Исследование доказывает: количество ДНК в морской воде коррелирует с весом выловленной рыбы
Человечество стало на шаг ближе к ответу на один из древнейших вопросов — «сколько рыбы в море?» — благодаря новому доказательству: количество рыбьей ДНК, собранной в пробе воды, тесно соответствует килограммам рыбы, выловленной траловым сетями.
В прорывном исследовании учёные сообщают, что фрагменты ДНК, обнаруженные в небольших пробах воды, раскрывают относительную биомассу рыбы в море примерно так же хорошо, как «золотой стандарт» — траловые съёмки, проводимые правительством штата США.
Исследователи отбирали пробы морской воды во время траловых съёмок правительства Нью-Джерси и анализировали воду на наличие ДНК рыб. Анализ воды позволил определить относительную численность рыб с 70% совпадением результатов между двумя методами отбора проб. Помимо высокой степени согласованности, исследование показало, что каждый метод давал информацию, упущенную другим.
Хотя экологическая ДНК (environmental DNA, eDNA) уже доказала свою надёжность для определения разнообразия рыб в акватории, новое исследование впервые показало, что фрагменты eDNA в морской воде также раскрывают относительную численность видов, проплывающих через неё.
Опубликованная в престижном ICES Journal of Marine Science, статья подтверждает «ловлю ДНК» как недорогой, безвредный дополнительный метод к сетям, акустическим и другим устоявшимся способам мониторинга состояния рыбных запасов и/или изменений в разнообразии, распределении и численности водных организмов.
В статье, подготовленной в сотрудничестве Университета Рокфеллера, Университета Монмута и Бюро морского рыболовства Нью-Джерси, говорится, что информация о разнообразии и относительной численности рыб, доступная в одном литре пробы, сопоставима с тралением 66 миллионов литров воды — объёма, достаточного, чтобы заполнить футбольный стадион до верха ворот.
Во время четырёх рейсов Нью-Джерсийского океанического тралового обследования в 2019 году на исследовательском судне Sea Wolf учёные под руководством доктора Марка Стокла, старшего научного сотрудника Программы по окружающей среде человека Университета Рокфеллера, отбирали литровые пробы воды с различных глубин непосредственно перед спуском траловых сетей.
Это открытие имеет глубокие последствия для совершенствования глобального управления рыболовством и уже привело к первым предложениям о проведении «Великого американского учёта рыб» в реках и прибрежных водах с участием миллионов гражданских учёных, по аналогии с рождественскими учётами птиц Audubon.
Рыбы и другие организмы «теряют» ДНК, как перхоть, объясняет доктор Стокл, оставляя невидимый след везде, где они плавают. Эта экологическая ДНК может быть в клетках кожи, экскрементах, моче, икре и других биологических остатках, которые сохраняются в океане несколько дней.
Один год отбора проб eDNA, прямые затраты: $12 000
Процесс работы с eDNA прост и чрезвычайно дёшев по сравнению с традиционными методами мониторинга морской жизни, которые требуют судов с большими экипажами и ручного подсчёта.
Соавтор Закари Чарлоп-Пауэрс из Университета Рокфеллера, ведущий разработчик программного обеспечения, использованного в анализе ДНК, объясняет, что тестирование eDNA включает сбор и фильтрацию пробы воды, выделение и секвенирование ДНК в лаборатории, а затем сопоставление результатов с онлайн-справочной библиотекой ДНК.
«Биоинформатические инструменты, использованные командой, — это те же самые конвейеры анализа «штрихкодов», которые обычно используются микробиологами, но были адаптированы для изучения морских позвоночных».
Он также отмечает, что год отбора проб и выделения ДНК потребовал вложений всего в $12 000, без учёта зарплат.
«Применение экологической ДНК в морской сфере огромно», — говорит доктор Стокл, врач по образованию (Гарвард), который помог пионерскому внедрению ДНК-«штрихкодирования» — идентификации видов по небольшому участку последовательности ДНК животного.
