの鳥であるサギがサンショウウオを食べ、そのDNAの一部を排出した例を挙げた。これが、これまで物理的に発見されたことのない一部の地域に両生類のシグナルが存在する理由の1つである可能性がある。

それでも、eDNA には、環境中に脱落する遺伝子の痕跡を見つけ出すのに役立つ機能があり、人間を含む生物が日常業務を遂行する際に、スリリングで、場合によってはぞっとするような情報を収集する方法を提供します。

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概念的な eDNA（ED-NUHではなくEE-DEE-EN-AYと発音）の基礎は、いわゆる分子生物学の出現より20年前に遡り、初期に研究を行ったフランスの犯罪学者エドモン・ロカールによるものとされることが多い。 XNUMX世紀。一連の 論文 1929 年に出版されたロカールは、「すべての接触は痕跡を残す」という原則を提案しました。本質的に、eDNA は Locard の原則を 21 世紀にもたらします。

最初の数十年間、eDNA となった分野 (1980 年代の Barkay の研究も含む) は主に微生物の生命に焦点を当てていました。その進化を振り返ると、eDNA はことわざの泥沼から抜け出すのが遅かったように見えます。

この方法が実用化されたのは 2003 年になってからです。 消えた生態系。ウィラースレブ氏が主導した2003年の研究では、小さじXNUMX杯未満の堆積物から古代のDNAを抽出し、植物やケナガマンモスなどのより大きな生物をこの技術で検出できる可能性を初めて実証した。同じ研究で、ニュージーランドの洞窟で収集された堆積物（特に凍っていなかった）から、絶滅した鳥であるモアが明らかになりました。おそらく最も注目すべきことは、古代の DNA を研究するためのこれらの応用が、数十万年前に地面に落ちた膨大な量の糞に由来しているということです。

ウィラースレフ氏は数年前、最近の糞の山を熟考しているときに初めてこのアイデアを思いついた。コペンハーゲンでは、研究用の骨、遺骨、その他の物理的標本を入手するのに苦労しており、自分が行き詰まっていることに気づきました。しかし、ある秋、彼は窓の外で「路上でうんちをしている犬」を見つめた、と彼は思い出した。この光景を見て、彼は糞便中の DNA と、それがどのようにして雨で洗い流され、目に見える痕跡を残さなかったかについて考えるようになりました。しかし、ウィラースレフ氏はこう考えた。「『もしかして、DNAは生き残ることができるのだろうか？』それを私が調べようと設定したのです。」

この論文はDNAの驚くべき持続性を実証しており、DNAはこれまでの推定よりもはるかに長く環境中で生存する、と同氏は述べた。その後、ウィラースレフ氏は、2万年前に遡る現在のグリーンランドの凍ったツンドラのeDNAを分析し、12世紀に建設されたと考えられているカンボジアの巨大な寺院群、アンコール・ワットのサンプルの研究に取り組んでいる。 「これは想像できる限り最悪のDNA保存だろう」と彼は言う。 「つまり、蒸し暑いんです。」

しかし、「DNAを取り出すことはできる」と彼は言った。

一見無限に応用できる可能性のあるツールに注目しているのは、ウィラースレフ氏だけではありません。特に研究者が大量の遺伝情報の配列を決定し、分析できるようになった現在ではなおさらです。 「これは、非常に多くのことに開かれた窓です。そして、私が考えているよりもはるかに多くのことがあるはずです。」と彼は言いました。古代マンモスだけじゃなかったの？ eDNA は、私たちの中に隠れている現在の生物を明らかにする可能性があります。

科学者たちは、eDNA を使用して、あらゆる形や大きさの生物を追跡しています。それが単一種であっても、侵入藻類の微小片、ネス湖のウナギ、または 90 年近く見られなかった砂に住む視力のないモグラなどです。研究者らは、たとえば、野生の花の花に見られる eDNA や、訪れるすべての鳥やミツバチ、その他の動物の花粉媒介者の代理として風に吹かれている eDNA を調べることによって、群落全体をサンプリングします。

