Hvad er "aDNA"?

Det er meget gammelt, nedbrudt DNA (ancient DNA, aDNA).

Hvad viser DNA-undersøgelser om de store pattedyrs uddøen?

Ved den sidste istids begyndelse for ca. 115.000 år siden(Weichsel-istiden) fandtes vidt udbredte, store bestande af bison, moskusokse, rensdyr, vildhest, uldhåret næsehorn og mammut. Af disse overlevede kun bison, moskusokse og rensdyr til nutiden. I november 2011 publicerede Eske Willerslevs gruppe fra Københavns Universitet en artikel om de store pattedyrs uddøen under den sidste istid (ref.9581). For en periode på 50.000 år sammenlignede de DNA-data med klimadata og 1600 arkæologiske udgravninger (ref.9581). De fandt, at mennesket absolut ingen rolle spillede i udryddelsen af det uldhårede næsehorn eller moskusokse-bestanden i Eurasien, fordi disse to arter levede nordligere end mennesket (omend mennesket kan have været medvirkende til næsehornets uddøen i Europa). Næsehornet nåede aldrig til Nordamerika. Disse arters uddøen skyldtes andre årsager, formentlig især klimaændringerne. Omvendt skyldtes uddøen af de vilde heste og bisonokser i Sibirien næsten udelukkende menneskets jagttryk. 2/3 af Sibiriens stenalderbopladser viser rester efter heste, og i 3/4 ses rester efter steppebison. I Nordamerika skete der en hurtig tilbagegang af steppebison for ca. 11000 år siden, og mennesket var årsag til denne tilbagegang. Rensdyret var ret upåvirket af både jagt og klima og kan have overlevet dels fordi rensdyr reproducerer sig hurtigt, med flere kalve, og dels fordi rensdyret tidligt blev tæmmet af mennesket (ref.9582). Årsagen til, at den uldhårede mammut uddøde, er stadig et mysterium. I Europa og Asien var der en femdobling af bestanden for ca. 26.000 år siden, selv om mennesket formentlig havde jaget det i de forrige 10.000 år. Mammuten var næsten helt uddød for ca. 10.500 år siden, bortset fra et en dværgform klarede sig indtil for ca. 4000 år siden på Wrangel-øen i ishavet ud for Sibirien. Mammutbestandene var ret indavlede, så sygdomme var måske en medvirkede årsag (ref.9583). Ved at studere DNA i ekskrementer har man kunnet vise, at der var stort overlap af planter, som arterne spiste, så dyrene konkurrerede altså om føden. Studiet kan tyde på, at steppebisonen overlevede i Nordamerika, fordi vildhesten og mammuten uddøde. I Asien og Europa kan uddøen af steppebisonen, mammut og det uldhårede næsehorn have været årsag til, at hesten overlevede her (dog kun som tamhest). Man kan konkludere, at de store arters uddøen skete over flere tusind år, og årsagerne var bl.a. klima, jagt og indbyrdes konkurrence, men hvilke arter, der uddøde, var tilfældigt. Hvis hele scenariet kunne genopføres, ville resultatet sikkert blive et andet. Vi kunne godt have haft mammut i dag eller være gået glip af hesten. Det er utrolig svært at forudsige, hvem der bliver taberne. Moskusokserne overlevede i isfri områder, hvor der ikke var jagt og konkurrence fra andre planteædere. Steppebison overlevede, fordi den ved at bevæge sig over store afstande kunne finde steder uden for konkurrence. “Vores resultater sætter en endelig stopper for enkelt-årsag teorier om istidens uddøen”, fortæller Eske Willerslev. Man bør være forsigtig med at generalisere om årsager til uddøden – det gælder nok både for fortiden, nutiden og fremtiden. Virkningerne af klimaændringer og menneskelige indgreb i forhold til arters udryddelse afhænger af, hvilke arter man kigger på.“ Dog har klimaforandringerne været tæt forbundet med de store dyrs bestandsændringer i de seneste 50.000 år, og det giver støtte til det synspunkt, at bestandene af mange arter vil falde i fremtiden på grund af klimaændringer og tab af levesteder (ref.9555).

Hvordan har havisens udbredelse svinget under tidligere klimaskift?

