Quanti pesci ci sono in mare? Ce lo dice l’eDNA

Il nuovo strumento aiuterà a censire gli oceani, monitorare i pesci, tenere traccia del cambiamento della vita marina. L'eDNA rende l'oceano un mare di informazioni biologiche

[18 Dicembre 2020]

Grazie allo studio “Trawl and eDNA assessment of marine fish diversity, seasonality, and relative abundance in coastal New Jersey, USA”, pubblicato recentemente su ICES Journal of Marine Science da un team di ricercatori della Rockefeller University, della Monmouth University e del New Jersey Bureau of Marine Fisheries, abbiamo fatto un passo avanti nel rispondere a una delle domande più vecchie: “quanti pesci nel mare?”. Infatti, secondo la ricerca, «La quantità di DNA di pesce raccolto in un campione d’acqua corrisponde strettamente ai chili di pesce catturati in una rete a strascico».

Si tratta di uno studio rivoluzionario e gli scienziati dicono che «I frammenti di DNA galleggianti trovati in piccoli campioni d’acqua rivelano approssimativamente la biomassa relativa dei pesci nel mare, nonché in una rete a strascico con reti “gold standard” del governo degli Stati Uniti».

I ricercatori hanno prelevato campioni di acqua di mare durante l’indagine sulla pesca a strascico voluta dal governo dello Stato Usa del New Jersey e hanno testato l’acqua per trovare il DNA dei pesci. L’analisi de Ora dicono che «L’acqua è stata in grado di rivelare l’abbondanza relativa di pesce con una corrispondenza del 70% nei risultati tra i due metodi di campionamento. Oltre alla grande concordanza tra i metodi, lo studio ha scoperto che ogni metodo di campionamento ha prodotto informazioni mancati nell’altro».

Mentre era già stato dimostrato che il DNA ambientale (eDNA) è un modo affidabile per determinare la varietà di pesci in un’area marina, il nuovo studio è il primo a dimostrare che  «I frammenti di eDNA che galleggiano nell’acqua di mare rivelano anche l’abbondanza relativa del specie che ci nuotano».

Il documento definisce “la pesca del DNA” come un insieme poco costoso e innocuo di reti, acustica e altri metodi consolidati per monitorare la salute degli stock ittici e/o la mutevole diversità, distribuzione e abbondanza della vita acquatica ed evidenzia che «Le informazioni sulla diversità e la relativa abbondanza di pesce disponibile in un campione da un litro sono paragonabili a una passata a strascico da 66 milioni di litri, abbastanza acqua di mare per riempire uno stadio di calcio fino in cima ai pali della porta».

Durante quattro spedizioni del New Jersey Ocean Trawl Survey realizzate nel 2019 a bordo della nave da ricerca Sea Wolf, gli scienziati guidati da Mark Stoeckle, senior research associate del Rockefeller University Program for the Human Environment, hanno raccolto campioni di acqua da un a varie profondità appena prima che le reti del peschereccio venissero calate e sottolineano che «La scoperta ha profonde implicazioni per il miglioramento della gestione della pesca globale e ha portato a prime proposte per un “Great American Fish Count” nei fiumi e nelle acque costiere, aiutato da milioni di citizen scientist, paragonabile al Great Backyard Bird Counts dell’Audubon».

Stoeckle spiega che «I pesci e altri organismi perdono DNA come noi la forfora, lasciando una scia invisibile ovunque nuotino. Questo DNA ambientale può essere costituito da cellule della pelle, escrementi, urina, uova e altri residui biologici che durano nell’oceano per alcuni giorni».

Il procedimento dell’eDNA è semplice ed estremamente economico rispetto ai tradizionali metodi di monitoraggio della vita marina, che coinvolgono navi con equipaggi numerosi e un coautore dello studio, Zachary Charlop-Powers della Rockefeller University, principale sviluppatore del software utilizzato nelle analisi del DNA, spiega a sua volta che «Il test eDNA comporta la raccolta e il filtraggio di un campione d’acqua, l’estrazione e il sequenziamento del DNA in un laboratorio, quindi la corrispondenza dei risultati trovati in una libreria di riferimento sul DNA online. Gli strumenti bioinformatici utilizzati dal team sono le stesse pipeline di analisi del “codice a barre” comunemente utilizzate dai microbiologi, ma sono state adattate per lo studio dei vertebrati marini. L’anno del campionamento e dell’estrazione del DNA ha richiesto un investimento di soli 12.000 euro, salari esclusi».

