Djurbajs ger ledtrådar om biologisk mångfald

Den biologiska mångfalden hotas alltmer i takt med att mänsklig verksamhet omformar djurens värld. Samspel mellan arter sker i komplexa nätverk, men i takt med att vissa arter utrotas och andra tillkommer, förändras nätverken i realtid. 

LÄS MER: En miljon arter kan utrotas enligt ny rapport

För att hänga med i utvecklingen har en grupp forskare från Stanford University jobbat med att ta fram snabbare, kvantitativa teknologier med låg miljöpåverkan. Rapporten som har publicerats i frontiers in Ecology and Evolution ger ett nytt verktyg för att följa hur biologisk mångfald och samspel mellan arter förändras. 

– Det är inte bara det att vi snabbt kan fånga in den biologiska mångfalden i ett område, säger försteförfattare Jordana Meyer, doktorand i biologi vid Stanford School of Humanities and Sciences till tidskriften Science Daily. 

Går snabbt att samla in

Jämfört med traditionella metoder som att montera upp automatiska kameror, spårning och infångning går det relativt snabbt och enkelt att samla in så kallad miljö-DNA eller eDNA, vilket står för environmental DNA.

– Vi kan också kvantifiera omfattningen av indirekta länkar mellan arter, till exempel hur ett specifikt rovdjurs beteende påverkar vegetationen i ett område. Detta gör att vi kan utvärdera effekten på arter som är väsentliga för systemet eller som är särskilt utsatta, avslutar hon.

I rapporten visar forskarna hur det är möjligt att analysera DNA från exempelvis hår och hudrester som samlats in. Dessa kan sedan jämföras mot DNA-bibliotek för att kartlägga vilka arter som finns i området. 

LÄS MER: Afrikas skogar hotas när elefanterna blir färre

Metod under utveckling

I Sverige har liknande metoder använts för att inventera björn genom att samla in björnspillning, eller spåra strandpadda i vattenprover. Men de har riktat in sig på enskilda arter och inte på att kvantitativt analysera samspelet mellan olika arter i större system.

Björn Lindahl är professor i markbiologi vid Sveriges lantbruksuniversitet, SLU, Institutionen för mark och miljö, och leder ett metodutvecklingsprojekt i samarbete med Naturvårdsverket för att utvärdera användning av DNA-analyser av svampar, mikroorganismer och markdjur i återkommande miljöövervakning. Han förklarar att DNA-baserade analyser av komplexa samhällsstrukturer har använts inom mikrobiell ekologi sedan flera decennier. Studien visar enligt Björn på en del intressanta resultat.

– DNA-baserade metoder har redan revolutionerat hur ekologer studerar mikroorganismer, och är på stark frammarsch även inom övrig ekologi. Det är, och kommer i ännu större utsträckning att vara, ett huvudredskap både för forskning och miljöövervakning, säger han. 

Stora effekter av kalhyggen

DNA kan användas för att studera förekomst av organismer som annars är svåra att observera. Till exempel sådana som lever i marken eller inne i växter, eller är för små för att kunna observeras i fält. 

– Metoden visar redan på stora, och väntade, effekter av kalhyggesskogsbruk på marksvampar. Metoder som bygger på indirekt insamling av DNA från till exempel djurspillning, vattenprover eller från luftfilter är lovande, eftersom de ger möjlighet att samla in mycket information från stora områden utan storskaligt fältarbete.

DNA-baserade metoder har visat att de mikroorganismer som med lätthet kan odlas på laboratoriet endast utgör en bråkdel av de arter som finns i naturen. 

– Utan DNA-metoder famlar vi i mörkret, avslutar Björn Lindahl.

Högupplösta näringsvägar

De amerikanska forskarna använde även sin teknik för att analysera avföring från en rad olika djur i Jasper Ridge Biological Preserve, ett område på 487 hektar. Bland annat analyserade man prover från köttätande bergslejon, allätare som grårävar och växtätare, som svartsvansade hjortar. Efter att ha analyserat deras diet utifrån det insamlade DNA:t, konstruerade forskarna en oerhört detaljrik näringsväv som med stor säkerhet representerade områdets biologiska mångfald.

Forskarna kunde även i detalj få fram information om hur rovdjuren konkurrerade med varandra. Större rovdjur kan påverka mindre rovdjurs bytesdjur, något som kallas för kaskadeffekter. Dessa kaskadeffekter kan sedan fortplanta sig ned genom hela näringskedjan.

