Создан дрон для сбора экологической ДНК с ветвей деревьев

Многие современные исследования биоразнообразия основаны на анализе экологической ДНК (эДНК) — свободного генетического материала из окружающей среды. Получение образцов из труднодоступных мест требует оригинальных технических решений. Новый летательный аппарат eDrone собирает эДНК с верхушек деревьев и доставляет ее исследователю.

Credit:
jmrocek | 123rf.com


Ученые до сих пор далеко не полностью изучили разнообразие видов живых существ на Земле, а оно стремительно убывает. Согласно оценкам, разрушение природных экосистем, загрязнение окружающей среды и другие негативные последствия деятельности человека грозят вымиранием примерно 1 миллиону видов в течение 20 ближайших лет.

Все это определяет необходимость надежной, точной и эффективной методологии для оценки биоразнообразия, идентификации видов и других систематических групп в экосистеме и их мониторинга. К настоящему времени больших успехов ученые добились, анализируя так называемую экологическую ДНК (эДНК, environmental DNA) — генетический материал, который обнаружен в окружающей среде, а не извлечен из конкретного организма или клетки. Ученые из Швейцарии и Франции оптимизировали сбор эДНК и рассказали об этом в Science Robotics.

Экологическая ДНК представляет собой сложную смесь из молекул различного происхождения, как внутриклеточного (из клеток, представляющих все три домена жизни), так и внеклеточного (из слущенной кожи и других отмерших частей, а также шерсти, выделений и трупов животных). Успешное и воспроизводимое исследование эДНК требует автоматизированных и высокоэффективных подходов, использующих сложные технические устройства. Роботы, дроны и различные электронные приборы способы решить ряд проблем в этой области. Например, им можно доверить сбор эДНК в труднодоступных частях наземных экосистем.

Авторы нового исследования разработали и протестировали подход к получению эДНК с верхних ветвей деревьев. Он предполагает использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА, дронов) для доступа к внешним частям полога леса, куда не доберется даже самый ловкий биолог. Новый аппарат, получивший название eDrone, «‎считывает‎» окружение и динамично взаимодействует с ним. Он опускается на ветви сверху и удерживается на них благодаря особой конструкции с датчиком силы, которая имеет форму полусферы и расположена в нижней части дрона. Конструкция снабжена липкими поверхностями. Она соприкасается с ветвями и отбирает эДНК.

Аппарат eDrone пригоден для работы с ветками, имеющими жесткость в диапазоне от 1 до 1000 ньютонов на метр. При этом устройство способно избегать ошибочных посадок и не нуждается в каких-либо предварительных данных о форме или механических характеристиках конкретной кроны. Их успешно заменяет алгоритм, позволяющий оперативно адаптироваться под новое окружение.

Управление БПЛА осуществляется с земли, причем оператор и прибор могут находиться по разные стороны ветки — оператор получает визуальный сигнал с камеры, установленной на дроне. После успешного сбора eDrone сажают на землю, удаляют рабочую поверхность, выделяют с нее ДНК и далее анализируют ее с помощью секвенирования и биоинформатических методов.

Авторы исследования с успехом провели первые полевые испытания нового дрона. Они собрали образцы с верхних ветвей деревьев семи видов, как лиственных, так и хвойных. Дрон вернулся с эДНК, принадлежащей 21 систематической группе многоклеточных существ. Среди них были птицы, млекопитающие, земноводные и различные беспозвоночные, в том числе насекомые.

Теперь ученые планируют усовершенствовать дрон и использовать его в тропическом лесу Сингапура: нужно будет обнаружить максимально возможное число видов на площади 100 га за 24 часа.

Источник

Aucone, E, et al. Drone-assisted collection of environmental DNA from tree branches for biodiversity monitoring // Science Robotics, Vol. 8, Issue 74. Published: 18 January 2023; DOI: 10.1126/scitranslmed.abo3724

Пресс-релиз

Добавить в избранное