DNA môi trường (eDNA) là DNA hạt nhân hoặc ty thể được giải phóng từ một sinh vật vào môi trường. eDNA đã thay đổi phương thức giám sát đa dạng sinh học của các nhà bảo tồn. Bằng cách giải trình các vật liệu di truyền tìm thấy trong các mẫu nước và đất, các nhà khoa học có thể nghiên cứu toàn bộ hệ sinh thái hoặc phát hiện các loài động vật quý hiếm khó theo dõi bằng các phương pháp truyền thống. Các nhà khoa học đã sử dụng eDNA để kiểm kê mọi thứ, từ virus, vi khuẩn đến thực vật, động vật, từ sườn núi Everest đến đại dương sâu thẳm.
Một nhóm nghiên cứu độc lập gần đây đã chỉ ra rằng eDNA có thể được chiết xuất từ không khí loãng để xác định các loài động thực vật gần đó. Cách tiếp cận này có thể là một công cụ mới giá trị để giám sát môi trường trên cạn. DNA trong không khí có thể được sử dụng để phát hiện các loài quý hiếm, nguy cơ tuyệt chủng, đồng thời theo dõi sự thay đổi trong cấu trúc của các tổ hợp loài do biến đổi khí hậu. Phương pháp này cũng có thể cung cấp những cảnh báo sớm về các loài xâm lấn di chuyển vào các môi trường mới và thậm chí có thể là một giải pháp hữu hiệu để ngăn chặn nạn buôn bán động vật hoang dã.
Elizabeth Clare, nhà sinh vật học tại Đại học York (Canada), cho biết: “Tính chất không xâm lấn của phương pháp này khiến nó đặc biệt có giá trị để quan sát các loài dễ bị tổn thương hoặc có nguy cơ tuyệt chủng, cũng như những loài ở các môi trường khó tiếp cận, chẳng hạn như các loài sống trong hang động hoặc lòng đất. Chúng ta hoàn toàn có thể biết tới sự tồn tại của một loài động vật nào đó trong khu vực thông qua dấu vết DNA trong không khí mà không cần trực tiếp quan sát chúng.”
Khi di chuyển trong môi trường sống, các loài sinh vật sẽ tiết ra các dấu vết di truyền dưới dạng da, lông, vảy, phấn hoa và chất bài tiết. Các khảo sát eDNA điển hình được phát triển trong vài thập kỷ qua lấy mẫu nước, đất hoặc bề mặt để tìm các manh mối di truyền. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới này cho thấy vật chất chứa DNA cũng đang tồn tại trong không khí xung quanh và có thể được thu thập, giải mã một cách dễ dàng. Phát hiện này là một “bước tiến lớn trong lĩnh vực eDNA”.
Từ lý thuyết đến chứng minh khái niệm
Các nghiên cứu chứng minh khái nhiệm gần đây đều đã chứng minh một cách độc lập, hiệu quả phương pháp lấy DNA trong không khí để xác định nhiều dạng sống khác nhau. Hai nhóm riêng biệt đã công bố các nghiên cứu trên Tạp chí Current Biology cho thấy việc lấy mẫu không khí từ vườn thú mang lại đủ DNA để xác định các loài động vật gần đó.
Một nghiên cứu lấy mẫu ở Vườn thú Copenhagen (Đan Mạch) và một ở Công viên Sở thú Hamerton (Anh). Hai nhóm nghiên cứu không hề biết về công việc của nhau cho đến khi các nghiên cứu hoàn thành. Việc hai nhóm nghiên cứu đã chứng minh một cách độc lập tính hiệu quả của kỹ thuật này càng củng cố thêm cho kết quả của họ. Cả hai nhóm nghiên cứu đã chọn thử nghiệm kỹ thuật này trong vườn thú do mật độ cao của nhiều loại động vật ngoại lai ở cùng một địa điểm.