Havis kommer og går uden at efterlade sig spor, så før satellitovervågning og observationer fra fly og skibe blev indført, vidste man ikke noget om den arktiske havis-udbredelse til forskellig tid. Men Eske Willerslevs afdeling har ændret på dette. De udviklede en metode, hvormed det er muligt at måle variationer i isen flere årtusinder tilbage – baseret på indsamling af data om landbaseret materiale (bl.a. drivtømmer) langs kysten i det nordlige Grønland. Resultaterne af undersøgelserne på land viser altså, hvordan forholdene var i havet. Svend Funder var leder af undersøgelsen, hvor bl.a. også Eske Willerslev og Kurt Kjær deltog. Undersøgelsen viste, at der har været store udsving i mængden af sommerens havis i løbet af de sidste 10.000 år. Under det såkaldte Holocæne klimaoptimum, fra for cirka 8000 til 5000 år siden Holocæn = den helt nye tid, hvor temperaturen var noget varmere end i dag, var der signifikant mindre havis i Det Arktiske Ocean, formentlig mindre end 50% af den havis, som der var i sommeren 2007, som ellers var rekord-lav for havis. Undersøgelserne viste også, at selv om isen forsvinder i et område, kan havis ophobes i et andet arktisk område. Man opdagede dette ved at sammenligne resultaterne med observationer fra det nordlige Canada: Samtidig med, at mængden af havis faldt i det nordlige Grønland, steg det i Canada. Dette skyldtes sandsynligvis ændringer i de fremherskende vindsystemer. Denne faktor indgår ikke i tilstrækkelig grad i vurderingen af den forventede forsvinden af havis i Arktis. Disse overraskende konklusioner har man fået efter adskillige ekspeditioner til Peary Land i Nordgrønland – et sjældent besøgt område, hvor sommersnestorme ikke er ualmindelige. Nøglen til mysteriet om havisens udbredelse under tidligere tids-epoker ligger i det drivtømmer, som man finder langs kysten. Man kunne tro, at drivtømmeret – som navnet siger – er kommet flydende over havet, således, at drivtømmer = frit hav og ikke-drivtømmer = havis. Men det forholder sig modsat! En sådan rejse i frit hav ville kræve mindst 6 års rejse, og tømmeret kan ikke holde sig flydende så længe. "Træet kan kun krydse oceanet, hvis det er indlejret i havis, og mængden af tømmer viser derfor mængden af havis på det pågældende tidspunkt", fortæller Svend Funder, der var leder af ekspeditionen. Det drivtømmer, man fandt rester af, var fra starten af rejsen indlejret i havis, og det nåede derfor den nordlige Grønlands kyst sammen med havisen. Mængden af drivtømmer udgør derfor et mål for, hvor meget havis, der var i havet dengang. Det er netop den type is, der i dag er i fare for at forsvinde. Efter at ekspeditionerne var afsluttet, daterede man drivtømmeret ved kulstof-14 metoden. Kulstof-14 dateringen viser, at i den varme periode fra ca. 8000 år siden og indtil for 4000 år siden, var der mere åbent vand end i dag. Træet til drivtømmeret opstod nær store floder i Nordamerika og Sibirien. Trætypen var næsten udelukkende gran, som er udbredt i Nordamerika, samt lærk, som dominerer i den sibiriske taiga. De forskellige træsorter viser forandringer i rejseruterne som følge af ændrede strømforhold og vindforhold i havet. Man undersøgte også strandvolde langs kysten. I dag forhindrer flerårig havis enhver form for stranddannelse langs kysterne i det nordlige Grønland. Men dette har ikke altid været tilfældet. Man kortlagde strandvoldene på et 500 kilometer langt stykke langs kysten. Bag den nuværende kyst ses lange rækker af strandvolde. Det viser, at der på et tidspunkt var bølger, som kunne bryde op på stranden – altså uhindret af havis. Undersøgelserne viser altså, at der er store naturlige variationer i mængden af arktisk havis i perioden. Den dårlige nyhed er, at der er en klar sammenhæng mellem temperaturen og havis-mængden, så fortsat global opvarmning vil føre til en reduktion i mængden af sommerens arktiske havis. Den gode nyhed er, at selv med en reduktion til under 50% af den nuværende havis-mængde, vil havisen ikke nødvendigvis nå et "point of no return", hvor den ikke længere kan gendannes, hvis klimaet bliver køligere. Endelig understreger undersøgelserne, at ændringerne i høj grad er forårsaget af den virkning, som temperaturen har på de fremherskende vindsystemer. Dette har man tidligere ikke taget tilstrækkeligt hensyn til, når man har vurderet havisens tilbagegang. Udover at give en bedre forståelse af, hvordan klimaet i det nordlige Grønland var for tusinder af år siden, kan disse data også give et tip om, hvordan isbjørnene klarede sig i de varmere klimaperioder. Forskerholdet har planer om at bruge DNA i fossile isbjørneknogler til at studere isbjørnebestanden i løbet af Holocæns varmeste tid.