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次の eDNA の歴史における進化の飛躍は、現在地球の水生環境に生息する生物の探索を中心に形を成しました。 2008 年に、 見出しが出た: 「水は隠れた種の DNA 記憶を保持します。」この記事はスーパーマーケットのタブロイド紙ではなく、フランスの研究者ピエール・タベルレ氏とその同僚らの研究を紹介した評判の高い業界紙「ケミストリー・ワールド」からのものだった。同グループは茶色と緑色のウシガエルを探し出した。ウシガエルは体重が2ポンドを超えることもあり、行く手にあるものすべてをなぎ倒すため、西ヨーロッパでは外来種とみなされている。ウシガエルの発見には通常、熟練した爬虫両生類学者が双眼鏡で海岸線を調べ、日没後に戻ってウシガエルの鳴き声を聞く必要がありました。の 2008紙 は、もっと簡単な方法、つまり人員を大幅に削減して調査することを提案しました。

オーフス大学の生物学者フィリップ・トムセン氏（研究には関与していない）は、「その種のDNAを水から直接採取することは可能だ」と語った。 「そして、それが環境 DNA の分野を本格的にスタートさせたのです。」

カエルは検出が難しい場合があり、もちろん、従来のブーツオンザグラウンド検出を回避できる唯一の種というわけではありません。トムセンは、測定を混乱させることで悪名高い別の生物の研究を開始しました。 魚。魚を数えるのは、なんとなく木を数えるのに似ていると言われることもありますが、魚が暗い場所を自由に歩き回っていて、魚計数担当者が目隠しをして数を数えている点が異なります。環境DNAは目隠しを外しました。 1つ レビュー この技術に関する出版された文献のうち、不完全で不正確な検出や存在量の詳細などの注意事項はあったものの、淡水魚、海水魚、両生類に関する eDNA 研究の数が陸生の魚類および両生類の数を 7 対 1 で上回っていることがわかりました。

2011 年、当時博士号を取得していたトムセンは、ウィラースレブの研究室の候補者が、 紙 この方法で検出できることを実証しました 珍しい 両生類、カワウソなどの哺乳類、甲殻類、トンボなど、ヨーロッパでは生息数が少ない絶滅危惧種も含まれます。 「私たちは、ショットグラス一杯の水だけでこれらの微生物を検出できることを示しました」と彼は語った。 Undark。それは明らかでした。この方法は、種の検出と監視のための保全生物学に直接応用できました。

2012 年に分子生態学誌が出版しました。 eDNA特集号Taberletと数人の同僚は、環境サンプルから単離されたDNAとしてのeDNAの実用的な定義を概説した。この方法では、類似しているがわずかに異なる 2 つのアプローチが説明されています。1 つは、「はい」か「いいえ」で答える質問です。「ウシガエル (またはその他) は存在しますか?」という質問です。これは、プライマーと呼ばれる、種または科に特有の DNA の短い配列である比喩的なバーコードをスキャンすることによって行われます。チェックアウト スキャナーは、定量的リアルタイム ポリメラーゼ連鎖反応 (qPCR) と呼ばれる一般的な技術です。

一般に DNA メタバーコーディングとして知られる別のアプローチは、基本的に、特定のサンプル中に存在する生物のリストを吐き出します。 「ここには何があるの？という質問のようなものです。」トムセン氏は語った。 「そして、既知のことはすべて得られますが、いくつかの驚きも得られますよね？なぜなら、実際に存在することを知らなかった種がいくつかあったからです。」

干し草の山から針を見つけることを目的としています。もう1つは干し草の山全体を明らかにしようとします。 eDNA は、魚などの生物を捕獲し、操作し、ストレスを与え、場合によっては殺してしまう、より伝統的なサンプリング手法とは異なります。得られたデータは客観的です。それは標準化されており、公平です。