«eDNA предлагает недорогой способ, например, контролировать эффективность морской охраняемой территории или оценивать успешность восстановления кораллового рифа. Это может выявить экологические последствия морской промышленной деятельности, включая оффшорные ветряные электростанции, нефтегазовые платформы, а также коммерческое и любительское рыболовство».
Доктор Стокл добавляет: Если представить траление как полное медицинское КТ- или МРТ-сканирование, то eDNA можно сравнить с карманным УЗИ — его можно носить с собой и использовать где угодно в больнице, без затрат времени и средств на организацию полномасштабного обследования. И eDNA-обследования будут становиться лучше и информативнее с каждым годом по мере совершенствования методики и роста библиотек референсных последовательностей ДНК.
Соавтор доктор Джейсон Адольф, именной адъюнкт-профессор морских наук Университета Монмута, говорит: «eDNA также можно использовать для идентификации жизни в регионах океана, труднодоступных для траления, например, в очень каменистых районах или местах, слишком глубоких или слишком мелких».
Соавтор из Монмута доктор Кит Дж. Дантон, эксперт по исчезающим видам рыб, отмечает, что результаты обнадёживают как для обычных, так и для редких видов рыб.
«eDNA вместе с другими технологиями, такими как акустическая телеметрия, предлагает чувствительный, неэкстрактивный способ мониторинга сокращения и восстановления редких, угрожаемых и исчезающих видов, — говорит он. — Нам не нужно подвергать их стрессу от поимки, чтобы знать, что они там есть».
Траловые съёмки, основной инструмент мониторинга популяций рыб, имеют тщательно установленные протоколы и дают богатую информацию, но они дороги, трудоёмки и требуют специального оборудования и экспертов по идентификации рыб. Из-за необходимого размера экипажа такие траления недавно были ограничены из-за COVID-19.
Обследования Нью-Джерси каждый сезон включают развёртывание донного трала, аналогичного используемому в коммерческом рыболовстве, за судном по заданной схеме. Улов в сетях вытаскивают и сортируют на столах, где записывают вес каждого определённого вида. От 30 до 40 тралений проводят примерно каждые три месяца.
Для сравнения траловой съёмки со съёмкой eDNA литровые пробы воды отбирали у поверхности и на глубине до проведения тралений. Однако пробы брали только перед каждым четвёртым тралением. При анализе данных двух съёмок eDNA-обследование обнаружило большинство тех же видов рыб, а также виды, не попавшие в трал. И сделало это при четверти отобранных проб и доле затраченных усилий.
В статье говорится, что большинство (от 70% до 87%) видов, обнаруженных тралом в данном месяце, также были обнаружены с помощью eDNA, и наоборот, включая почти все (от 92% до 100%) многочисленные виды. И наоборот, большинство «выпавших» видов были относительно редкими таксонами.
Пиковая сезонная численность по данным трала и eDNA совпала примерно для 70% видов рыб.
В других сравнениях ежемесячные «прочтения» видов по eDNA коррелировали с ежемесячным весом, или биомассой, этого вида, полученной в трале.
Отчёт по eDNA «в значительной степени согласовывался с ежемесячными траловыми оценками видового богатства, состава, сезонности и относительной численности морских рыб», — говорится в статье.
«Важно понимать, что результаты обоих методов верны и дополняют друг друга», — отметил Стокл. — Они фиксируют много перекрывающейся, согласованной информации, а также некоторую информацию, уникальную для каждого метода».
Грегори Хинкс из Департамента охраны окружающей среды Нью-Джерси, соавтор статьи вместе со своей коллегой из Бюро морского рыболовства Стейси М. ВанМортер, добавляет: «Во времена, подобные COVID, когда небезопасно проводить обследования с большими экипажами, метод eDNA может позволить нам сохранить преемственность в наших съёмках. В любом случае, добавление eDNA к существующему обследованию может в конечном итоге предоставить доступный способ улучшить оценку запасов морской рыбы».