Hvad viser DNA-studier om spækhugger-biologi?

Man har ofte anset fysisk isolation for at være en hovedårsag til opdeling imellem populationer. Forskning viser imidlertid, at adskilte populationer kan opstå, selv om der (som i havet) ikke er fysiske barrierer. Populationerne kan f.eks. opstå ved specialisering i fødevalget, klimatiske faktorer, varierede havområder og trofasthed overfor bestemte yngleområder.

Spækhuggerne i det nordlige Atlanterhav kan opdeles i tre adskilte populationer. Dette blev påvist af en forskergruppe, hvori Eske Willerslev deltog. Man studerede dels 17 mikrosatellit loci, dels hyppigheden af mitokondriehaplotyper og for nogle af prøverne sammenlignede man fuldstændige sekvenser af mitokondrie-genomet. En af spækhugger-populationerne er knyttet til sildebestanden i Nordatlanten, Island og Norge. En anden spækhugger-population er knyttet til makrelbestanden i det nordøstlige Atlanterhav. En tredie spækhugger- population er delvis knyttet til tun i Atlanterhavet (ref.9549). Faktisk er der måske allerede tale om flere forskellige arter af spækhuggere, selv om de umiddelbart ser ens ud. Andre studier kunne påvise forskellig morfologi hos 4 typer omkring Antarktis. De har forskellig adfærd: De spækhuggere, der lever af sæler, svømmer stille i små grupper og dykker langt for at overraske sælerne. De spækhuggere, der lever af fisk, er mere sociale og afgiver flere lyde, for fisk hører dårligt ved høje frekvenser. Ud for England er der mindst to økotyper, men om de parrer sig med hinanden er endnu uvist (da man kun har studeret mitokondrie- DNA, dvs. moderlinierne). For at teste om DNA udveksles på tværs af moderlinierne må fader-DNA også testes. Ud for Skotland fandt man spækhuggere, som lever af småhvaler. Tom Gilberts studier af spækhuggerskeletter i museer har vist, at nogle havde meget nedslidte tænder, måske slid efter indtagelse af store mængder små fisk, og disse dyr viste stor variation i isotoperne, hvilket tyder på at kosten var varieret. Andre (større individer) havde ikke nedslidte tænder, måske fordi de spiste større pattedyr, og disse dyr viste ingen variation i isotoperne, hvilket tyder på at kosten var ensartet. DNA-sekventering af ca. 100 år gamle museums-hvalskeletter har vist, at de store spækhuggerarter adskilte sig genetisk fra de mindre spækhuggerarter. DNA-studiet viste, at nordatlantens Vågehval-ædende spækhuggere er beslægtet med Vågehval- ædende spækhuggere omkring Antarktis. Studierne giver indsigt i de økologiske processer, der danner grundlag for udvikling af nye arter i evolutionen (ref.9587).

Hvad viser DNA-studier om majs?

Tom Gilbert har planlagt studier af, hvordan majs har ændret sig genetisk og proteinmæssigt i løbet af den tid, planten er blevet brugt som afgrøde, hvor den gennem 10.000 år er ændret fra vilde former til en i dag i sammenligning totalt uigenkendelig majsafgrøde (ref.9588). Ved direkte at observere forandringerne i indsamlet DNA og proteiner fra forhistorisk materiale kan man få indsigt i processen. Projektet kræver samarbejde med genetikere og arkæologer i USA og Mexico – områder, som er majsplantens hjemsted. Måske vil man kunne genindføre variationer i landsorterne og dermed overføre modstand mod sygdomme, siger han. Det vil være verdens første forskningsprogram med direkte fokus på at udforske majsarternes udvikling gennem en kombineret fossil DNA/protein-tilgang.

