Continental scale genetic diversity supports geo-clustered ecoregions connectivity

في العالم الطبيعي، تعتمد صحة أي مجموعة من الكائنات الحية غالباً على قدرتها على الحركة. فعندما يتضرر موطن طبيعي أو تختفي مجموعة محلية من الحيوانات، يعتمد تعافي تلك المنطقة على انتقال أفراد من أماكن مجاورة للتعويض السكاني. هذه الحركة ليست مجرد انتقال حيوان من بركة إلى أخرى؛ بل تتعلق بتدفق المعلومات الجينية عبر المشهد الطبيعي. يطلق العلماء على هذا المفهوم اسم "الاتصال" (connectivity). وهناك طريقتان رئيسيتان للنظر إليه: الأولى هي الاتصال الهيكلي، وهو ببساطة خريطة لما يقع بجانب ما. فإذا تشارك غابيان حدوداً، فهما متصلان هيكلياً. أما النوع الآخر فهو الاتصال الوظيفي، الذي يصف ما إذا كانت الحيوانات تتحرك بالفعل بين تلك الأماكن وتخلط جيناتها. وبينما قد تظهر الخريطة أن منطقتين متجاورتان، إلا أن الجبال أو الأنهار أو التوسع العمراني يمكن أن تعمل كجدران غير مرئية تمنع الحيوانات من العبور، مما يترك المجموعات على كلا الجانبين معزولة. إن فهم مكان وجود هذه الجدران أمر بالغ الأهمية للحفاظ على البيئة، لأن المجموعات المعزولة تكون أكثر عرضة للأمراض، وتغير المناخ، والانقراض.

قام فريق من الباحثين بمهمة لرسم خرائط لهذه الجدران غير المرئية عبر الولايات المتحدة بأكملها، ليس عن طريق تتبع الحيوانات الفردية، وهو أمر يكاد يكون مستحيلاً بالنسبة للكائنات الصغيرة، بل من خلال قراءة الشفرة الجينية للمياه نفسها. لقد ركزوا على مفصليات الأرجل القاعية، وهي الحشرات والقشريات الصغيرة التي تعيش في قاع البحيرات والأنهار والجداول. تعد هذه المخلوقات مؤشرات ممتازة لصحة النظام البيئي، ولكن من الصعب تحديد أنواعها بالعين المجردة. وبدلاً من فرز آلاف العينات تحت المجهر، استخدم العلماء تقنية تسمى "الترميز الجيني الميتاباركودي" (DNA metabarcoding). تتضمن هذه العملية أخذ عينات من الماء، واستخراج جميع قطع الحمض النووي (DNA) التي تركتها الكائنات الحية هناك، ثم تسلسلها. سمحت هذه الطريقة ليس فقط بتحديد الأنواع الموجودة، بل وأيضاً بالتحديد الدقيق للتباينات الجينية داخل تلك الأنواع، مما عمل كلقطة عالية الدقة للتركيبة الجينية للمنطقة بأكملها.

حلل الباحثون البيانات من 19 منطقة إيكولوجية متميزة، أو مناطق حيوية، تغطي 34 موقعاً في جميع أنحاء البلاد. وقارنوا بين التخطيط المادي لهذه المناطق والبيانات الجينية التي جمعوها. ووجدوا أنه، بشكل عام، تشترك الأماكن المتجاورة على الخريطة في أشكال حياة أكثر تشابهاً من الأماكن البعيدة. وهذا يبدو منطقياً من الناحية البديهية: فإذا تلامست منطقتان، يصبح من الأسهل على الكائن الحي التنقل بينهما. ومع ذلك، عندما نظروا بعمق في التفاصيل الجينية، ظهر انقسام هائل. فقد انقسمت الولايات المتحدة بوضوح إلى مجموعتين: الشرق والغرب. وقد امتد الخط الفاصل بين هذين العالمين الجينيين تقريباً على طول جبال روكي. وبينما تعد الجبال حاجزاً مادياً، إلا أن البيانات أشارت إلى أنها كانت أيضاً حاجزاً وظيفياً، حيث منعت فعلياً تدفق الجينات بين المجموعات الشرقية والغربية.

