يُحدث الحمض النووي البيئي (eDNA) ثورةً في كيفية دراستنا للنظم البيئية البحرية . فبفضل هذه التقنية، أصبح من الممكن الآن معرفة الأنواع التي مرت بمنطقة ما دون رؤيتها أو اصطيادها. ببساطة، يتم أخذ عينة من الماء، واستخلاص المادة الوراثية الموجودة فيها، وتحليلها باستخدام أدوات جزيئية عالية الدقة.
في حالة المحيطات، أصبح الحمض النووي البيئي أداةً رئيسيةً لرصد الحيتانيات والكائنات البحرية الأخرى ، لا سيما في المناطق الشاسعة التي يصعب أخذ عينات منها باستخدام الطرق التقليدية. ومن الحملات الدولية الكبرى إلى المختبرات المتخصصة في التنوع البيولوجي المائي، يعتمد عدد متزايد من المشاريع على هذه التقنية لتحسين حفظ البيئة البحرية وإدارتها.
ما هو الحمض النووي البيئي وكيف يتم الحصول عليه من البحر؟
عندما نتحدث عن الحمض النووي البيئي (eDNA)، فإننا نشير إلى الحمض النووي الذي تتركه الكائنات الحية في البيئة من خلال خلايا الجلد، والبراز، والأغشية المخاطية، وبقايا الأنسجة، والقشور، أو حتى الشظايا المجهرية التي تتساقط أثناء السباحة. تبقى هذه المادة الوراثية في الماء أو التربة أو الهواء لفترة من الزمن، ويمكن جمعها إذا تم أخذ عينات منها بشكل صحيح.
في النظم البيئية البحرية، يتكون الإجراء الأكثر شيوعًا من اجمع عدة لترات من مياه البحر وقم بتصفيتها لاحتجاز جميع تلك الجسيمات البيولوجية. تُحتجز الكائنات الدقيقة مثل البكتيريا والعوالق النباتية في المرشحات، ولكن أيضًا كميات ضئيلة من الكائنات الدقيقة الأخرى. de pecesالحيتانيات وغيرها من الفقاريات البحرية التي يصعب اكتشاف وجودها بالعين المجردة وحدها.
بعد وضع المادة على المرشح، يُستخلص الحمض النووي في المختبر ويُضخّم باستخدام تقنيات البيولوجيا الجزيئية ، مثل تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) والترميز الجيني. ثم يُخضع للتسلسل ويُقارن بقواعد البيانات المرجعية لتحديد النوع الذي ينتمي إليه كل جزء.
لهذا النهج نتيجة رئيسية: جودة قواعد البيانات الجينية ونطاقها هما ما يحددان الأنواع التي يمكن رصدها . فإذا لم يُسجل تسلسل نوع ما في هذه القواعد، فلن يظهر هذا النوع في النتائج، حتى لو كان موجودًا بالفعل في النظام البيئي الذي تم أخذ العينات منه.
علاوة على ذلك، يتميز الحمض النووي البيئي بخصائص فريدة عند تفسيره: فوجود الحمض النووي لنوع معين في عينة لا يعني بالضرورة وجود الحيوان في ذلك الموقع تحديدًا في تلك اللحظة . إذ يمكن للتيارات المحيطية أن تنقل المادة الوراثية، وقد يحدث تلوث متبادل، أو حتى آثار فرائس في محتويات معدة المفترسات. لذا، من الضروري تحليل بيانات الحمض النووي البيئي في سياقها المحيطي والبيئي.
مزايا الحمض النووي البيئي مقارنة بطرق أخذ العينات التقليدية
لقد اكتسب تحليل الحمض النووي البيئي مكانة في مجموعة أدوات علم البيئة البحرية لأنه يوفر مزايا واضحة للغاية مقارنة بطرق أخذ العينات الكلاسيكية ، مثل الصيد بشباك الجر، أو الإحصاءات البصرية، أو الصيد المباشر للكائنات الحية.
