مطالعه eDNA محرک های بازسازی چشمگیر شبکه غذایی دریایی را نشان می دهد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک مطالعه جدید از آزمایشگاه دریایی پلیموث (PML) چندین دهه رکورد میکروسکوپ را با داده های DNA (eDNA) محیطی پیشرفته ترکیب کرده است تا عوامل یک تغییر عمده در پایه شبکه غذایی دریایی در آب های بریتانیا را کشف کند. این کار در مجله Communications Biology منتشر شده است.

محققان دریافتند که گرم شدن آب و هوا باعث کاهش در دسترس بودن مواد مغذی می‌شود و بر غذای موجود برای زئوپلانکتون‌ها تأثیر می‌گذارد و «برندگان» در این سناریو گونه‌هایی هستند که می‌توانند به طور مؤثری از ذرات بسیار کوچک تغذیه کرده و زنده بمانند.

از آنجایی که زئوپلانکتون ها شالوده زنجیره غذایی دریایی را تشکیل می دهند، تغییر در انتقال انرژی می تواند عواقب گسترده ای داشته باشد - باعث ایجاد یک اثر دومینویی می شود که بر جمعیت ماهی، اندازه ماهی و بهره وری ماهیگیری تأثیر می گذارد.

این اولین بار است - که از طریق شواهد 35 ساله در مجموعه داده های ترکیبی امکان پذیر شده است - که دانشمندان توانسته اند مکانیسم های دقیقی را که منجر به چنین تغییرات گسترده ای می شود، کشف کنند.

ریزجلبک‌ها که پلانکتون‌های گیاهی هستند - از جمله فیتوپلانکتون و میکسپلانکتون - فتوسنتز می‌کنند و بیش از 50 درصد اکسیژن زمین را تولید می‌کنند و در عین حال کربن را جذب و مسدود می‌کنند و آب و هوای جهانی را تنظیم می‌کنند.

زئوپلانکتون ها - پلانکتون های حیوانی - به همان اندازه حیاتی هستند. زئوپلانکتون‌ها که گاهی به عنوان «گاوهای دریا» توصیف می‌شوند، پلانکتون‌های گیاه‌مانند را می‌خورند و حلقه‌ای کلیدی در زنجیره غذایی هستند و کربن تثبیت‌شده توسط فتوسنتز را به غذای ضروری برای مصرف‌کنندگان بالاتر در زنجیره غذایی مانند ماهی تبدیل می‌کنند.

اما برای دهه‌ها، دانشمندان کاهش گسترده برخی از گروه‌های زئوپلانکتون‌های کلیدی، به‌ویژه غلاف‌های کوچک، را در بخش‌هایی از شمال شرقی اقیانوس اطلس مشاهده کرده‌اند.

علیرغم اینکه زئوپلانکتون‌ها موجودات کوچکی هستند، نقش بسیار زیادی در زنجیره غذایی دریایی ایفا می‌کنند که پیش‌بینی می‌شود کاهش آن‌ها به کاهش بسیار بزرگ‌تری در مصرف‌کنندگانشان - از ماهی گرفته تا پستانداران دریایی و پرندگان - افزایش یابد.

این منجر به تأثیر گسترده‌ای می‌شود که نه تنها توسط شبکه غذایی دریایی گسترده‌تر بلکه توسط انسان‌ها نیز احساس می‌شود و بر ذخایر ماهی‌های مهم تجاری – و جوامع و معیشت‌های وابسته به آن‌ها تأثیر می‌گذارد.

بنابراین درک اینکه چه چیزی باعث این تغییرات می شود به یک اولویت فوری تبدیل شده است، و دانشمندان PML را بر آن داشت تا به بیش از 35 سال داده - از دو منبع بسیار متفاوت - روی بیاورند تا پاسخ ها را آشکار کنند.