Stoeckle, un medico di Harvard che ha contribuito a fare da pioniere nel “codice a barre” del DNA, è convinto che «Le applicazioni del DNA ambientale nel regno marino sono vaste. Ad esempio, l’eDNA fornisce un modo a basso costo per monitorare l’efficacia di un’area marina protetta, o se gli sforzi per ripristinare una barriera corallina stanno avendo successo. Potrebbe rivelare gli effetti ecologici delle attività industriali marine, inclusi parchi eolici offshore, petrolio e impianti di perforazione del gas e pesca commerciale e ricreativa. Per  fare un esempio, se pensassimo a una rete a strascico come una a una TAC medica completa o una risonanza magnetica, allora l’eDNA può essere pensato come un’ecografia tascabile – può essere trasportata e utilizzata ovunque in ospedale, senza il tempo e la spesa per programmare un esame su vasta scala. E i sondaggi eDNA diventeranno ogni anno migliori e più informativi man mano che la tecnica migliora e la libreria di riferimento del DNA cresce».

Secondo un altro autore dello studio, Jason Adolf, che insegna scienze marine alla Monmouth University, «L’eDNA potrebbe anche essere usato per identificare la vita nelle regioni oceaniche di difficile accesso con reti da traino, come aree molto rocciose, o luoghi troppo o poco profondi» E un’altra coautrice dello studio  della  Monmouth, Keith Dunton, esperta di specie ittiche in via di estinzione, osserva che «I risultati sono promettenti per specie ittiche rare e comuni. L’eDNA insieme ad altre tecnologie come la telemetria acustica offre un modo sensibile e non estrattivo per monitorare il declino e la ripresa di specie rare, minacciate e in via di estinzione. Non dobbiamo sottoporle a catture stressanti per sapere se sono lì».

Le indagini sulle reti da traino, lo strumento principale utilizzato per monitorare le popolazioni ittiche, hanno protocolli stabiliti con cura e forniscono informazioni dettagliate, ma sono costose, richiedono tempo e richiedono attrezzature speciali ed esperti di identificazione dei pesci. A causa delle dimensioni dell’equipaggio necessarie, recentemente le attività di queste reti da traino sono state limitate dalla pandemia di Covid-19.

Le indagini attuate dello Stato del New Jersey ogni stagione comportano l’installazione di una rete a strascico, simile a quella utilizzata nella pesca commerciale, dietro una nave su uno schema predeterminato. Le catture nelle reti vengono tirate a bordo e smistate su tavole dove viene registrato il peso di ogni specie identificata. Ogni tre mesi vengono salpate tra le 30 e le 40 reti da traino.

Per confrontare l’indagine con reti da traino con l’indagine eDNA, sono stati raccolti campioni d’acqua da un litro in superficie e in profondità prima che le reti da traino fossero calate e salpate. Tuttavia, i campioni sono stati prelevati solo nel 25% delle cale delle reti da traino e i ricercatori fanno notare che «Quando sono stati analizzati i dati delle due indagini, l’indagine eDNA ha rilevato la maggior parte delle stesse specie di pesci e ha anche trovato specie non catturate nella rete da traino. E lo ha fatto con solo un quarto dei campioni prelevati e una frazione dello sforzo richiesto».

Lo studio afferma che «La maggior parte (dal 70% all’87%) delle specie rilevate dalla rete da traino in un dato mese sono state rilevate anche dall’eDNA e viceversa, comprese quasi tutte (dal 92% al 100%) le specie abbondanti». Al contrario, la maggior parte delle non corrispondenze riguardavano taxa relativamente rari.

L’abbondanza stagionale di picco delle reti da traino e dell’eDNA concordava per circa il 70% delle specie ittiche. In altri confronti, le “letture” mensili di eDNA delle specie erano correlate al peso mensile, o biomassa, di quella specie recuperata nella rete da traino e lo studio fa notare che «L’eDNA concordava ampiamente con le stime mensili della ricchezza, composizione, stagionalità e abbondanza relativa delle specie di pesci marini delle reti da traino».

