Molekulární metody ochrany přírody

Výraz molekula si mnohem častěji spojujeme spíše se vzpomínkami na školní léta než s každodenní ochranářskou praxí. Zdá se, že v tomto směru dochází, a hlavně bude docházet, k postupné změně. Molekulární ekologie, byť poněkud uměle vytvořená, totiž patří k nejdynamičtěji se rozvíjejícím vědním oborům vůbec. Jak trefně podotkli Pavel Munclinger a nedávno zesnulý Jan Zima, samotný pojem neoznačuje žádnou ekologii molekul, ale disciplínu, snažící se pomocí rozmanitých molekulárních metod řešit některé klasické ekologické otázky.

Využívá při tom četné poznatky evoluční biologie, taxonomie, genetiky, molekulární biologie, statistiky a pochopitelně, jak již napovídá název, ekologie. Slovenský biolog a pedagog Peter Mikulíček využil při sepisování učebnice tradiční koncepci oboru. Na úvod představuje problematiku molekulárních znaků (markerů), tedy úseků nukleové kyseliny nebo bílkoviny, variabilních v rámci určité skupiny jedinců, populací nebo druhů. Zvláštní pozornost autor věnuje mitochondriální DNA a mikrosatelitům, zhusta používaným právě při výzkumu fauny.

Genetická rozmanitost a její význam

Genetická rozmanitost představuje rozmanitost v pořadí nukleových bází dědičné hmoty (DNA, deoxyribonukleové kyseliny) a znaků v rámci druhů. Jde tedy o dědičné rozdíly mezi jedinci a populacemi zakódované v DNA: je proto vždy vnitrodruhová. Genetická rozmanitost umožňuje druhům, společenstvům a ekosystémům přizpůsobit se okolnímu prostředí, odolávat negativním vnějším vlivům a rozvíjet se: zůstává proto nutnou podmínkou evolučních změn. Navíc pomáhá ekosystémům se po nepříznivých zásazích obnovit a současně nikoli nevýznamně podporuje zachování ekosystémových procesů, funkcí a služeb a lidské společnosti poskytuje řadu možností, jak zvýšit produktivitu zemědělství, lesnictví a rybolovu.

Hlavní hnací síly úbytku genetické rozmanitosti, kterému říkáme také genetická eroze, zahrnují rozpad, poškozování, ničení a ztrátu biotopů, nadměrné využívání populací lidmi a změny podnebí. Všechny uvedené činitele mohou snižovat jak početnost populací, tak zmenšovat jimi osídlený prostor (demotop). Méně početné populace přitom ztrácejí rozmanitost dědičné hmoty rychleji než početnější. Nižší genetická variabilita určité populace nebo druhu zvyšuje pravděpodobnost jejich vymření.

V dlouhodobě málopočetných nebo geograficky izolovaných populacích přírodní výběr neprobíhá v takovém rozsahu jako u početných. Vysvětlení jevu nazývaného genetický drift neboli genetický posun musíme hledat v tom, že se právě v nich mnohem více uplatňuje obyčejná náhoda. Opět přitom platí, že čím je početnost populace nižší, tím bývá vliv náhody výraznější. Protože celý genofond (soubor všech genů a alel v určité populaci) čítá v takovém případě poměrně málo alel (různých forem téhož genu), do hry vstupují i takové alely, které by v početnější populaci neměly šanci se uplatnit.

Čtěte také: Význam molekulární ekologie

Snižující se početnost a s ní klesající genetická proměnlivost s sebou přináší další zákonitost: v obdobné populaci se zvyšuje genetická příbuznost jedinců. Jinými slovy, roste v ní pravděpodobnost, že potomek od obou rodičů dostane stejnou variantu daného genetického znaku a s ní i nepříznivé mutace, které se u něj na rozdíl od běžné situace v této kombinaci projeví, a to někdy hodně drsně. Mutace představují kvantitativní nebo kvalitativní změnu v DNA, vnášející posuny v tomto případě do celého genofondu.