В новой статье изложены направления дальнейших исследований, такие как лучшая калибровка «прочтений» eDNA к массе тела рыбы (например, сколько ДНК теряют 1000 анчоусов весом 1 кг по сравнению с морским окунем весом 1 кг?) и как учитывать прочтения eDNA, которые могут быть результатом травмы из-за нападения хищника.
Поскольку сбор воды для eDNA происходит так быстро и легко, исследовательские или океанографические суда, а также коммерческие и рекреационные суда могут собирать пробы во время перемещения. Даже дроны можно использовать для сбора проб воды.
И с пользой от дополнительных исследований в морских и пресных водах оценки численности животных с использованием eDNA будут продолжать улучшаться, как и банки данных референсной ДНК, позволяющие надёжно идентифицировать водные виды.
eDNA открывает путь к обследованиям беспрецедентной ценности, качества и доступности, говорит Джесси Аусубель, директор Программы по окружающей среде человека Университета Рокфеллера, который разработал и помог курировать первую международную Перепись морской жизни (2000-2010 гг.) — десятилетнее сотрудничество около 2700 учёных из 80 стран.
«eDNA делает океан морем биологической информации, — говорит он. — В США мы могли бы организовать Великий американский учёт рыб, в котором миллионы гражданских учёных могли бы собирать воду для тестирования eDNA по всем нашим водам. В глобальном масштабе начинающееся Десятилетие наук об океане ООН могло бы включить Великую глобальную перепись рыб, отбирая пробы от морского дна до поверхности и от побережья до открытого океана в течение одного дня или недели».
Тони Макдональд, директор Института городского побережья Университета Монмута, говорит: «Наш институт и учёные были рады поддержать эту инновационную работу, одно из нескольких партнёрств в последние годы между UCI и Программой по окружающей среде человека Университета Рокфеллера».
«Мы надеемся на возможность продолжить и расширить наше сотрудничество с Департаментом охраны окружающей среды Нью-Джерси (Морское рыболовство) и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) в будущих траловых съёмках для дальнейшего продвижения исследований eDNA».
Комментирует Тим Галлаудет, доктор философии, контр-адмирал ВМС США (в отставке), помощник министра торговли по океанам и атмосфере и заместитель администратора NOAA: «NOAA быстро продвигает «омиксные» технологии, включая eDNA, чтобы улучшить нашу способность контролировать и понимать биологические сообщества в наших океанах и Великих озёрах».
«Важные области применения включают мониторинг исчезающих и инвазивных видов, оценку биоразнообразия для здоровья экосистем, отслеживание патогенов в аквакультуре и дополнение рыболовных съёмок».
«С помощью Стратегии NOAA в области «омиксных» технологий и нашего предстоящего плана реализации мы определили цели и конкретные шаги по интеграции современных «омиксных» технологий для выполнения нашей миссии. Сотрудничество с Университетом Рокфеллера и другими партнёрами позволит нам расширить и продвинуть исследования в области «омиксных» технологий и eDNA в прямую поддержку Американской голубой экономики».
Потенциальные области применения морской eDNA включают:
Исследование: обнаружение видов, ранее неизвестных в определённых ареалах.
Обнаружение редких видов и других, неизвестных науке (или отсутствующих в геномных базах данных).
Отбор проб в удалённых, труднодоступных и интересных местах.
Оценка размера рыбных запасов.
Определение ареала морских животных.
Определение влияния создания охраняемых районов на популяции рыб и других морских животных и других форм экологического восстановления.
Мониторинг влияния на аборигенные виды операций рыбоводства, оффшорных нефтегазовых операций или ветряных электростанций.
Определение последствий искусственных рифов, сильных штормов и других нарушений морских экосистем, включая вредоносное цветение водорослей.
Мониторинг уязвимых, угрожаемых или исчезающих видов, инвазивных видов или присутствия видов, опасных для купальщиков.
Оценка воздействия изменчивости климата.
Картирование разнообразия, распределения, миграции и численности морских животных, включая инвазивные виды и виды, популярные у спортивных рыболовов.