Buzz
Mọi sinh linh lan tỏa một dấu vết vô hình trên cảnh quan của nó, dù đó là một con lửng lạc qua bãi cỏ, một cây sồi mọc trong rừng, hay một đại bàng trên cao. Lông, lông vũ, tế bào da, bào tử, phấn hoa—tất cả chúng đều chứa đựng thông tin gen di truyền mà bay xa vào một “canh” khí tượng đầy dữ liệu. Các nhà khoa học gọi thông tin này là DNA môi trường, hoặc eDNA, và nó quá mạnh mẽ đến nỗi vào tháng 1 năm 2022 các nhà nghiên cứu thông báo họ đã có thể xác định các loài trong hai sở thú chỉ bằng cách lấy mẫu eDNA trong không khí xung quanh.
James Allerton, một nhà khoa học về chất lượng không khí tại Viện Vật lý Quốc gia Anh, đọc về thí nghiệm đó và có một trong những ý tưởng đợi một chút. Viện này vận hành một số hệ thống giám sát chất lượng không khí, bao gồm mạng lưới kim loại nặng của Vương quốc Anh. Tại các trạm giám sát này, không khí đi qua bộ lọc, sau đó được phân tích để đo lường mức độ kim loại độc hại. “Ở NPL, chúng tôi không nghĩ rằng: Liệu có vật liệu DNA có thể thu được trên những bộ lọc này không?” Allerton nhớ lại. Tuy nhiên, ý tưởng quá hấp dẫn để bỏ qua. “Khi bạn đọc một báo cáo về những người đã thành công trong việc thu DNA động vật ra khỏi không khí—và ở đây chúng tôi đang làm đo lường hạt bụi—thì bạn hiểu ngay điểm mấu chốt.”
Đặc biệt, Allerton và đồng nghiệp Andrew Brown, chuyên gia chất lượng không khí tại NPL, tự hỏi liệu các công cụ của viện có vô tình tích tụ một lượng lớn eDNA theo dõi đa dạng sinh học địa phương. “Một số trong số chúng tôi ở Vương quốc Anh đã được thiết lập từ thập kỷ 1960 và 1970,” Brown nói về các trạm giám sát. “Vì vậy, họ đang hiệu quả là đang lấy mẫu cùng một cách mỗi ngày, mỗi tuần, mỗi tháng của mỗi năm trong một khoảng thời gian rất dài.”
Cả hai liên hệ với các nhà sinh học đứng sau nghiên cứu về sở thú—Joanne Littlefair của Đại học Queen Mary London và Elizabeth Clare của Đại học Toronto York—để hợp tác. Hôm nay trên tạp chí Current Biology, họ thông báo về những phát hiện đột phá của họ: Giữa một trạm giám sát chất lượng không khí ở Scotland và một trạm ở London, họ có thể phát hiện hơn 180 loại sinh vật qua eDNA. Điều này bao gồm một động vật đa dạng như nai, nhím, lửng, và kỳ đà; các loại cây bao gồm cây cỏ, cây cỏ, lúa, và các loại cây trồng khác; và 34 loài chim, bao gồm các loài hát, bồ câu và cú mèo nhỏ.
Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng các nhà khoa học khí tượng trên khắp thế giới đã vô tình thu thập dữ liệu gen có thể mang lại cái nhìn chưa từng có về hệ sinh thái đang thay đổi cho các nhà sinh học. Điều này sẽ là một nguồn thông tin lớn và cực kỳ quý giá. “Thậm chí là mẫu hàng tuần tại hàng nghìn và hàng nghìn địa điểm cũng là dữ liệu về đa dạng sinh học mà chúng tôi từng thấy,” Clare nói. “Trong khoa học về đa dạng sinh học, chúng tôi xem xét các điều tra hàng năm là dữ liệu độ phân giải cao. Vì vậy, ý tưởng rằng có các điều tra hàng tuần được thực hiện như vậy—về cơ bản là tự động—là điều mà tôi nghĩ chúng ta chưa bao giờ xem xét trước đây.”
Trong thực tế, Clare nói, các nhà khoa học chất lượng không khí cũng không xem xét điều đó. “Chúng tôi đã có nhiều cuộc trò chuyện như vậy với các nhà khoa học trong vài tuần qua và những người quản lý các mạng này,” Clare nói. “Khi chúng tôi nói: ‘Liệu bạn có nhận ra rằng nó cũng làm điều này không?’ Tất cả đều có một khoảnh khắc nhìn sốc. Và sau đó, họ nói, ‘Ồ, nhưng tất nhiên nó phải vậy.’ Điều này thực sự trở nên rõ ràng khi bạn được biết về nó, nhưng nó không rõ ràng, vì những người vận hành chúng không phải là nhà sinh học.”
eDNA trong không khí có thể trở thành một công cụ mạnh mẽ để bảo tồn loài, theo Craig Leisher, giám đốc theo dõi và đánh giá tại Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên, người không tham gia vào nghiên cứu mới. Ví dụ, nếu DNA của một loài xâm lấn bắt đầu lạc vào một khu vực được bảo vệ, các thiết bị khí tượng có thể cảnh báo các nhà bảo tồn về mối đe dọa. Những bộ giám sát như vậy sẽ đặc biệt mạnh mẽ trên các đảo, nơi rất dễ bị tổn thương bởi các loài xâm lấn, như chuột: Nếu một thiết bị cảm nhận mùi DNA của loài gặm nhấm, nó có thể ngay lập tức khích lệ các nhà bảo tồn hành động.