V některých případech vede náhlý pokles početnosti k výraznému snížení genetické rozmanitosti, přičemž populace nevymře a postupně se obnovuje. Nicméně rozrůzněnost jejího genofondu již obvykle zůstává nízká, a to se všemi dopady, zvláště pokud je izolovaná. Genetici uvedenou situaci trefně popisují jako efekt hrdla láhve nebo efekt úzkého hrdla. Jeho specifický případ nastává, jestliže vzniká nová populace, a to buď přirozenou cestou, kupř. kolonizací, nebo uměle, např.

Pokud hodláme udržet určitou populaci životaschopnou dlouhodobě, tedy nejméně 200 let, musí si podržet alespoň 90 % své genetické rozmanitosti. Úbytek genetické proměnlivosti se snižuje, pokud účinná početnost populace (Ne), někdy označovaná i jako efektivní velikost populace, dosáhne více než 1 000 jedinců: přesné číslo ovlivňují specifické charakteristiky biologie příslušného druhu. Účinná početnost populace představuje počet jedinců z určité populace, kteří se skutečně rozmnožují.

Je ovlivněna poměrem pohlaví v populaci, kolísáními její početnosti, proměnlivostí počtu potomstva, prostorovou strukturou populace nebo u živočichů hierarchií v rámci society. Účinná početnost populace tak reálně představuje pouze desetinu až třetinu abundance určité populace, zjištěné sčítáním a dalšími metodami terénního výzkumu, kupř. zpětnými odchyty. Aby se zabránilo ztrátě proměnlivosti dědičné hmoty, stabilní populace vyžaduje 3 000-10 000 jedinců (SAFE index).

Cílem druhové ochrany zůstává udržení dostatečně početných a tím i geneticky kvalitních populací původních druhů planě rostoucích rostlin a volně žijících živočichů a dalších organismů schopných dlouhodobé samostatné existence v dostatečně velkém a minimálně narušeném prostředí. Výše uvedené číslo v řadě případů značně převyšuje početnost populací zejména kriticky ohrožených druhů.

Čtěte také: Zaměření laboratoře na vektory a patogeny

Aplikace molekulární ekologie v ochraně přírody

Je možné uvedené učeně a současně moderně znějící přístupy začlenit do praktické ochrany přírody a krajiny? Určitě je - a již se tak děje. Očividnou předností molekulární ekologie zůstává schopnost rozumným způsobem odpovědět na otázky, jejichž řešení bylo až donedávna považováno - a to v lepším případě - za hudbu vzdálené budoucnosti. Líbí se mi nenásilné podobenství mezi molekulárně ekologickým výzkumem a řešením složitých a přitom napínavých kriminálních případů. Nemám na mysli jen vhodnou aplikaci metod, popisovaných ve skriptech, při regulaci obchodu s ohroženými druhy fauny a flóry, tedy snaze oddělit prokazatelně slušné chovatele a pěstitele od amatérských i profesionálních šibalů nejrůznějšího ražení.

Vždyť skutečnost, že pro použití uvedených postupů potřebujeme obvykle jen malé množství biologického materiálu, usnadňuje studium přirozeně vzácných nebo ohrožených taxonů stejně jako skrytě žijících organismů či morfologicky neodlišitelných druhů. Pro analýzu čárového kódu DNA lze využít i vzorky půdy, usazenin či mořské nebo sladké vody bez viditelné přítomnosti biologického materiálu: tzv. environmentální DNA se do prostředí mohla dostat kupř. vylučováním organismy či jejich rozkladem. Aplikace metod molekulární ekologie mj. významně upravila náš názor, kolik jedinců vlajkového druhu světové ochrany přírody, kterým panda velká (Ailuropoda melanoleuca) bezesporu je, žije ve volné přírodě a v jakém rozsahu si jsou příbuzní.