این تحقیق به رهبری دکتر کارن تایت از PML، رکوردهای 35 ساله میکروسکوپ زئوپلانکتون سنتی را با 11 سال داده‌های DNA محیطی (eDNA) از نمونه‌های آب دریا جمع‌آوری‌شده در سایت پایش L4 PML، تقریبا شش مایل دریایی (11 کیلومتر) در جنوب پلیموث، بریتانیا ترکیب کرد.

هر دو مجموعه داده از طریق مشاهدات بلند مدت خود PML به عنوان بخشی از رصدخانه کانال غربی تولید شده اند.

این مطالعه با عنوان "eDNA و میکروسکوپ ویژگی‌های زیربنای تغییرات درازمدت زئوپلانکتون را نشان می‌دهد" یکی از جامع‌ترین مقایسه‌های روش‌های پایش سنتی و مولکولی است که تاکنون انجام شده است.

Tait که در بیولوژی مولکولی و تجزیه و تحلیل eDNA متخصص است، با همکاران خود در سراسر PML کار کرد تا داده های میکروسکوپی را با داده های eDNA جمع آوری شده توسط PML در یک مجموعه داده موازی از سال 2012 ترکیب کند.

eDNA چیست؟ eDNA - که مخفف DNA محیطی است - به دانشمندان اجازه می دهد تا ارگانیسم ها را از طریق ردپایی از مواد ژنتیکی که از خود به جای می گذارند، مانند سلول های پوست، مواد مدفوع، مواد تولید مثل یا حتی بدن حیوانات کوچکتر، شناسایی کنند.

یافته‌ها تغییرات قابل‌توجهی را در ساختار جامعه پلانکتون‌ها تأیید می‌کنند و بینش‌های جدیدی در مورد مکانیسم‌های ایجاد این تغییرات ارائه می‌دهند، که نشان می‌دهد برندگان و بازندگان طولانی‌مدت را می‌توان تا حد زیادی با نحوه تغذیه آنها در پاسخ به کاهش دسترسی به مواد مغذی تشخیص داد.

نویسندگان ارتباط قابل توجهی بین سبک های تغذیه و بقا کشف کردند.

گونه‌هایی که در دهه‌های اخیر کاهش یافته‌اند، غلاف‌های تغذیه‌کننده معلق و سایر چرندگان همه‌چیزخوار هستند که به فیتوپلانکتون‌های نسبتا بزرگ متکی هستند. در مقابل، گونه‌هایی که به وفور افزایش می‌یابند، اغلب فیدرهای فیلتر خوبی هستند که قادر به بهره‌برداری از ذرات بسیار کوچک‌تر هستند.

این الگو منعکس کننده تغییرات بلندمدت در ایستگاه L4 است، جایی که کاهش در دسترس بودن مواد مغذی به نفع فیتوپلانکتون ها و میکسوپلانکتون های کوچکتر شده است.

در نتیجه، به نظر می‌رسد اکوسیستم در حال سازماندهی مجدد است – از اکوسیستمی تحت سلطه فیتوپلانکتون‌های بزرگتر و غلاف‌هایی که از آن‌ها تغذیه می‌کنند تا اکوسیستم تحت سلطه ریزجلبک‌های بسیار کوچک‌تر و مصرف‌کنندگانی که می‌توانند به طور موثری از چنین ذرات کوچکی بخورند و زنده بمانند.

Tait، اکولوژیست میکروبی در PML و نویسنده اصلی این مطالعه، در مورد اهمیت این بازسازی اظهار کرد: "یافته‌های ما نشان می‌دهد که تغییرات در کوچک‌ترین اجزای شبکه غذایی به سمت بالا می‌روند و بر رشد زئوپلانکتون‌ها تأثیر می‌گذارند. فیتوپلانکتون و کاهش عرضه مواد مغذی - ارگانیسم هایی که می توانند به طور موثر از ذرات بسیار کوچک تغذیه کنند.