Gråräven kom tillbaka

Bland annat avslöjade den nya metoden de indirekta effekterna av rovdjuren på växtligheten i reservatet via en så kallad rovdjurskaskad. Återkomsten av bergslejon, ekosystemets främsta rovdjur, hade nämligen orsakat en minskning av rådjur och prärievargar. Något som senare kunde dubbelkollas med sju år av övervakningsdata från kamerafällor i området. 

I och med att prärievargen försvann kom den tidigare mycket sällsynta gråräven tillbaka i större omfattning. Gråräven äter i första hand en diet av frukter och frön till skillnad från prärievargen. I takt med att grårävarna ökar i antal sprids mer frön och kärnor, vilket påverkar både fördelningen av och mängden fruktbärande växter i reservatet. Frön kan nämligen börja växa efter att ha passerat genom magen på ett däggdjur. 

Beväpnad med den här typen av kunskap kan effekterna av skiftande djur- och växtsamhällen förutsägas, vilket ger beslutsfattare möjligheten att bättre planera insatser för att skydda djur. Det DNA som forskarna samlade in via djuravföring identifierade också växt- och djurarter som inte tidigare varit kända inom reservatet. Något som kan agera som ett tidigt varningssystem för invasiva arter.

Har tidigare använts i vatten

Även i hav och vatten har man utnyttjat det faktum att en tjock soppa av DNA flyter runt och enkelt kan skopas upp för analys. Monika Winder är professor vid Institutionen för ekologi, miljö och botanik vid Stockholms Universitet och arbetar med DNA-streckkodning. En metod där man jämför korta unika sekvenser från DNA-prover mot genetiska referensbibliotek för att identifiera arter. 

– Jag arbetar med marin ekologi. Här har DNA-streckkodning av DNA använts för att studera till exempel fisk och sälsammansättning i Östersjön. Min forskning använder för närvarande DNA-streckkodning, kombinerat med nätverksanalys för att förstå komplexa samspel inom planktonsamhällen och hur de är kopplade till fisk i den övre trofiska nivån. 

Den lägsta trofinivån utgörs av så kallade primärproducenter, här hittar vi till exempel alla små alger, som tillsammans producerar enorma mängder mat. Den energin flödar sedan från algerna, till algätande fiskar och sen upp till fiskarna i den högsta trofinivån, de som äter andra fiskar.

– Målet är att bättre förstå nedifrån och upp-drivkrafter för kommersiellt viktig fisk. Vi hoppas att dessa resultat kan ge råd om ekosystemhantering för hållbart fiske och förebyggande av algblomningar.

Infekterade med parasiter

De använder även DNA-streckkodning för att utreda parasitiska interaktioner i planktonsamhällen, interaktioner som har förbisetts fram tills nu. 

– Vi finner att många planktonarter är infekterade med parasiter och framtida studier syftar till att förstå parasiternas roll bättre.

Alla metoder har också sina begränsningar. Men fördelen med det här tillvägagångssättet, är enligt Monika att det är väldigt känsligt och kan identifiera många arter och samtidigt belysa större energiflöden mellan trofinivåer.

– Vi behöver också ytterligare metoder för att säkerställa att samspelen faktiskt sker, såsom utfodringsexperiment, mikroskopi eller långvariga observationer.

Stor potential

Men trots att DNA främst har använts för att följa alltifrån vattenlevande djur till marklevande mikroorganismer, verkar den nya tekniken ändå bana vägen för bevarande av större djur på land.

Matthias Obst är docent vid Göteborgs Universitet och forskar om ekologi och bevarande. 

– Ser jättespännande ut. Det är just den typ av analytiskt verktyg som behövs i framtiden för att kunna jämföra ekologiska samband i olika miljöer eller under olika förutsättningar med hjälp av genetisk information.

– Det är redan ganska vanligt att använda e-DNA för att kartlägga nätverk av artinteraktioner, till exempel i maganalyser eller ‘community structures’. Men oftast kretsar dessa undersökningar antingen kring en eller ett fåtal arter, vad äter torsk som exempel, eller så beskriver man endast vilka som finns i samma miljö, utan att ta hänsyn till vilken ekologisk roll arterna spelar. 

Enligt honom verkar det här verktyget kunna användas för att kartlägga och jämföra ekologiska nätverk i sin helhet, som näringsvävar till exempel. Dessutom tillåter det att man tar hänsyn till olika ekologiska roller i nätverken som exempelvis predatorer, byten, konkurrenter, parasiter och så vidare.

– Den här forskningen har jättestor betydelse. Hoppas det blir en standardmetod inom ekologisk forskning, miljöövervakning, och naturvård! 

LÄS MER: 

Läs mer om forskarna i artikeln från Science Daily