Các nhóm nghiên cứu sử dụng các phương pháp tương đồng để thu thập và xử lý các mẫu DNA trong không khí. Nhóm nghiên cứu ở Anh đã sử dụng máy bơm chân không công suất thấp và nhóm Đan Mạch đã sử dụng quạt thổi để thu thập DNA vào các bộ lọc ở nhiều vị trí khác nhau, cả trong nhà và ngoài trời xung quanh vườn thú.
Sau đó, mỗi nhóm sẽ khuếch đại các đoạn DNA nhỏ bằng phản ứng chuỗi polymerase (PCR) rồi so sánh các trình tự với cơ sở dữ liệu tham chiếu để xác định các loài hiện hữu. Tổng cộng, nhóm nghiên cứu ở Anh đã xác định được 25 loài động vật có xương sống và nhóm ở Đan Mạch đã tìm thấy 49 loài.
Ngoài động vật trong vườn thú, hai nhóm nghiên cứu cũng phát hiện một số loài hoang dã từ môi trường tự nhiên gần đó. Ví dụ, sóc, chuột nâu và chuột nhắt xuất hiện trong các mẫu của nhóm Đan Mạch, và nhóm nghiên cứu Anh tìm được loài nhím Á-Âu quý hiếm. Điều này chứng tỏ tiềm năng của eDNA trong không khí để áp dụng trong việc theo dõi động vật hoang dã quý hiếm.
Cả hai nghiên cứu cũng thu thập DNA từ các loài được sử dụng làm thức ăn. Nhóm nghiên cứu Đan Mạch đã xác định được cá hồi và gián có trong thực đơn của hải cẩu, gấu Bắc cực và cá sấu của Vườn thú Copenhagen. Nhóm ở Anh đã phát hiện ra bò, lợn và gà – thức ăn chính cho hổ, báo và chó sói ở Công viên Sở thú Hamerton.
Công nghệ DNA trong không khí cũng có thể được sử dụng để phát hiện hàng lậu trong buôn bán trái phép động vật hoang dã. Tuy nhiên, Ross McEwing, cán bộ dự án tại Văn phòng Liên hợp quốc về Ma túy và Tội phạm (UNODC), người dẫn đầu các nỗ lực sử dụng khoa học pháp y trong điều tra tội phạm về động vật hoang dã ở nhiều nơi trên thế giới, vẫn bày tỏ những hoài nghi. Theo ông, các phòng thí nghiệm tội phạm về động vật hoang dã thường sử dụng các kỹ thuật giải trình tự DNA đơn giản và tiêu chuẩn hóa, vì vậy việc xử lý các mẫu DNA không khí bị phân mảnh cao sẽ không thực tế. Hơn nữa, các sản phẩm từ động vật hoang dã đã qua chế biến và bảo quản trong buôn bán, chẳng hạn như bột xương hổ, da có chất bảo quản hoặc sừng tê giác dạng bột không có khả năng chứa DNA để dễ phát hiện được. Tuy nhiên, McEwing cũng nhận định thiết bị phát hiện DNA trong không khí có thể là một “công cụ hữu ích” tại các khu chợ hoặc xung quanh các container chuyên chở để xác minh xem có hay không các mặt hàng động vật hoang dã đang được bán hoặc nhập khẩu ở đó.
Côn trùng và thực vật cũng có thể được phát hiện nhờ eDNA
Một nhóm nghiên cứu ở Thụy Sĩ đã phát hiện 85 loài động vật không xương sống, bao gồm ong, bướm đêm, ruồi, bọ cánh cứng, ong bắp cày và kiến từ mẫu lấy từ không khí ở nhiều môi trường ngoài trời. Thu thập mẫu DNA trong không khí đối với động vật không xương sống đặc biệt hữu ích để theo dõi các vật trung gian truyền bệnh và sâu bệnh hại cây trồng. Phương pháp này cũng sẽ giúp đánh giá sức khỏe tổng thể và sự đa dạng của các tổ hợp côn trùng bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu, lạm dụng thuốc trừ sâu và thâm canh nông nghiệp.