Kender man DNA-genomet for hesten?

Eske Willerslevs afdeling har sekvensbestemt hele genomet fra en 700.000 år gammel hest, samt hele genomet fra en 13.000 år gammel hest. Desuden har de sekvensbestemt hele genomet hos æslet samt hos 5- 7 hesteracer. Det giver oplysninger om hestens evolution – men også om tæmningen af hesten (domesticeringen) – og kan belyse spørgsmål som: Hvilke egenskaber ved de forskellige hesteracer blev der selekteret for? Hvilke egenskaber er oprindelige og hvilke er nyere?

Kan man finde DNA i vand?

Ud fra vandprøver fra 100 søer og vandløb fra Europa har forskere på Center for Geogenetik påvist, at DNA'et i vandet viser hvilke arter, der findes der. Man påviste f.eks. tilstedeværende fisk og padder, men fandt samtidig DNA fra arter, som blot lever omkring vandet (f.eks. den lille fugl kærsanger og kronhjort. Man fandt DNA fra dyr så forskellige som odder og guldsmed. Man kan tilmed ved hjælp af DNAstudier søge efter udvalgte arter. Man afprøvede metoden på et fladt tag af en museumsbygning. I såkaldte "mesokosmos" (store baljer med naturligt søvand, smådyr og planter) havde man haletudser af forskellige arter, og kunne vise en sammenhæng mellem mængden af DNA i vandet og tætheden af individer. To uger efter, at dyrene var fjernet, kunne DNA'et ikke påvises mere (ref.9579). Metoden kan bruges som en billig test for den aktuelle biodiversitet i vandløbet. Et snapseglas søvand indeholder DNA fra hele søens dyreliv, og metoden spås stor betydning for overvågningen af naturens mangfoldighed. Hidtil har dette arbejde krævet eksperters møjsommelige artsbestemmelser, der, afhængig af hvad man søgte efter, kræver brug af f.eks. elfiskeri, planktonnet osv. (og stadig færre eksperter tilegner sig et stort artskendskab). Behovet ses af, at hver 4. ferskvandsdyr er truet eller allerede uddød i nyere tid (dvs. at 4600 ferskvandsdyrearter er truede eller uddøde for nylig), og nedgangen i verdens biodiversitet er nu 100 – 1000 gange hurtigere end i tiden før mennesket påvirkede naturen. Artiklen om DNA'et i søen var forsidehistorie i det ansete videnskabelige tidsskrift Molecular Ecology. De tre hovedpersoner bag forskningen er ph.d.- studerende Philip Francis Thomsen og specialestuderende Jos Kielgast og Lars L. Iversen. Da DNA-mængden for en art fortæller om artens bestandsstørrelse, mener forskerne, at det i fremtiden f.eks. kan være muligt at fastsætte fiskekvoter ud fra DNA-spor i stedet for at benytte fangster.

Forskergruppen fokuserede på 6 truede arter fra forskellige dyregrupper:
Padder: Løgfrø (Pelobates fuscus) og Stor Vandsalamander (Triturus cristatus)
Fisk: Dyndsmerling (Misgurnus fossilis)
Pattedyr: Odder (Lutra lutra)
Krebsdyr: Forårsdamrokke (Lepidurus apus)
Insekt: Stor Kærguldsmed (Leucorrhinia pectoralis)

De sjældne dyr blev eftersøgt på lokaliteter, hvor man havde fundet dem med konventionelle, ekspertbaserede metoder (natlytning efter kvæk samt nethøst af haletudser af de to padder, og af guldsmedens larve og krebsdyret, elektrofiskeri af dyndsmerling, spor efter odder) – samt på kontrollokaliteter, hvor de med sikkerhed ikke forekom. Der blev indsamlet 3 x 15 milliliter vandprøver fra 98 naturlige søer, damme og vandløb i Danmark, Sverige, Tyskland, Polen og Estland mellem 2009 og 2011. Alle prøverne blev opbevaret ved minus 20 grader, indtil de kunne undersøges. For de to paddearter blev bestandstætheden på en række lokaliteter desuden bestemt ved hjælp af ketching af larver (den konventionelle undersøgelsesmetode) for at sammenligne tætheden af dyr med mængden af DNA i vandet under naturlige forhold.