من أهم مزايا هذه الطريقة أنها غير جراحية . فلا حاجة إلى صيد الكائنات الحية أو التلاعب بها أو إلحاق الضرر بها لمعرفة وجودها أو وجودها سابقًا. وهذا أمر بالغ الأهمية عند العمل مع الأنواع المحمية أو المهددة بالانقراض، أو مع الحيوانات الكبيرة كالحيتان.
يُضفي الحمض النووي البيئي مزيدًا من الموضوعية على تحديد الأنواع . فبينما تعتمد الطرق البصرية بشكل كبير على خبرة وتدريب الباحثين، يعتمد تصنيف التسلسلات الجينية للأنواع على مقارنتها بقواعد البيانات الجينية. ورغم أن هذه القواعد لا تزال تتوسع وتتحسن، إلا أن هذه العملية تُقلل من التحيزات المرتبطة بالخبرة التصنيفية.
ومن المزايا الرئيسية الأخرى قدرتها على رصد الأنواع النادرة أو الخفية أو المراوغة التي لا تُلاحظ في المسوحات البصرية أو شباك الصيد. فالحيوانات التي نادراً ما تطفو على السطح، أو تبتعد عن السفن، أو تتحرك في المياه العميقة، يمكن أن تترك آثاراً كافية من الحمض النووي البيئي (eDNA) ليتم رصدها.
وأخيرًا، يُسهّل الحمض النووي البيئي استكشاف البيئات التي يصعب الوصول إليها ، مثل المناطق البعيدة عن الساحل، وأعماق البحار، أو الموائل التي يكون فيها تطبيق الأساليب التقليدية مكلفًا أو محفوفًا بالمخاطر أو غير فعال. ومع التخطيط السليم لأخذ العينات، يمكن تغطية مساحات شاسعة في وقت قصير نسبيًا وبتكلفة معقولة، مما يجعله أسلوبًا واعدًا وفعالًا من حيث التكلفة لرصد البيئة البحرية.
دراسة رائدة: رصد الحيتان باستخدام الحمض النووي البيئي في المحيط المفتوح
أظهرت دراسة أجراها المعهد الإسباني لعلوم المحيطات (IEO، CSIC)، بالتعاون مع معهد البحوث البحرية (IIM-CSIC) ، بوضوح إمكانات الحمض النووي البيئي في دراسة الحيتانيات في المحيطات المفتوحة. وركزت هذه الدراسة، المنشورة في مجلة "بحوث البيئة البحرية"، على مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام الحمض النووي البيئي مع نتائج المسوحات البصرية التقليدية.
قام الفريق العلمي بتحليل مدى التوافق بين الطريقتين على نطاقات مكانية مختلفة ، بدءًا من المناطق الشاسعة وصولًا إلى النطاقات المتوسطة والأدق. وأظهرت البيانات أن الحمض النووي البيئي يتمتع بموثوقية عالية في وصف تنوع الحيتان وتوزيعها عند العمل على نطاقات مكانية متوسطة، مما يُكمّل بوضوح المعلومات التي جمعها المراقبون على متن السفن.
من أبرز جوانب الدراسة أن الحمض النووي البيئي مكّن الباحثين من رصد أنواع لم تُشاهد خلال الحملة . ومن بينها تسجيلات لحيتان قاتلة، وحيتان طيار طويلة الزعانف، وحيتان منقار ترو - وهي أنواع قد لا تُلاحظ بسهولة في عمليات المسح البصري بسبب سلوكها أو قلة أعدادها أو أنماط غوصها.
في الوقت نفسه، تطابق نمط التوزيع المكاني الذي تم الحصول عليه باستخدام الحمض النووي البيئي إلى حد كبير مع مشاهدات أكثر أنواع الحيتان شيوعًا، مثل الحوت الزعنفي . علاوة على ذلك، قدم التحليل معلومات جديدة عن الدلفين المخطط، وهو نوع غالبًا ما يكون تمثيله ناقصًا في السجلات المرئية نظرًا لديناميكيات مجموعته وسلوكه على سطح الماء.