Điều này sẽ bổ sung cho các kỹ thuật khác nhau để theo dõi loài xâm lấn, như camera traps và cảm biến âm thanh, có những hạn chế riêng biệt. Một số loài không kích thích camera hoặc phát âm cho micro không—hãy nghĩ đến một loài côn trùng xâm lấn, ví dụ. “eDNA sẽ tạo thêm cơ hội để bắt kịp một số loài ẩn,” Leisher nói. “Nó có tiềm năng to lớn như một công cụ bổ sung.”
Và eDNA có thể giúp nhà sinh học xác định và theo dõi những sinh vật khó bắt gặp. Những người sinh học đã thử nghiệm eDNA lấy mẫu từ các nguồn nước và phát hiện các loài sống dưới nước mà họ không thể quan sát được vật lý—và một số có thể mới với khoa học.
Tuy nhiên, việc giải mã dữ liệu eDNA trong không khí thì khá phức tạp. Một điều là, không phải tất cả các loài sinh ra cùng lượng DNA. Một cây sồi lớn sẽ tạo ra nhiều phấn hơn một bông hoa dại, và nai đổ nhiều lông hơn so với chuột. “Chim, chúng đến một cách thoáng qua, nhưng chúng cũng rất nhiều cánh,” Littlefair, nhà sinh học tại Đại học Queen Mary London, nói. Có lẽ chúng đưa nhiều DNA vào không khí—và có thể thậm chí bay ngang qua bộ lấy mẫu. Ngược lại, cơ hội có thể không lớn cho việc phát hiện, ví dụ, một con giun. “Một số loài không xương sống nhỏ có thể phát ra ít DNA,” Littlefair nói, mặc dù “bạn có khả năng gió đưa phấn hoặc cặn trên đất và sau đó phân tán lại trong không khí.”
Hiện tại, thông tin eDNA trong không khí chỉ đăng ký liệu một loại DNA có được phát hiện hay không. Việc tính toán số lượng động vật hoặc thực vật của từng loài ở một khu vực nhất định, hoặc đăng ký chúng đã ở đó trong khoảng thời gian bao lâu, là khó khăn hơn. Điều này đòi hỏi nghiên cứu bổ sung, vì nó có thể cung cấp thông tin chi tiết hơn về các quần thể, gợi ý, ví dụ, rằng một loài đang đứng trước nguy cơ tăng nguy cơ nghiêm trọng hơn.
Nhà nghiên cứu sẽ có cơ hội tốt hơn để theo dõi xu hướng dài hạn nếu người vận hành các trạm lấy mẫu không khí có thể được thuyết phục để lưu giữ bộ lọc đã sử dụng và sau đó chuyển giao chúng cho các nhà sinh học. Nhưng trong số hàng nghìn trạm không khí trên toàn thế giới, một số người vận hành có thể không giữ bộ lọc của họ chút nào, trong khi người khác có thể lưu giữ chúng trong thập kỷ.
Người vận hành trạm ở Scotland—một cơ sở thuộc hệ thống theo dõi kim loại nặng của Vương quốc Anh—làm các mẫu liên tiếp trong vòng một tuần và phải giữ lại các bộ lọc trong khoảng một năm đến 18 tháng. Mặc dù DNA giảm giá trị theo thời gian, nhưng những nghiên cứu viên đã có được mẫu tốt từ bộ lọc đã cũ tám tháng. “Điều này khuyến khích chúng tôi một cách lớn để xem xét các mẫu cũ được lưu giữ, mà một số quốc gia giữ lại, có thể bảo quản dữ liệu lâu dài,” Clare nói. “Nếu ngay cả một số trong số đó vẫn khả dụng, thì nó có một kho tàng dữ liệu tiềm ẩn không ngờ.”
Nhóm nghiên cứu so sánh dữ liệu ở Scotland với các mẫu họ lấy từ một cơ sở của NPL gần Bushy Park ở London, một khu vực hoang dã rộng lớn là nhà của đàn hươu. Vì bộ lấy mẫu này không chính thức là một phần của hệ thống theo dõi, họ có thể biến đổi thời gian lấy mẫu ở London từ một giờ đến một ngày đến một tuần và xem xét một loạt các kích thước hạt rộng. Họ cũng thử ngay lập tức đông bộ lọc để cải thiện khả năng có DNA có thể phục hồi được. Kết quả cuối cùng tương tự như thí nghiệm lấy mẫu ở Scotland, gợi ý rằng các trạm theo dõi không khí tiêu chuẩn trên khắp thế giới đã sẵn sàng để có đọc chính xác về eDNA.
Đối với nhóm nghiên cứu, cuộc đua bây giờ là để thuyết phục những người vận hành các trạm không khí trên khắp mọi nơi ngừng vứt bỏ bộ lọc của họ. “Chúng tôi đang cố gắng, càng nhanh càng tốt, nâng cao cảnh báo rằng đây là một bộ dữ liệu đã bị mất trong, có lẽ, nhiều thập kỷ,” Clare nói. “Chúng tôi hy vọng rằng một số nó có thể khả dụng. Nhưng nếu không, hãy bắt đầu lưu giữ nó ngay bây giờ.”