eDNA cũng là một phương pháp hiệu quả để giám sát toàn bộ cộng đồng thực vật. Một nghiên cứu gần đây có trụ sở tại Hoa Kỳ cho thấy việc kiểm kê DNA trong không khí có thể so sánh với các cuộc điều tra thực vật bằng hình ảnh truyền thống. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng bẫy bụi gắn trên một khu vực đồng cỏ ở Texas để thu thập phấn hoa thực vật và các mảnh lá, hoa có trong không khí tự nhiên. Tổng cộng, kết quả giải mã trình tự DNA cho thấy có 91 loài thực vật, so với 80 loài từng được xác định thông qua khảo sát trực quan.
Mặc dù các nhà thực vật học thực địa đã ghi nhận nhiều loài hoa sặc sỡ quý hiếm hơn, phương pháp di truyền học này đã phát hiện ra nhiều loại cỏ hơn, đồng thời cũng tìm ra một loài xâm lấn mà không cần thông quá qua khảo sát trực quan. Phát hiện này nhấn mạnh tiềm năng của eDNA trong việc phát hiện sớm các loài xâm lấn có hại, từ đó có hành động diệt trừ kịp thời.
Ứng dụng thực tế
Theo Clare, eDNA trong không khí có ba ứng dụng tiềm năng chính. Đầu tiên, các thiết bị xác định DNA có thể được sử dụng để theo dõi thụ động các thành phần loài trong môi trường. Thứ hai, công cụ này giúp phát hiện sớm các loài xâm lấn di chuyển vào môi trường. Và cuối cùng, nó có thể được sử dụng để nghiên cứu các loài rất nhạy cảm hoặc có nguy cơ tuyệt chủng, khó theo dõi do sự quý hiếm của chúng.
Trong một số trường hợp, thậm chí có thể sử dụng eDNA để nghiên cứu sự đa dạng di truyền của các quần thể đang bên bờ vực tuyệt chủng mà các nhà khoa học không thể mạo hiểm tác động vào. Clare cho biết: “Điều đó rất hiệu quả, đặc biệt là khi chúng ta đang phải tiếp cận với các loài quý hiếm và có nguy cơ tuyệt chủng. Bất cứ công cụ không xâm lấn nào giúp chúng tôi ước tính sức khỏe quần thể của loài đều rất quan trọng.”
eDNA còn có tiềm năng như một công cụ bổ sung có thể kết hợp với các phương pháp khác. Seimon từ Tổ chức WCS cho hay, eDNA ngày càng được tích hợp vào các dự án bảo tồn hàng đầu. Tại Lào và Việt Nam, các nhóm bảo tồn đang tìm kiếm loài Sao la cực kỳ nguy cấp (Pseudoryx nghetinhensis) và rùa mai mềm Thượng Hải (Rafetus swinhoei) bằng các phương pháp truyền thống kết hợp với lấy mẫu eDNA của phân và nước hồ tương ứng.
Cần có các nghiên cứu sâu hơn về eDNA và cách DNA di chuyển và tồn tại trong không khí. Seimon chia sẻ: “Chúng tôi biết rằng một số loài tiết ra eDNA theo các cách khác nhau và nhiều biến số môi trường có thể tác động đến sự suy giảm eDNA trong lĩnh vực này như nhiệt độ, bức xạ tia cực tím và độ ẩm. Việc xác định mức độ phát hiện eDNA từ không khí trong môi trường rừng, núi hoặc sa mạc, nơi động vật đang di chuyển… sẽ là những câu hỏi quan trọng cần trả lời.”
Clare đồng ý rằng cần phải phát triển thêm để tối ưu hóa kỹ thuật, đồng thời hiểu thêm về độ nhạy và sự tin cậy của eDNA. Thực tế là lấy mẫu eDNA thủy sinh đã xuất hiện trong những năm gần đây, cung cấp một nguồn tài nguyên khổng lồ, góp phần đẩy nhanh sự phát triển của kỹ thuật này.
Thùy Dung (Theo Mongabay)