تصبح القصة أكثر تعقيداً عند النظر داخل المجموعة الغربية. ففي الشرق، يميل التركيب الجيني للأنواع عبر المناطق المختلفة إلى أن يكون متسقاً، مما يشير إلى أن الأفراد يتحركون بحرية ويخلطون جيناتهم. أما في الغرب، فالصورة مختلفة؛ فقد وجد الباحثون أن الأنواع في المناطق الحيوية الغربية تمتلك مستويات أعلى بكثير من التمايز الجيني. وهذا يعني أن المجموعات من نفس النوع التي تعيش في وديان أو سلاسل جبلية غربية مختلفة كانت متميزة جينياً عن بعضها البعض، كما لو كانت منفصلة منذ فترة طويلة. وتشير البيانات إلى أن تدفق الجينات مقيد بشكل كبير في الغرب. وبينما قد لا تكون المسافة المادية بين بعض المواقع الغربية كبيرة، إلا أن التضاريس الوعرة لجبال روكي تعمل مثل سلسلة من الجزر المعزولة في السماء، مما يمنع التبادل السهل للمادة الجينية التي تحافظ على قوة المجموعات وقدرتها على التكيف.

هذا التمييز له تداعيات خطيرة على كيفية حماية الطبيعة. تشير الدراسة إلى أن الأنواع في غرب الولايات المتحدة أكثر عزلة، وبالتالي فهي أكثر عرضة للخطر. فإذا تعرضت مجموعة في جيب غربي معزول للجفاف أو الحريق أو مرض جديد، فلا يمكن إعادة تعويضها بسهولة من قبل الجيران لأن التدفق الجيني مقيد بالفعل. في المقابل، قد تمتلك المجموعات الأكثر اتصالاً في الشرق فرصة أفضل للتعافي لأنها تستطيع الاستفادة من مخزن جيني أكبر وأكثر تنوعاً من المناطق المحيطة. وأشار الباحثون إلى أن هذا النمط من العزلة في الغرب يرجح ارتباطه بالجغرافيا الفريدة للمنطقة، حيث تنفصل الموائل ذات الارتفاعات العالية عن بعضها البعض بواسطة وديان منخفضة وأكثر دفئاً. ومع ارتفاع حرارة المناخ، قد تصبح هذه المجموعات التي تعيش في المرتفعات أكثر حصاراً، حيث لن تتمكن من الانتقال إلى مناطق أكثر برودة لأن "جزر" الموائل المناسبة أصبحت متباعدة جداً.

لا تكتفي الدراسة بتحديد المشكلة فحسب، بل تقدم طريقة جديدة لرؤية المشهد الطبيعي. فمن خلال استخدام الحمض النووي من عينات الماء، استطاع العلماء مراقبة البنية الجينية لعشرات الأنواع في آن واحد، مما كشف عن أنماط كانت ستظل غير مرئية للمراقبة التقليدية. لقد وجدوا أنه بينما يظهر الخريطة المادية للولايات المتحدة كتلة برية مستمرة، فإن الخريطة الجينية تروي قصة مختلفة من التجزئة. فجبال روكي تقف كحاجز رئيسي، وداخل الغرب، تخلق التضاريس نمطاً من العزلة الجينية. هذه المعلومات حيوية لمخططي الحفاظ على البيئة؛ فهي تشير إلى أن حماية الاتصال في الغرب تتطلب استراتيجية مختلفة عن الشرق، ربما من خلال التركيز على إنشاء ممرات تربط هذه الفجوات الجينية. ومن خلال فهم أين يتم تقييد تدفق الحياة بالفعل، يمكننا ترتيب أولويات الجهود للحفاظ على مرونة النظم البيئية في مواجهة عالم متغير.