På museets tag udførtes forsøg med de samme to arters larver i tætheder på 0, 1, 2 eller 4 dyr pr. 80 liter. Vandprøver blev taget før forsøget og 2, 9, 23, 44 and 64 dage efter dyrenes introduktion til vandbeholderen. Derefter fjernedes dyrene, og man målte DNA i vandprøver 2, 9, 15 og 48 dage efterfølgende. Arterne kunne kendes på deres DNA i mitokondrie-generne for cytochromoxidase I og cytochrom-b. Der var for hver art mindst 10 af de undersøgte vandområder, hvor arten fandtes. DNA-testen virkede 100% for fisken og krebsdyret, 91–100% for padderne og 82% for insektet. I 8 søer, hvor der tidligere var fundet løgfrø, men hvor konventionelle metoder ikke registrerede denne art i undersøgelsessæsonen, kunne man med DNA-metoden bekræfte, at arten stadig fandtes i 5 af søerne, men i mindre bestande. For at teste det videst mulige perspektiv af den nye DNA-baserede naturovervågning i ferskvand undersøgte man 4 søer særlig grundigt. De undersøgte lokaliteter blev udvalgt i samarbejde med Statens Naturhistoriske Museums fiskeatlas-medarbejdere og konsulentfirmaet Amphi Consult, således at man med sikkerhed på forhånd kendte alle tilstedeværende arter. Der var således grundlag for at undersøge, hvor stor en andel af hele faunaer, som kunne genfindes med den nye DNAmetode. Overraskende viste det sig, at arts-specifik DNA fra alle tilstedeværende arter af padder og fisk på de respektive lokaliteter kunne genfindes med vandprøver på størrelse med et snapseglas. Desuden fandt man DNA fra bl.a. kronhjort (Cervus elaphus), kærsanger (Acrocephalus palustris), blishøne (Fulica atra), ringdue (Columba palumbus).

Kan artsbestemmelse ske ved stregkode-metode?