Per Stoeckle «E’ importante capire che i risultati di entrambi i metodi sono veri e complementari. Catturano molte informazioni sovrapposte e concordanti, nonché alcune informazioni uniche per ciascun metodo».

Un altro autore dello studio, Gregory Hinks del Department of Environmental Protection del New Jersey, aggiunge: «Durante periodi come il Covid, quando non è sicuro condurre sondaggi con grandi tewam, il metodo eDNA potrebbe ci consentono ancora di mantenere una certa continuità nelle nostre indagini. In ogni caso, applicare l’eDNA su un’indagine esistente potrebbe eventualmente fornire un modo conveniente per migliorare la valutazione degli stock ittici marini».

Il nuovo studio dice che c’è bisogno di ulteriori ricerche, come una migliore calibrazione delle “letture” dell’eDNA per la massa corporea dei pesci: «Quanto DNA viene versato da 1.000 acciughe pesanti 1 chilo, ad esempio, rispetto a una spigola di un chilo?  E come tener conto delle letture di eDNA che potrebbero essere il risultato di lesioni dovute a un attacco di predatori?

Dato che la raccolta dell’acqua per l’eDNA è così rapida e facile, le navi di ricerca o oceanografiche e le navi commerciali e da diporto possono raccogliere campioni mentre sin spostano da un luogo all’altro. Per raccogliere campioni d’acqua potrebbero essere utilizzati anche i droni. E con ulteriori studi in acque dolci e marine, le stime del numero di animali che utilizzano l’eDNA continueranno a migliorare così come le banche dati di riferimento del DNA che consentono un’identificazione affidabile delle specie acquatiche.

Anche Jesse Ausubel, direttore del Program for the Human Environment della Rockefeller University, che ha sviluppato e aiutato a supervisionare il primo international Census of Marine Life, una collaborazione decennale (2000-2010) tra 2.700 scienziati di 80 Paesi, è convinto che «L’eDNA apre la strada a censimenti di valore, qualità e convenienza senza precedenti. L’eDNA rende l’oceano un mare di informazioni biologiche. Negli Stati Uniti potremmo organizzare un Great American Fish Count in cui milioni di citizen scientist potrebbero raccogliere acqua per fare il test eDNA in tutte le nostre acque. A livello globale, l’incipiente UN Decade of the Oceans potrebbe includere un campionamento del Great Global Fish Count dal fondale marino alla superficie del mare e vicino alla costa al centro dell’oceano durante un solo giorno o settimana».

Tony MacDonald, direttore dell’Urban Coast Institute della Monmouth University, ha detto che «Il nostro istituto e gli scienziati erano entusiasti di sostenere questo lavoro innovativo, una delle numerose collaborazioni negli ultimi anni tra UCI e The Rockefeller University Program for the Human Environment. Speriamo di avere l’opportunità di continuare ed espandere la nostra collaborazione con il Department of Environmental Protection Marine Fisheries del New Jersey e la National Oceanic and Atmospheric Administration per le future reti da traino per far avanzare ulteriormente la ricerca sull’eDNA».

Il contrammiraglio cdell’ U.S. Navy Tim Gallaudet, vicesegretario Usa al Commercio per Oceani e Atmosfera e vice- amministratore Noaa, ha concluso: «La Noaa sta rapidamente promuovendo le tecnologie omiche, incluso l’eDNA, per migliorare la nostra capacità di monitorare e comprendere le comunità biologiche nei nostri oceani e nei Grandi Laghi. Applicazioni importanti includono il monitoraggio di specie in via di estinzione e invasive, la valutazione della biodiversità per la salute dell’ecosistema, il monitoraggio dei patogeni nell’acquacoltura e il potenziamento delle indagini sulla pesca. Attraverso la Noaa “Omics Strategy” ‘e il nostro imminente piano di implementazione, abbiamo definito obiettivi e passaggi attuabili per integrare le moderne tecnologie omiche per aiutare a realizzare la nostra missione. La collaborazione con la Rockefeller University e altri partner ci consentirà di espandere e far progredire la ricerca omica e eDNA a diretto sostegno della Blue Economy americana»