科学者が初めて空中動物のDNAを捕獲

大学院生だったクリスティン・ボーマンは、学術的な学位を得るためにいくつかの犠牲を払った。例えば、マダガスカルのヒルがうようよいる小川に足を踏み入れ、寄生虫の腸管を調べることで、近隣の野生生物の遺伝学的手がかりを収集した。そのためには、まずヒルが自分の素肌にくっつくのを許さなければならなかった。「私は人間の餌になったんです」と、コペンハーゲン大学で進化ゲノミクスの准教授を務めるボーマンは言う。「これらのヒルは実際には熱帯雨林の動物を餌にして血を吸い、DNAの優れた保存体なのです。」

今回、ボーマン氏と別の研究グループは、環境DNA（eDNA）を採取するはるかに簡単な方法を考案した。彼らは2つの動物園の内外に数枚の空気フィルターを設置し、風に乗って漂う微細な遺伝物質を捕らえた。小さなフィルターを取り外し、シーケンサーでDNAを増幅したところ、飼育下の動物種数十種に加え、リス、ネコ、ハリネズミなど、近くを自由に歩き回る動物の遺伝子マーカーを発見できた。科学者らはこれまでも、同様のeDNA採取技術を用いて川や海の魚などの生物から遺伝物質を検出してきたが、空気中から採取した哺乳類のDNAにこの技術が用いられたのは今回が初めてだ。「次のステップは、この手法を自然界に持ち込み、様々な生息地や生態系に適応させる方法を見つけることです」とボーマン氏は語る。「とてもワクワクしています。」

動物園で行われた2つの実験の結果は、先週、Current Biology誌に掲載されました。最初の論文はコペンハーゲン大学のボーマン氏のチームによるもので、2つ目の論文はロンドンのクイーン・メアリー大学とトロントのヨーク大学のグループによるものです。

デンマークの研究者たちは、3枚の空気フィルターを30時間連続で設置し、哺乳類30種、鳥類13種、魚類4種、両生類1種、爬虫類1種を含む49種の脊椎動物を特定しました。オカピやアルマジロといった飼育下の動物園の動物、熱帯雨林館の池に生息するグッピー、さらにはドブネズミやハツカネズミといった害虫のDNAも発見されました。動物園の他の動物の餌として使われていた魚のDNAの微量片も空中に舞い上がり、フィルターで検出されました。

これに対し、英国の研究グループは、イングランド、ケンブリッジ近郊のハマートン動物園周辺の空気を30分間ずつしか採取しなかったが、動物の動きを追跡できるかどうかを確認するためにフィルターを場所から場所へと移動させた。主任研究者でヨーク大学の生物学助教授のエリザベス・クレア氏によると、研究チームは72のサンプルを採取し、ポリメラーゼ連鎖反応と呼ばれる実験室技術を使用して微量の物質を増幅し、個々の種の遺伝子マーカーを特定するのに十分な量にしたという。クレア氏によると、DNAフィルターはコーヒーフィルターのような働きをする。「空気が通過するので、微粒子はすべて捕らえられます。コーヒーの粉が捕らえられて水はそのまま通過するのと同じです。私たちがやろうとしているのは、空気中のDNAや細胞、組織の微細片をこのフィルターで捕らえることです。その後、無菌の研究室に戻り、チューブを開けてこの小さなフィルターを取り出し、そこからDNAを直接抽出します。」

英国の研究グループは、テナガザル、ディンゴ、ミーアキャット、ナマケモノ、ロバなど、飼育下の動物17種を含む25種の動物を特定しました。また、リスやハリネズミなど、園内を餌を探して徘徊していたと思われる外来種も発見しました。研究チームは、動物園の動物たちが単に囲いの一部にいるだけでなく、空間的に移動していることも検知しました。クレア氏は、空気サンプルの採取が近いうちに現場で行われるようになると期待しています。これは、絶滅危惧種の動物がどこに生息し、繁殖し、あるいは移動しているのかを解明し、それらの地域を人間の開発から守ろうとする生物学者にとって、非常に重要な意味を持つでしょう。

野生生物研究者たちは長年、動物を追跡するより良い方法を模索してきました。中には、野生動物の通る既知の道沿いに「カメラトラップ」を設置し、稀にしか現れない、あるいは夜間にしか現れない臆病な動物の画像を撮影する研究者もいます。また、動物の存在や食事内容を示す可能性のある糞の痕跡を探す研究者もいます。さらに、泥だらけの川岸、雪の山、砂漠に残された足跡という、昔ながらの定番の方法もあります。