دفعت هذه الأدلة الفريق، بقيادة ميغيل ألفاريز كجزء من أطروحته للدكتوراه، إلى تسليط الضوء على الحمض النووي البيئي كأداة تكميلية رئيسية لرصد الحيتان . ويُعدّ تطبيقه ذا أهمية خاصة بالنسبة للأنواع النادرة أو المراوغة أو التي يصعب رصدها، إذ يُحسّن المعرفة العلمية حول وجودها وتوزيعها، ويدعم استراتيجيات إدارة وحفظ أكثر فعالية، كما أكدت الباحثة الرئيسية في الدراسة، الدكتورة باولا سواريز.
حملة SCANS-IV: تغطية فضائية غير مسبوقة
أُجري البحث من قِبل معهد علوم الأرض (IEO) ومعهد علوم المحيطات التابع للمجلس الأعلى للبحوث العلمية (IIM-CSIC) في إطار حملة SCANS-IV الأوروبية ، وهي إحدى أكبر المبادرات المخصصة لرصد الحيتان والدلافين في شمال المحيط الأطلسي. وتهدف هذه الحملة إلى الحصول على تقديرات موثوقة لوفرة هذه الثدييات البحرية وتوزيعها عبر مساحات واسعة من المحيط.
خلال مشروع SCANS-IV، جُمعت 258 عينة مياه من 129 محطة موزعة على مساحة محيطية تبلغ 270.684 كيلومترًا مربعًا ، مما يجعل هذا الجهد أحد أكبر التغطيات المكانية التي تحققت حتى الآن في دراسات الحمض النووي البيئي المطبقة على الحيتان. خضعت كل عينة للمعالجة لاستخلاص وتحليل الحمض النووي البيئي، ثم قورنت النتائج ببيانات المشاهدة البصرية.
أتاح حجم البيانات المُجمّعة تقييمًا دقيقًا للعلاقة بين الأنماط التي لاحظها الباحثون وتلك التي كشف عنها الحمض النووي البيئي ، على المستويين الواسع والمحلي. يُعدّ هذا النهج متعدد المستويات بالغ الأهمية لفهم مدى تكامل الطريقتين، ومواضع إسهام كلٍّ منهما بشكلٍ أكبر.
تم تمويل هذا العمل من قبل مؤسسة التنوع البيولوجي من خلال مشروع NuTEC (التقنيات الجزيئية الجديدة والتحكم عن بعد لتقييم تجمعات الحيتان) ، وصناديق الجيل القادم من الاتحاد الأوروبي التي تم توجيهها من خلال اتفاقية بين وزارة الزراعة ومصايد الأسماك والأغذية والمجلس الأعلى للبحوث العلمية، بالإضافة إلى مشروع ESMARES 2، الذي يهدف إلى تنفيذ رصد الاستراتيجيات البحرية في إسبانيا من خلال IEO وبتمويل مشترك من الصندوق الأوروبي للشؤون البحرية ومصايد الأسماك وتربية الأحياء المائية (EMFF).
تُبرز هذه الشبكة الكاملة من التمويل والتعاون المؤسسي الأهمية الاستراتيجية للحمض النووي البيئي للإدارة المستدامة للمحيطات ، مما يساعد على تعزيز الحوكمة الدولية وضمان حماية البحار والمحيطات، وأن تكون بيئات آمنة ونظيفة وخالية من التلوث البلاستيكي ، وأن تُدار على أساس أحدث المعارف العلمية.
تُبرز هذه الشبكة الكاملة من التمويل والتعاون المؤسسي الأهمية الاستراتيجية للحمض النووي البيئي للإدارة المستدامة للمحيطات ، مما يساعد على تعزيز الحوكمة الدولية وضمان أن تكون البحار والمحيطات بيئات محمية وآمنة ونظيفة تُدار على أساس أحدث المعارف العلمية.
تطبيقات الحمض النووي البيئي في النظم البيئية البحرية وغيرها من الموائل
على الرغم من أن الحيتانيات تُعد مثالاً بارزاً، إلا أن الحمض النووي البيئي له تطبيقات واسعة النطاق في رصد النظم البيئية ، بما في ذلك البيئات البحرية والمياه العذبة والبرية. وقد طورت العديد من المختبرات والشركات المتخصصة مشاريع لتعظيم إمكانات هذه المنهجية في سياقات شديدة التباين.
