Исследовательская статья под названием «Авиационные исследования ДНК в воздухе: исследование биоразнообразия в небе» раскрывает революционный подход к изучению генетического материала в атмосфере. Ученые разработали прочный и стерилизуемый зонд и вспомогательную систему для захвата нуклеиновых кислот из окружающей среды (eDNA) с полнопоточной фильтрацией и камерой высокой степени целостности.
Используя этот инновационный зонд, исследовательская группа нанесла на карту ДНК окружающей среды с воздуха, используя стандартизированную и масштабируемую схему полета с использованием легкого самолета. Цель исследования состояла в том, чтобы собрать биоаэрозоли, представляющие собой аэрозольные биологические вещества, от целого ряда организмов на разных высотах над основными источниками выбросов и упорядочить их для идентификации.
«Эта работа началась с идеи исследовать, — рассказывает доктор Кимберли Метрис, преподаватель Университета Клемсона и ведущий исследователь. «Я молекулярный эколог, работаю с различными дикими видами, от бактерий до голубоголового голавля и африканского буйвола. Я также летаю на самолетах, и однажды летом, когда я летал на парашютистах, у меня было много времени, чтобы подумать, поднимаясь на высоту прыжка.»
«С метеорологической точки зрения условия были отличными — видимость в 10 статутных миль, довольно спокойный ветер, довольно приятный день в офисе — но это было во время пыльной бури в Сахаре, и повсюду были видны твердые частицы. Странное чувство, но оно крутит колеса».
Что именно находится в воздухе, чего мы не можем видеть с биологической точки зрения? Это то, что она и ее соавтор решили исследовать. «И теперь мы раздвигаем границы того, что, как нам казалось, мы знали о небе. Небо — это не предел, это сокровищница».
Выводы исследования экстраординарны. С помощью своего пробоотборного зонда и высокопроизводительного метагеномного секвенирования исследователи обнаружили широкое присутствие прокариотической и эукариотической эДНК в атмосфере, достигающей тысяч метров в планетарном пограничном слое на юго-востоке США. Примечательно, что исследование обнаружило эДНК курицы, коровы и человека на всех высотах полета, в том числе на удивительной высоте 8500 футов над землей.
Исследователи идентифицировали различные распространенные растительные аллергены из трав, сорняков и деревьев, а также из видов, обычно не встречающихся в воздухе, таких как чеснок, обнаруживая разнообразный набор переносимого по воздуху генетического материала.
Они также обнаружили патогенные бактерии и бактерии, ранее неизвестные для присутствия в атмосфере, но обнаруженные в других экстремальных условиях, таких как глубоководные отложения.
Используемый в исследовании стерилизуемый и многоразовый пробоотборник доказал свою надежность, ограничивая потерю и загрязнение проб при фильтрации генетического материала непосредственно из воздуха. Эта новаторская работа позволяет картировать генетический материал потенциально всех видов с использованием самолетов или других летных или стационарных методов и связывает профили аэробиомов с процессами на уровне земли, обеспечивая ценную информацию о наличии и разнообразии генетического материала, обнаруженного в воздухе, которым мы дышим.
Последствия этого исследования далеко идущие, с приложениями в области биоразнообразия, экологии дикой природы, биозащиты и мониторинга патогенов и аллергенов. Высокопроизводительное ампликонное секвенирование ДНК бактерий, позвоночных и растений демонстрирует, что биоаэрозоли могут образовываться в результате естественных процессов, таких как ветровое опыление полей и лесов, а также деятельности человека, а именно сельскохозяйственного производства, очистки сточных вод и отраслевые практики, включая обеззараживание больничных отходов.
Профили переносимой по воздуху ДНК, обнаруженные в атмосфере, отражают выбросы с поверхности, аллергены и потенциальные ядра конденсации льда и облаков. Считается, что эффективность аэрозолизации влияет на профили ДНК воздуха, обнаруженные на высоте, что предполагает включение индексов подъемной силы и характеристик воздушной массы для стандартизации исследований эДНК воздуха. Кроме того, исследователи рекомендуют стандартизированные отчеты в режиме реального времени, эмпирические скорости потока, общие объемы воздуха и типы используемых пробоотборников, поскольку они имеют принципиально разные рабочие требования к воздушному потоку.
Биологический материал в форме эДНК/РНК может быть поднят, перенесен и депонирован в другом месте за счет атмосферного перемешивания, подъема и плавучести, что может привести к биологическим последствиям, таким как поток генов и процессы гибридизации.
Атмосфера мощна и необходима для жизни. Открытие переносимой по воздуху эДНК позвоночных, плавающей в тысячах метров от ее происхождения на поверхности Земли, предполагает, что атмосфера содержит биоразнообразный материал и имеет значение для биомониторинга и наблюдения за болезнями. Ученые могут получить представление о присутствии, численности и распространении видов в районе, предоставив ценные данные для идентификации особей или отслеживания их перемещений, или наблюдения за производством сельскохозяйственной продукции из атмосферы.
Это исследование прокладывает путь к более глубокому пониманию переносимого по воздуху генетического материала и его значения для различных областей исследования. Раскрывая тайны неба, ученые по-новому понимают нашу окружающую среду, воздух, которым мы дышим, и сложные связи между биоразнообразием на Земле.