Dokážeme také určit, do jaké míry a odkdy je určitá populace izolovaná od ostatních a jak významně ji ovlivňuje příbuzenská plemenitba (inbríding). Uvedený postup nachází široké uplatnění nejen při chovu v lidské péči, ale i při realizaci záchranných programů v terénu. Soudobé statistické metody, kupř. bayesovská statistika, napomáhají od sebe racionálně, nikoli pocitově odlišit jednotlivé populace. Databanka, organizovaná podle databáze provozované pro kriminalistické účely americkým Federálním úřadem pro vyšetřování (FBI), shromažďuje od roku 2010 údaje o genetické informaci obou druhů afrických nosorožců, a to jak ze zabavených rohů, tak tkání a krve zabitých i živých exemplářů.

Jedním z cílů databanky je umožnit rychle a současně spolehlivě přiřadit úřady konfiskovaný roh ke konkrétnímu zvířeti. Dosud byla do databáze postoupena data o struktuře dědičného materiálu více než 20 000 nosorožců z různých afrických zemí. Z celé řady dalších situací, kdy péče o přírodní a krajinné dědictví ochotně sahá po poznatcích molekulární ekologie, jmenujme již jen snahu přijít na to, proč se některé druhy poté, co se působením člověka ocitnou mimo původní areál rozšíření, stanou invazními potížisty.

Na druhou stranu to byla právě molekulární ekologie, jež ukázala, že některé ikony druhové ochrany, jako je zubr (Bison bonasus) nebo jelen milu (Elaphurus davidianus), vlastně ani druhy nejsou. A to záměrně nezmiňujeme stále populárnější myšlenku umělého vytváření jedinců, kteří se podobají vymřelým taxonům - deextinkci.

Čtěte také: Využití molekulárních metod v ochraně přírody

Ochrana přírody a ochranářská genetika

Četné poznatky z praxe dokazují, že vhodná ochranářská opatření napomáhají zachovat genetickou diverzitu populací cílových taxonů in situ i ex situ. Na mysli máme především zvýšení počtu dlouhodobě životaschopných populací flóry a fauny (Ne>500) mj. podporou výměny jedinců a tím toku genetické informace mezi nimi, kupř. zlepšováním průchodnosti krajiny či omezováním jejího rozpadu (fragmentace). Všichni v současnosti žijící koně Převalského (Equus przewalskii) představují potomky pouhých třinácti zvířat.

I když první práce zabývající se genetikou málopočetných populací se objevily už v 60. letech 20. století, za zrod ochranářské genetiky jako samostatného vědního oboru se obvykle považuje teprve uveřejnění článků Otty Frankela. Od té doby urazila ochranářská genetika pozoruhodnou cestu, ale genetická eroze se postupem času stala ještě zásadnějším problémem, než byla začátkem 70. let 20. století. Vždyť u 91 zkoumaných druhů se rozmanitost dědičné hmoty za posledních sto let snížila o 6 %, u ostrovních taxonů dokonce o 28 %. Řada druhů, a to nejen ohrožených, již vlivem působení člověka ztratila nejméně 10 % genetické rozmanitosti.

Až donedávna se v ochranářské genetice uplatňovaly metody založené na analýze krátkých úseků genomu, obvykle tvořené jedním genem (neutrálních markerů). V poslední době došlo k obrovskému posunu v poznání celých genomů souvisejícímu s prudkým poklesem nákladů, snížením nároků na objem lidské práce a na laboratorní vybavení a zkrácením vlastní analýzy. Na začátku tisíciletí totiž začaly být dostupné metody sekvencování DNA další generace. Zatímco do té doby přišlo popsání genomu určitého druhu v průměru na milion USD, dnes stojí 100 USD a s velkou pravděpodobností bude dál zlevňovat.

Rozumíme tak nejen tomu, jak je genom organizován, ale i tomu, jak všechny jeho části pracují a jak dohromady fungují, a to nejen u modelových, ale i u ohrožených a přirozeně vzácných druhů. Uvedené znalosti proto mohou najít nemalé uplatnění v praxi, kupř. při vymezení evolučně významných linií, jimž by měla ochrana přírody věnovat zvýšenou pozornost, hodnocení jejich životaschopnosti, omezování inbrídingu a hybridizace, regulaci invazních nepůvodních druhů, obnově přírody a při péči o cílové populace. Někteří odborníci hovoří rovnou o ochranářské genomice.