يُعدّ تحديد التنوع البيولوجي وتوصيف المجتمعات البيولوجية من أهمّ مجالات البحث . فمن خلال تقنية الترميز الجيني البيئي (eDNA metabarcoding)، يُمكن الحصول على صورة شاملة للأنواع الموجودة في منطقة مُحدّدة، وتحديد مجموعات تصنيفية كاملة في تحليل واحد. وهذا يُفيد في تقييم صحة النظم البيئية، ورصد التغيرات في تكوين الأنواع، ودراسة آثار تغير المناخ على التنوع البيولوجي.
يُعدّ الكشف المبكر عن الأنواع الغريبة والغازية تطبيقًا بالغ الأهمية آخر . فمن خلال القدرة على تسجيل وجودها في مراحل مبكرة جدًا، يُتيح الحمض النووي البيئي تفعيل تدابير الإدارة قبل انتشار هذه الأنواع وتسببها في آثار بيئية واقتصادية جسيمة. وقد طوّرت شركات مثل يوروفينز كافنديش بروتوكولات مُحددة لتحديد هذه الأنواع في المسطحات المائية، مما يُسهّل الاستجابة السريعة للغزوات البيولوجية المُحتملة.
يُستخدم الحمض النووي الإلكتروني (eDNA) أيضاً لدراسة النظام الغذائي للعديد من الأنواع من خلال برازها . ومن خلال تحليل الحمض النووي الموجود في هذه البقايا، يُمكن إعادة بناء تفاصيل دقيقة لما تناولته الحيوانات، مما يُسهم في فهم أفضل للشبكات الغذائية، وتفاعلات المفترس والفريسة، والتغيرات المحتملة في توافر الموارد الغذائية في النظم البيئية البحرية.
أخيرًا، يكتسب استخدام الحمض النووي البيئي (eDNA) لحساب المؤشرات البيولوجية التقليدية ، مثل مؤشر اللافقاريات القاعية الكبيرة (IBMWP) أو مؤشر الدياتومات (IPS)، زخمًا متزايدًا، مع تكييفها مع السياق الجزيئي. تهدف هذه الدراسات إلى تحديد مدى إمكانية استبدال أو استكمال طرق أخذ العينات الفيزيائية التقليدية لللافقاريات الكبيرة أو الطحالب الدقيقة باستخدام مؤشرات الحمض النووي البيئي، مما يوفر سرعة أكبر وتغطية مكانية أوسع.
يوروفينز كافنديش وظهور علم البيئة الجزيئية التطبيقي
في المجال التطبيقي، رسّخت شركات مثل يوروفينز كافنديش مكانتها كشركات رائدة في تحليل الحمض النووي البيئي للكشف عن الأنواع ودراسات التنوع البيولوجي. وفي عام 2023، أطلقت الشركة مختبرًا لعلم البيئة الجزيئية يركز بشكل كبير على الحمض النووي البيئي، وخاصةً فيما يتعلق بالنظم البيئية المائية.
تقدم هذه الأنواع من المختبرات حلولاً مصممة خصيصاً للباحثين ومنظمات الحفاظ على البيئة والإدارات العامة . وتتراوح خدماتها بين تصميم حملات أخذ العينات وإجراء التحليلات الجزيئية وتفسير النتائج وإعداد التقارير المفيدة لتخطيط التنوع البيولوجي أو تقييمات الأثر البيئي.
من نقاط قوة هذه الفرق نهجها الدقيق القائم على الأدلة، والمدعوم ببروتوكولات موحدة وضوابط جودة صارمة. وهذا يترجم إلى نتائج موثوقة، ضرورية لاتخاذ القرارات في الإدارة البيئية، ومراقبة خطط الحفظ، وتصميم سياسات حماية البيئة البحرية.
علاوة على ذلك، تُساهم شركة يوروفينز كافنديش وغيرها من الشركات العاملة في هذا المجال في تطوير وتحسين منهجيات الحمض النووي البيئي الجديدة ، وتكييفها مع مختلف أنواع البيئات (مياه البحر، المياه العذبة، الرواسب، الهواء) ومجموعات تصنيفية متنوعة. وبهذه الطريقة، تُصبح هذه التقنية أكثر دقة وكفاءة وسهولة في الوصول إليها لشريحة متزايدة من المستخدمين.
بالنسبة للمنظمات المهتمة بتطبيق هذا النوع من التحليل، يوفر التعاون مع المختبرات المتخصصة مسارًا سريعًا لدمج علم الوراثة البيئية في مشاريعها ، دون الحاجة إلى إنشاء بنية تحتية معقدة خاصة بها. وهذا يُسهّل على المنظمات الصغيرة والمؤسسات الكبيرة على حد سواء الاستفادة من مزايا الحمض النووي البيئي.
دور التوعية: فهم الحمض النووي البيئي خارج المختبر
وقد صاحب التوسع السريع في مجال الحمض النووي البيئي جهودٌ كبيرة في مجال التوعية والتعليم العلمي . ومن الأمثلة على ذلك عمل مختبر المحيط الأطلسي والأرصاد الجوية التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، الذي طور سلسلة من الفيديوهات التعليمية بعنوان "استكشاف الحمض النووي البيئي"، والمتوفرة على موقعه الإلكتروني وقناته على يوتيوب.
تشرح هذه السلسلة بأسلوب مبسط ماهية الحمض النووي البيئي، وكيفية أخذ عينات منه، واستخداماته ، مع التركيز بشكل أساسي على المحيط. كما تستعرض تقنيات أخذ العينات التي طُوّرت في مختبر علوم المحيطات والملاحة البحرية (AOML)، وتقدم أنشطة عملية لاستخلاص الحمض النووي، وتوضح تطبيقاته المتعلقة بالتنوع البيولوجي، والأنواع الغازية، والأنواع المهددة بالانقراض.
شارك في المشروع طلاب دراسات عليا، مثل ميغان ديهان من كلية روزنستيل لعلوم البحار والغلاف الجوي بجامعة ميامي ، الذين أكملوا تدريبات في مجال التواصل العلمي في مختبر علوم المحيطات والغلاف الجوي (AOML)، بالإضافة إلى علماء من الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) والمعهد التعاوني لدراسات البحار والغلاف الجوي (CIMAS). وتساهم هذه المبادرات في تقريب علم الأحياء الجزيئي من عامة الناس والمعلمين والباحثين المستقبليين.
إنّ الفهم العميق لأساسيات الحمض النووي البيئي لا يُلهم فقط التوجه نحو المهن العلمية، بل يُساعد أيضاً المديرين والفنيين والجمهور على فهم إمكانيات هذه الأداة وحدودها بشكل أفضل . وهذا يُجنّب التوقعات غير الواقعية ويُعزز الاستخدام المسؤول والمدروس في إدارة البيئة البحرية.
يُعد الحوار بين المختبرات والإدارات والشركات والمجتمع المدني أمراً أساسياً لضمان أن تستند قرارات الحفاظ على المحيطات وإدارتها إلى بيانات ومنهجيات متينة ومناسبة لكل حالة، ويتم تشكيل الحمض النووي البيئي كأحد أركان هذا النهج الجديد القائم على الأدلة.
كل ما سبق يوضح أن الحمض النووي البيئي أصبح أداة مركزية لرصد النظم البيئية البحرية ، مع القدرة على استكمال الأساليب التقليدية بقوة، وتحسين اكتشاف الأنواع التي يصعب ملاحظتها، وتوسيع التغطية المكانية لأخذ العينات، وتوفير معلومات أساسية لحفظ المحيطات وإدارتها المستدامة، شريطة أن يكون مصحوبًا بقواعد بيانات مرجعية جيدة، وبروتوكولات قوية، وتفسير دقيق للنتائج في سياقها البيئي والمحيطي.