しかし、多くの生物学者にとって、毎日何マイルも移動し、人間を警戒する哺乳類を追跡することはほぼ不可能だ。そこでeDNAの出番だ。「生態系を回復させたいのであれば、私たちの保全活動が絶滅危惧種や絶滅危惧種にどのような影響を与えるかを理解する必要があります。しかしそのためには、最も希少で、最も臆病で、最も隠れやすい種でさえも検出できなければなりません」と、モンタナ州ミズーラにある米国森林局野生生物・魚類保護のための国立ゲノミクスセンターの上級科学者、マイケル・シュワルツ氏はWIREDへのメールで述べている。「空気中の環境DNAを検出する能力のような、新しい技術が必要なのです」

シュワルツ氏は、2つの新しい研究には関わっていないが、空気、水、土壌のサンプルを使用して、2006年に米国に到達した真菌媒介性疾患である白鼻症候群によって数が壊滅的に減少したオオトカゲコウモリ（ Eptesicus fuscus ）を追跡している。シュワルツ氏と彼の同僚は、コウモリがねぐらにする洞窟の外の土壌と水からeDNAサンプルを調べた研究を9月にBiological Conservation誌に発表した。彼らはまた、プロジェクトの一環として空気サンプラーを使用し、オハイオ州のコウモリの囲い地から空気中のDNAを収集できるかどうかも調べた。研究によると、ろ過された7つの空気サンプルのうち6つで空気中のeDNAを検出することに成功したが、30匹のコウモリが飼育されていたにもかかわらず、濃度は低かった。

シュワルツ氏によると、同僚たちは空気サンプル採取技術を改良し、雪から少量のDNAを採取する方法の開発に取り組んでいるという。これにより、USFSチームは最近積雪の上を移動した哺乳類種を特定できるだけでなく、雪を掘り下げることで、特定の種類の動物が数ヶ月前にその地域を通過した証拠を見つけることもできる。シュワルツ氏のグループは、このプロジェクトの成果の一部を2019年にBiological Conservation誌に発表した。雪の足跡を利用してオオヤマネコのような臆病な捕食動物を特定することは、費用対効果が高く、効率的で、決定的な方法だとシュワルツ氏は述べている。

空気中のDNA採取技術は、個人から採取した遺伝物質の追跡に有効だろうか。ある専門家は、仮説的には有効だが、実際には不可能だと指摘する。「可能ではあるが、少々困難だろう」と、環境DNAを使って水生生物のサンプル採取を行っているマギル大学生態ゲノム科学准教授のメラニア・クリステスク氏は言う。髪の毛、唾液、血液など、表面に残った遺伝物質に含まれるヒトDNAの断片は、空気中のDNAよりも分析が容易だ。（スイスの研究者らは最近、第一次世界大戦の絵葉書に貼られた切手から採取したDNAを用いて家系図の謎を解き明かし、特定の条件下でのDNA分子の安定性を実証した。）しかし、空気中の遺伝物質の十分な量のサンプルを採取するには時間がかかり、研究者らは自身のDNAがフィルターを汚染しないよう細心の注意を払う必要がある。

空気中のDNAの場合、天候も重要な要素です。例えば、雨や風が強い日は、DNAを運ぶ粒子が空気中に消えてしまうため、採取がうまくいかない可能性があります。また、分子が熱や直射日光にどれだけ耐えられるかも不明です。「太陽光はDNAを分解するのでしょうか？おそらく分解するでしょうが、その速度は分かりません」とクレアは言います。「風がDNAをどれだけ遠くまで拡散させるかは分かりません。気温が分解速度にどう影響するかも分かりません。これらはどれも非常に興味深い疑問です。」

ボーマン氏とクレア氏は共に、動物園での実験はあくまでも始まりに過ぎず、今後も研究を継続し、サンプリング技術と関連技術の両方を向上させたいと考えていると述べています。eDNAの分野全体は急速に進歩しており、科学者たちは、例えば外来植物や外来動物が特定の地域に侵入しているかどうか、あるいは野生動物が移動や採餌に利用しているため、ジャングルや森林の特定の区画を保護する必要があるかどうかを判断できる時代が来ると予測しています。 

研究者たちは、動物の現在位置を知るだけでなく、その移動パターンを経時的に検出することが、生息地を開発から守り、地球の生物多様性を保全する鍵だと述べています。「存在するもののほとんどは、あなたがいる時に動物がそこにいることを前提としています。ですから、カメラトラップがあれば、動物はカメラトラップの前を歩かなければなりません。そして、もし動物がカメラトラップの後ろに行ってしまったら、そこにいたことすらわかりません」とクレアは言います。「DNAは非侵襲的な手法です。ですから、動物が昨日か一昨日そこにいたとしても、実際に検出することができます。それはむしろ、残された足跡のようなものです。」

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