پلانکتون‌ها اغلب به‌عنوان «نگهبان تغییر» توصیف می‌شوند – و به‌عنوان یک علامت هشدار اولیه برای ما در مورد چیزهای آینده عمل می‌کنند. این تغییرات عظیم منجر به تأثیر دومینو بر شبکه غذایی دریایی گسترده‌تر و در واقع ما به عنوان انسان می‌شود. این تغییر می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای داشته باشد: کاهش کیفیت غذای موجود برای زندگی دریایی، تأثیر بر میزان تغییر اندازه ماهی‌ها و حتی افزایش جمعیت ماهی‌ها و ماهی‌ها. اقیانوس عمیق."

این مطالعه به این نتیجه رسید که تغییرات آب و هوایی مسئول تغییر شرایط فیزیکی و شیمیایی اقیانوس ها از جمله در دسترس بودن مواد مغذی و طبقه بندی فصلی ستون آب است.

همانطور که ستون آب قوی تر می شود، مواد مغذی از آب های عمیق تر می توانند کمتر در دسترس فیتوپلانکتون های نزدیک به سطح قرار گیرند. این می‌تواند به نفع فیتوپلانکتون‌های کوچک‌تر باشد، که بهتر برای استفاده از مواد مغذی محدود موجود سازگار هستند و به نوبه خود غذای موجود را به زئوپلانکتون تغییر می‌دهند.

یکی از اهداف کلیدی این تحقیق همچنین آزمایش این بود که چگونه نظارت eDNA الگوهای شناسایی شده از طریق تجزیه و تحلیل میکروسکوپی مرسوم را منعکس می کند.

Tait نقاط قوت و ضعف هر دو روش را توضیح داد و اینکه چگونه این دو مجموعه داده می توانند "شکاف ها را پر کنند" و یکدیگر را تکمیل کنند.

میکروسکوپ سنتی برای ما به عنوان دانشمندان بسیار ارزشمند است؛ ما می‌توانیم انواع جوامع پلانکتون و تعداد آنها را نظارت کنیم و می‌توانیم این کار را در سرتاسر ستون آب، از سطح تا پایین تا کف دریا انجام دهیم.

"و از آنجایی که این یک روش تحقیق طولانی مدت است، سری زمانی طولانی مناسب برای مقیاس‌های زمانی مرتبط با آب و هوا را در اختیار ما قرار می‌دهد. تنها از طریق مجموعه داده‌های زئوپلانکتون 35 ساله PML توانسته‌ایم تنوع کوتاه‌مدت را از تغییرات واقعی اکولوژیکی تشخیص دهیم. از طریق این مجموعه داده‌ها، ما تغییرات عمیقی را در مولفه‌های افول پلانکتون‌ها و جوامع کلاسیک پلانکتون مشاهده کرده‌ایم. افزایش مروپلانکتون ها، که به طور گسترده تری در سراسر شمال شرقی اقیانوس اطلس منعکس شده است.

با این حال، میکروسکوپ از نظر ارائه جزئیات طبقه بندی به ما محدودیت هایی دارد - و این جایی است که داده های eDNA می تواند کمک کند.

این مطالعه نشان داد که بیشترین مزیت eDNA هنگام بررسی مروپلانکتون ظاهر شد.

مروپلانکتون ها مراحل جوانی بسیاری از جانوران دریایی هستند که بخش اول زندگی خود را به عنوان پلانکتون می گذرانند، در دریا پیش از تبدیل شدن به حیوانات بالغ مانند خرچنگ، خرچنگ، کرم، مرجان، اختاپوس یا ماهی – بر خلاف هولوپلانکتون ها، که در تمام چرخه زندگی خود پلانکتیک هستند.

مروپلانکتون ها اغلب در زیر میکروسکوپ به سختی شناسایی می شوند و در نتیجه، آنها اغلب در دسته های وسیعی دسته بندی می شوند. با این حال، با تجزیه و تحلیل توالی‌های DNA از آب دریا، محققان توانستند بسیاری از این موجودات را در سطوح طبقه‌بندی بسیار دقیق‌تر شناسایی کنند.

Tait توضیح می‌دهد: "داده‌های مولکولی طیف متنوعی از مروپلانکتون‌ها را نشان داد، از جمله کرم‌های چندشاخه‌ای، سرپیچ‌های دریایی، صدف‌ها، خارپشت‌های دریایی، ستاره‌های شکننده، کرم‌های نواری و دیگر بی‌مهرگان.