「eDNAは、いずれにせよ、生物科学における重要な方法論の1つであり続けるだろう」と、メタバーコーディングアプローチの先駆者であるグエルフ大学の分子生物学者、メヘルダド・ハジバベイ氏は述べた。 追跡された ラブラドル海の下約9,800フィートで魚を釣りましょう。 「毎日、自分では思いつかなかった何かが湧き出てくるのを目にします。」

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近年では eDNAの分野は拡大しました。この方法の高感度により、研究者は、たとえば空中から eDNA を捕捉するなど、これまで手の届かなかった環境でもサンプリングできるようになります。このアプローチは、eDNA の可能性とその潜在的な落とし穴を浮き彫りにします。空気中に浮遊する eDNA は地球上の塵埃帯上を循環しているようであり、その豊富さと遍在性を示唆しており、植物や陸生動物を監視するためにフィルタリングおよび分析できる可能性があります。しかし、風に吹かれて eDNA が不注意で汚染される可能性があります。

2019年、例えばトムセン氏はこう言った。 超純水のボトルが2本残った 屋外で、1 つは草原に、もう 1 つは港の近くにあります。数時間後、水には鳥やニシンに関連する検出可能な eDNA が含まれており、非陸生種の痕跡がサンプルに定着したことを示唆しています。微生物は明らかにボトルに生息していませんでした。 「だから、それは空から来たに違いない」とトムセン氏はアンダークに語った。この結果は 2 つの問題を示唆しています。1 つは、痕跡の証拠が移動する可能性があり、接触した 2 つの生物がもう一方の DNA を持ち歩く可能性があり、特定の DNA が存在するからといって、その種が実際に存在するとは限らないことです。 。

さらに、eDNAの存在がその種が生きていることを示すという保証はなく、種の繁殖の成功や健康状態、生息地の状態を理解するには現地調査が依然として必要であると同氏は述べた。これまでのところ、eDNA は必ずしも物理的な観察や収集に取って代わるものではありません。トムセン氏のグループが収集した別の研究では、 エドナ 受粉鳥を探すために花を調べたところ、論文で報告された eDNA の半分以上が人間由来であり、汚染により結果が濁り、問題の花粉媒介者の検出が困難になる可能性がありました。

同様に、2023年XNUMX月、以前にウミガメが海岸を這う際に残されたeDNA痕跡によってウミガメを研究したフロリダ大学のチームが、 公表 人間のDNAが判明した論文。サンプルは、いつか個人を特定するために使用される可能性のある重要な突然変異を検出するのに十分なほど無傷であり、生物学的監視が人間に対する倫理検査とインフォームドコンセントに関する未回答の疑問も引き起こしたことを示唆しています。もし eDNA が地引網の役割を果たしたとしたら、それは生物多様性に関する情報を無差別に収集し、大学チームの論文が述べているように、必然的に「人類の遺伝的混獲」に至ることになる。

砂の上の足跡に関するプライバシー問題は、これまでのところほとんどが仮説の領域にあるように見えますが、野生動物に関連する訴訟における eDNA の使用は可能であるだけでなく、すでに現実のものです。犯罪捜査にも使用されている：たとえば、2021年に中国の研究者グループが 報告 殺人犯の容疑者のズボンから収集されたeDNAは、彼の主張に反して、彼が死体が発見された泥だらけの運河に行っていた可能性が高いことを明らかにした。

オフターゲット eDNA に関する懸念は、精度と人間の医学および法医学への影響という点で、さらに広範な別の欠点を浮き彫りにしています。グエルフ大学のハンナー氏は、この問題について次のように述べています。「私たちの規制の枠組みと政策は、科学より少なくとも10年以上遅れをとっている傾向があります。」

今日では、数え切れないほどの 潜在的な規制用途 これには、水質モニタリング、環境への影響の評価（洋上風力発電所、石油・ガス掘削からありふれたストリップモール開発までを含む）、種の管理、絶滅危惧種法の施行などが含まれます。で 民事訴訟 2021年に提出されたこの報告書では、米国魚類野生生物局は、eDNAとより伝統的なサンプリングを使用して、特定の流域に危機に瀕した魚が存在するかどうかを評価し、存在しないことが判明した。裁判所は、この流域に対する当局の保護の欠如は正当であると述べた。問題はeDNAが法廷で立ち上がったかどうかではないようだ。そうでした。 「しかし、環境に何かが存在しないとは実際には言えません」とハジババイ氏は言う。

彼は最近 強調されました 検証の問題: eDNA は結果を推測しますが、これらの結果が実際に真実であること (生物が実際に存在するか存在しないか、または特定の量であるか) を確認するには、より確立された基準が必要です。あ 一連の特別会議 科学者たちは標準化の問題に対処するために取り組んでおり、それにはプロトコル、保管管理、データ生成と分析の基準が含まれると同氏は述べた。で レビュー Hajibabaei らは、eDNA 研究の分野では、eDNA 解析が機能することを証明しようとする 1 回限りの研究や概念実証研究で飽和していることを発見しました。学界における研究は依然として圧倒的にサイロ化されています。

そのため、応用的な文脈で eDNA を使用したいと考えている専門家は、月を求めることがあります。その種は特定の場所に存在しますか?たとえば、ハジバベイ氏は、最近誰かが彼に、寄生虫の存在を完全に否定して、養殖場に寄生虫が出現していないことを証明できるかどうか尋ねたと語った。 「そして私はこう言います、『ほら、それが100パーセントだと言えるわけがない』。」

同氏によると、たとえ厳密な分析枠組みがあっても、偽陰性と偽陽性の問題は、eDNAによって回避されることの1つ、つまり従来の収集と手作業による検査を行わずに解決するのは特に難しいという。制限があるにもかかわらず、いくつかの企業がすでにこの技術の商業化を始めています。たとえば、将来のアプリケーションは、企業が建設中の橋が地元で絶滅の危機に瀕している動物に害を及ぼすかどうかを確認するのに役立つ可能性がありますか?水産養殖会社は、魚を養殖している水域にフナムシが蔓延しているかどうかを判断しますか？あるいは、新しい植栽がより広範囲の在来ミツバチを引き寄せているかどうかに興味を持っている地主。

eDNAは、検出不可能なものを検出する間接的な方法として、あるいは網を浸して海中のすべての生物を捕獲することが単純に不可能な場合の回避策としての評判を考えると、この問題はむしろ根本的なものである。

「これらのシナリオの一部を検証するのは非常に困難です」とハジバベイ氏は語った。 「そしてそれが基本的にこの獣の性質なのです。」

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エドナ これは多くの可能性をもたらし、Barkay (そして間違いなく他の多くの) によって最初に提起された質問、「そこにいるのは誰ですか?」に答えます。しかし、ますます「彼らはそこで何をしているのか?」を解明するヒントを提供するようになってきています。質問も。トロントのヨーク大学の生物学教授エリザベス クレアは生物多様性を研究しています。彼女は、コウモリが日中同じ場所をねぐらとしているのを観察しているが、空中のeDNAを収集することで、コウモリが夜間にどこで社交しているかを推測することもできると述べた。別のところで 研究、飼いならされた犬のeDNAがアカギツネの糞尿から発見された。この2匹のイヌ科動物は交雑しているようには見えなかったが、研究者らは、最終的には別の説明に落ち着く前に、2匹の近さが混乱や相互汚染を招いたのではないかと疑問を抱いた。つまり、キツネが犬の糞を食べたらしいというものだった。

したがって、eDNA は本質的に動物の行動を明らかにするものではありませんが、一部の説明によると、この分野は、特定の環境で生物が何をしているのか、他の種とどのように相互作用しているのかについての手がかりを提供する方向で前進しており、直接観察することなく健康に関する情報を収集しています。行動。

別の可能性として、大規模な生体モニタリングを考えてみましょう。実際、過去19年間で、これまで以上に多くの人が、すでに始まっている大胆な実験に参加している。この大胆な実験は、公共下水道から環境サンプルを収集して、新型コロナウイルスの粒子や人間に感染する他の微生物を追跡するというものだ。技術的には、廃水サンプリングには eRNA と呼ばれる関連アプローチが含まれます。これは、一部のウイルスは DNA ではなく RNA の形でのみ遺伝情報を保存しているためです。それでも、同じ原則が適用されます。 （研究では、生物がどのタンパク質を発現しているかを決定する RNA を生態系の健全性の評価に使用できる可能性も示唆しています。健康な生物は、ストレスを受けている生物と比べてまったく異なるタンパク質を発現する可能性があります。） 病気の蔓延を監視することに加えて、廃水は監視は、あることを行うために設計された既存のインフラストラクチャ (下水道は廃棄物を収集するように設計されている) が、どのようにして別のことを研究するための強力なツールに仕立てられるかを示しています。 病原体の検出.

クレアにはまさにそれをする習慣があります。 「私自身、ツールを意図したとおりに使用しない傾向にある人間の 1,000 人です」と彼女は言いました。クレア氏は、研究のギャップに気づいた研究者の一人でした。陸生生物に対して行われた eDNA 研究がはるかに少なかったということです。そこで彼女は、哺乳類から血を吸う虫という、いわゆる天然フィルターの研究を始めました。 「ヒルをXNUMX匹集めるのは、動物を見つけるよりずっと簡単です。しかし、彼らの体内には血の食事があり、その血液には彼らが接触した動物のDNAが含まれています」と彼女は語った。 「それは、大勢の現場アシスタントが測量に出かけてくれるようなものです。」すると、彼女の生徒の一人が、さらに採集しやすいフンコロガシについても同じことを考えました。

クレア氏は現在、別の継続監視システムの新しいアプリケーションの先頭に立って取り組んでいます。これは、微小粒子状物質などの汚染物質を測定すると同時に空から eDNA を吸い出す既存の大気質モニターを活用するものです。 2023 年後半、彼女は少量のサンプル セットしか持っていませんでしたが、日常的な大気質モニタリングの副産物として、これらの既存のツールが彼女が求めている物質のフィルターとしても機能することをすでに発見していました。それは、多かれ少なかれ、長期間にわたって非常に一貫した方法でサンプルを収集する、規制された大陸横断ネットワークでした。 「その後、これを使用して大陸全体の時系列データと高解像度データを構築できるようになります」と彼女は言いました。

クレア氏によると、英国だけでも推定 150 の異なるサイトがあるという 既知の量の空気を吸い込む毎週、一年中、年間約 8,000 回の測定に相当します。クレアとその共著者らは最近、これらのごく一部（17 か所からの 180 の測定値）を分析し、80 以上の異なる分類群、26 種類以上の植物と菌類、34 種類の哺乳類、35 種を特定することができました。さまざまな種類の鳥に加えて、少なくとも XNUMX 種類の昆虫がいます。

確かに、長期的な生態学研究拠点は他にも存在します。米国にはそのような施設のネットワークがあります。しかし、彼らの研究範囲には、渡り鳥の頭上通過や気候変動による種の拡大や縮小など、生物多様性を継続的に測定する地球規模に分散したインフラは含まれていない。おそらく、eDNA は、eBird や iNaturalist などの Web サイトでリアルタイム、高解像度、時空間観察を記録する人々の分散ネットワークに取って代わるのではなく、補完するものとなるでしょう。まったく新しい銀河が視界に入ってくるぼやけた画像のように、現在の解像度は低いままです。

「これは一種の一般化された収集システムであり、生物多様性科学ではほとんど前例のないことです」とクレア氏は言う。彼女は、何もないところから eDNA 信号を引き出す能力について言及していましたが、その感情はこの方法全体を物語っていました。「完璧ではありませんが、実際にそれを行うものは他にありません。」と彼女は言いました。

この記事は、最初に公開された Undark。 読む 原著.

画像のクレジット： アンダーク + ダルイー

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• 情報源： https://singularityhub.com/2024/04/02/environmental-dna-is-everywhere-scientists-are-gathering-it-all/