Současný stav a budoucnost ochranářské genetiky

Stále častější využívání postupů molekulární biologie v ochranářské genetice ji činí pro praktiky ještě abstraktnější. I v Evropě se rozsah a intenzita genetického monitorování v jednotlivých zemích liší: nedostatečně probíhá zejména v jihovýchodní části kontinentu. Přestože IUCN (Mezinárodní unie ochrany přírody) rozvoj ochranářské genetiky hlavně po odborné stránce již delší dobu intenzivně podporuje, její kritéria pro zařazování druhů do červených seznamů zatím v úvahu genetickou rozmanitost neberou.

Úmluva o biologické rozmanitosti (CBD) se na genetické úrovni zaměřuje především na jeden ze svých tří základních cílů - rovnoprávné a spravedlivé rozdělování přínosů plynoucích z využívání genetických zdrojů včetně odpovídajícího přístupu k nim. Snaží se také řešit aktuální politicky ožehavé otázky související s možnou regulací soudobých biotechnologických postupů. Vědci a nevládní sektor proto CBD oprávněně kritizovali za to, že naopak přehlíží genetickou rozmanitost planě rostoucích rostlin, volně žijících živočichů a dalších organismů.

Vlády při hodnocení genetické diverzity totiž používají ukazatele, které příliš nesouvisejí s úbytkem genetické diverzity flóry a fauny, jako je stav odrůd a kultivarů plodin a plemen domácích a hospodářských zvířat, vyhýbají se monitorování genetické diverzity a soustřeďují se mnohem více na její ochranu ex situ než in situ.

Vhodnou příležitost zaběhlou situaci změnit poskytlo vyjednávání Kchun-mingsko-montrealského globálního rámce pro biologickou rozmanitost (GBF). Zejména nově vytvořená Koalice pro ochranářskou genetiku proto spustila rozsáhlou kampaň za začlenění uvedené problematiky do GBF. Indikátory ochranářské genetiky se skutečně staly součástí GBF, a to i díky souhlasnému stanovisku Evropské unie reprezentované v červenci až prosinci 2022 během předsednictví v Radě EU Českou republikou.

Globálně prioritní a pro smluvní strany povinný indikátor A4 (podíl populací v rámci druhu s Ne > 500) a o nepovinný doplňkový indikátor k cíli A (podíl odlišných populací udržovaných v rámci druhu, UNEP 2022a, 2022b). Uvedený krok by mohl významně podpořit úsilí smluvních stran zachovat genetickou diverzitu flóry a fauny, protože budou muset pravidelně podávat zprávy o tom, jak se jim v tomto směru (ne)daří. V České republice se poznatky ochranářské genetiky uplatňují u většiny z dosud schválených záchranných programů a plánů péče. Využití genetiky, resp. genomiky v ochraně přírody a krajiny je mnohem širší, než představuje náš rozsahem omezený příspěvek.

O ochranářské genetice se v poslední době stále častěji hovoří mj. v souvislosti s probíhajícími a očekávanými změnami podnebí. Ochranářská genetika není pro péči o přírodní a krajinné dědictví ani zázračným všelékem, ale ani odtažitým strašákem.

Příklady využití molekulárních metod v praxi

• Vlci v České republice: Díky genetickým analýzám víme, že vlci osídlující Českou republiku pocházejí častěji z nížinné německo-polské populace než z Karpat.
• Nosorožci afričtí: Databáze DNA pomáhá přiřazovat zabavené rohy ke konkrétním zvířatům, což usnadňuje boj proti pytláctví.
• Koně Převalského: Všichni žijící jedinci pocházejí pouze od 13 zvířat, což ukazuje na kritickou potřebu ochrany genetické diverzity.

Tabulka: Faktory ovlivňující genetickou rozmanitost

tags: #molekulární #metody #ochrany #přírody

Oblíbené příspěvky:

• Aktivity pro ekologickou výchovu
• Trvalky pro slunnou půdu
• Ekologické přebalovací podložky: Recenze
• Explore Czech Canada
• Výskyt červeného hmyzu