Teoretisk skulle det være muligt at få styr på alverdens levende organismer ved hjælp af små “DNA-stregkoder”, som ville kunne bruges til at artsbestemme organismer på grundlag af korte, velkarakteriserede dele af organismens DNA. Stregkoder kender vi bl.a. fra supermarkedet. Når stregkoden aflæses, oplyses varens pris. Hvis man tilsvarende kunne aflæse en unik DNA-sekvens for en organisme, ville man dels kunne få arten bestemt, og dels bruge disse data på anden måde. De industrielle stregkoder er unikke for det enkelte produkt. Arternes stregkoder ville også kunne gøres unikke for hver enkelt art. De industrielle stregkoder anvender 10 cifre på 10 positioner (plus 2 cifre til at markere landet og 1 kontrolciffer, i alt 13 cifre) for at danne 10 milliarder koder. Selv om DNA-stregkoder kun betjener sig af 4 forskellige farver, behøver man i teorien kun 15 positioner for at kunne danne 415 (ca. 1 milliard) biologiske stregkoder. Det totale antal nulevende arter på Jorden vurderes til i størrelsesordenen 10 – 15 millioner. Med en stregkodelæser med satellitforbindelse ville man kunne artsbestemme organismer, selv om man stod midt i en regnskov, ved blot at putte lidt DNA fra organismen ind i stregkode-apparatet og så (via satellit) sende data til f.eks. det verdensomspændende netværk af biologidatabaser Global Biodiversity Information Facility (GBIF). Det er faktisk visionen for et seriøst internationalt forskningsprojekt, International Barcode of Life (iBOLhttp://ibol.org/), der har hovedkvarter i Canada. Man håber i 2015 at have en DNA-stregkode-database med en halv million arter. Det vil i så fald svare til ca. 1/4 af de kendte arter med undtagelse af bakterierne. De levende organismer grupperes i dyreriget, planteriget, svamperiget, samt forskellige riger af protister, bakterier osv. Fælles for alle organismer er, at de har en fælles oprindelse, hvilket afspejles i arvematerialet. Nogle gensekvenser er konserverede, altså ens hos mange forskellige organismer. Disse gensekvenser er ubrugelige til artsbestemmelse. Andre DNA-områder varierer fra art til art. Sekvenser på ca. 500-700 baser vil være optimale, idet man helst vil have korte sekvenser, men samtidig skal de indeholde tilstrækkelig information (ref.9775). Consortium for the Barcode of Life (CBOLwww.barcodinglife.com) står bag iBOLprojektet. Projektets start støttedes af Alfred P. Sloan Foundation. Det blev i starten foreslået, at man skulle fremstille stregkoderne ud fra de typeeksemplarer, som arterne er beskrevet ud fra. Men det er unødvendigt og uønskeligt, da det ville kunne indebære ødelæggelse af typeeksemplaret. I princippet er det ret let at fremstille stregkoderne. Man oprenser noget DNA, og opformerer det ønskede gen (eller DNA-sekvens) ved hjælp af Polymerase Chain Reaction (PCR). Sekvensen ses på en computerskærm. De fremstillede stregkoder kan sammenlignes med stregkoder for kendte arter. Hvorvidt en stregkode svarer til vores opfattelse af en given art må undersøges på traditionel vis. Men stregkoden gør det meget nemmere at sammenkoble forskellige livsstadier hos dyreog plantearter. Det kan f.eks. være æg, larve, puppe og imago (“voksen”) hos insekter med fuldstændig forvandling (f.eks. biller og sommerfugle). Stregkoder ville kunne bidrage til at adskille arter, der er svære at skelne på ydre træk alene, f.eks. "tvillingearter", mikroorganismer, parasitter, samt fragmenter af arter. Stregkoden ville kunne give et fingerpeg om, hvorvidt en given prøve kan repræsentere en ny art (nemlig hvis stregkoden er ukendt), eller stregkoden ville kunne vise, at variationen for en kendt art skal revideres. Hvis man sekvensbestemmer et helt gen, vil man kunne få oplysning om arternes indbyrdes slægtskab. Endelig kan teknikken hurtigt og effektivt identificere parasitter samt epidemiske sygdomme som SARS, fugleinfluenza, AIDS, eller sygdomme, der benyttes som biologiske våben. Retsmedicinen har været pioner i brugen af stregkoder. Sekvenser, der optræder i mange kopier, er nemmest at arbejde med. Derfor bruges ofte DNA fra mitokondrier.-I-dyreriget har interessen samlet sig om et DNA-område på ca. 650 basepar, der findes i mitokondrierne, og som koder for proteiner i cellens stofskifte. Hos svampe og protister er variationen i mitokondrie-generne for stor, og hos planter er variationen i mitokondrierne for lille. Men for dyr er variationen passende til, at man kan anvende mitokondrie-DNA'et til universelle stregkoder. Det er derfor nødvendigt at bruge forskellige typer af sekvenser hos de forskellige grupper af organismer. Man kikker efter DNA, der har med organismens energiomsætning at gøre. Hos dyr kikker man ofte efter en gensekvens, som hedder COX1. Hos planter kikker man efter en kombination af to gensekvenser, kaldet rbc1 og matK. Gener i cellekernen vil bedre kunne afspejle artsdannelsen. Her samler interessen sig om variable områder i de gener, der koder for ribosomerne, som deltager i cellens proteinsyntese, og som i modsætning til mange andre gener i kernen findes i et meget stort tal (ref.9544).

Tegn abonnement på

BioNyt Videnskabens Verden (www.bionyt.dk) er Danmarks ældste populærvidenskabelige tidsskrift for naturvidenskab. Det er det eneste blad af sin art i Danmark, som er helliget international forskning inden for livsvidenskaberne.

Bladet bringer aktuelle, spændende forskningsnyheder inden for biologi, medicin og andre naturvidenskabelige områder som f.eks. klimaændringer, nanoteknologi, partikelfysik, astronomi, seksualitet, biologiske våben, ecstasy, evolutionsbiologi, kloning, fedme, søvnforskning, muligheden for liv på mars, influenzaepidemier, livets opståen osv.

Artiklerne roses for at gøre vanskeligt stof forståeligt, uden at den videnskabelige holdbarhed tabes.