"eDNA وضوح طبقه بندی بالاتری را برای کنار هم گذاشتن پازل فراهم می کند - ما توانستیم بسیاری از گروه های مروپلانکتون را در طبقه، نظم، خانواده و حتی گاهی اوقات جنس شناسایی کنیم، که به ما امکان می دهد ببینیم کدام گروه های خاص در حال افزایش هستند، نه اینکه صرفا نتیجه بگیریم که "مروپلانکتون ها در حال افزایش هستند."

"در عین حال، eDNA محدودیت‌های خود را دارد - فقط اطلاعات توالی را اندازه‌گیری می‌کند - توالی‌های DNA را در آب تشخیص می‌دهد. می‌تواند به ما در مورد هویت و تنوع موجودات موجود بگوید - اما معادل شمارش ارگانیسم‌های فردی نیست، بنابراین ما همان مقدار اطلاعاتی را که در میکروسکوپ دریافت می‌کنیم در مورد تعداد جمعیت به دست نمی‌آوریم."

نویسندگان بیان می‌کنند که این تحقیق اهمیت حفظ مشاهدات طولانی‌مدت دریایی را در عین پذیرش فناوری‌های جدید نشان می‌دهد. Tait نتیجه گیری کرد: "آنچه در اینجا هیجان انگیز است این است که eDNA با نظارت سنتی رقابت نمی کند، بلکه آن را تقویت می کند. آنها با هم پایه بسیار قوی تری برای درک تغییرات به ما می دهند. اما پیامی که من می خواهم به خانه بروم این است که این فقط یک داستان در مورد eDNA و میکروسکوپ نیست. این داستانی است در مورد آنچه که NA به ما کمک کرد تغییرات اکوسیستم را درک کنیم و در نهایت به ما کمک کرد."

Angus Atkinson MBE، یکی از نویسندگان این مطالعه و رئیس رصدخانه کانال غربی، گفت: "ترکیب منحصر به فرد نمونه گیری هفتگی، تخصص طبقه بندی و پایش eDNA در رصدخانه وسترن کانال به ما این امکان را داده است که فراتر از مستندسازی تغییرات برویم و بفهمیم که چه چیزی باعث آن شده است.

"با استفاده از eDNA در کنار سری‌های زمانی طولانی سنتی، درهای جدیدی را به سوی این درک باز می‌کند. به عنوان مثال، eDNA برای اولین بار نشان داد که افزایش مروپلانکتون‌ها توسط ساکنان رسوبات نرم به جای گونه‌هایی مانند بارناکل‌ها و بریوزوآرهایی که به بسترهای سخت متصل می‌شوند، به وجود آمده است. افزایش می‌یابد و به شواهدی اضافه می‌کند که در عوض شاهد پیامدهای تأثیرات گسترده‌تر تغییرات آب و هوایی بر ستون آب هستیم.»

پنی لیندک، یکی از نویسندگان این مطالعه و رئیس گروه اکولوژی و جامعه دریایی در PML، گفت: "بیش از 30 سال است که Calanus helgolandicus یکی از گونه هایی بوده است که من از نزدیک با آنها کار کرده ام. زمانی یک غلاف مسلط و بسیار موفق در دریاهای محلی ما بود که اکنون به نظر می رسد که از کل تولیدات دریایی ما حمایت می کند. از دست دادن با سازماندهی مجدد جامعه پلانکتون باید زنگ خطری باشد.

آنچه ما شاهد آن هستیم صرفا تغییر در ترکیب گونه ها نیست، بلکه بازسازی شبکه غذایی دریایی در واکنش به تغییرات آب و هوایی است.

Karen Tait و همکاران، eDNA و میکروسکوپ صفات زیربنایی درازمدت تغییر جامعه زئوپلانکتون را نشان می‌دهند، Communications Biology (2026). DOI: 10.1038/s42003-026-10901-w

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →