Arktis - et hovedsatsningsområde innen biosystematikk

Arktisk forskning har lange tradisjoner på Naturhistorisk museum, både innen zoologi, mykologi og botanikk. Innenfor systematikk på arktiske planter er museet verdensledende.

DNA-barcoding av økosystemer

Kan vi overvåke framtidens biomangfold ved DNA-analyser av vann-, jord- og sedimentprøver?

Ved hjelp av nye genetiske metoder kan forskere nå rekonstruere hele økosystemer ved hjelp av DNA-molekyler som finnes fritt i miljøet. DNA-molekylene representerer forskjellige arter i økosystemet – deres fingeravtrykk finnes dermed i jorda, i vannet, og i hav-sedimentene. Ved hjelp av den nye generasjonen av DNA-sekvensatorer og nye bioinformatikk-verktøy kan vi identifisere de enkelte artene økosystemet består eller bestod av, bare ved å analysere f.eks. en bitteliten jordprøve.

For hver organismegruppe, f.eks. innen grupper av sopp, moser, insekter og planter, finner vi en egnet ’artsmarkør’ ved hjelp av ny sekvenseringsteknologi og bioinformatikk. Deretter trengs taksomisk ekspertise og museumssamlinger for å bygge opp referanse-DNAdatabaser for alle aktuelle arter i hvert økosystem. Dette er ressurskrevende, men deretter er fortløpende prøvetaking og analyse av aktuelle økosystemer meget rask og krever ingen spesialkompetanse.

Teknologien er så langt utviklet og tatt i bruk for blomsterplanter i et EU-prosjekt museet deltar i, og Forskningsrådet finansierer nå et større prosjekt for å rekonstruere fortidens økosystemer basert på DNA-molekyler bevart i permafrosten i Arktis. Vi har f.eks. ’gjenskapt’ en 25.000 år gammel ballblom-eng med 40 plantearter og til og med en mammut. DNA-fingeravtrykk av mammuten og alle disse planteartene har altså blitt bevart i permafrosten gjennom alle disse årene.

Et forsøk med moderne jordprøver i Finnmark tyder på at også mengden av de forskjellige artene i økosystemet kan rekonstrueres. Vi fant at alle de vanlige planteartene i området kunne gjenfinnes ved DNA-analyse av små jordprøver, i en mengde som grovt gjenspeilet hvor mye det finnes av dem i vegetasjonen på stedet.

Norge bruker store ressurser på miljø- og biomangfoldovervåkning hvert år. Oljeselskapene bruker f.eks. store summer til konsulenter som artsbestemmer innholdet i sedimentprøver fra havbunnen. Dette er svært tidkrevende med tradisjonelle metoder, og kvaliteten av dataene blir svært variabel. Utvikling av DNA-basert metodikk for marine organismer vil derfor kunne være en svært lønnsom investering.

Planter på flyttefot - bjørkeskog på Svalbard om 100 år?

Ved å studere den økologiske effekten av tidligere klimaendringer kan vi få bedre kunnskap om hva som kan skje som følge av den pågående globale oppvarmingen. Svalbard er et ypperlig modellsystem for å studere spredning av planter, fordi det er en isolert øygruppe som var nesten totalt dekket av is under siste istid. Det betyr at alle, eller iallfall de fleste, plantene som lever der i dag må ha kommet til dit etter siste istid.

Ved å analysere arvestoffet (DNA) fra mer enn 8000 planter av 18 forskjellige arter har vi vist at kolonisering av Svalbard har skjedd gjentatte ganger fra flere ulike kildeområder (se figur). Resultatene tyder på at det har vært mye vanskeligere for plantene å etablere seg og overleve på Svalbard enn å spre frøene sine dit – dataene viser at jo bedre tilpasset en art er til dagens klima, jo flere ganger har den etablert seg på Svalbard. Det betyr at til tross for den lange spredningsavstanden vil koloniseringen av Svalbard sannsynligvis øke i takt med den globale oppvarmingen, og at sørlige arter heller ikke vil ha problemer med å kolonisere andre områder i Arktis.

Ni av de undersøkte artene finnes ikke på Svalbard idag, men tilhører en stor gruppe av arter som kan tenkes å kunne vokse der når klimaet blir varmere. De genetiske dataene tyder ikke på at disse potensielle innvandrerne som regel har dårligere spredningsevne enn de artene som allerede finnes på Svalbard. Våre genetiske studier viser at for eksempel fjellbjørk har en enorm spredningsevne. I dag er klimaet der for tøft, men om 100 år kan bjørkeskog (eller iallfall bjørkekratt) på Svalbard være en realitet.

Resultatene for de ni artene som finnes på Svalbard i dag ble publisert i Science i juni 2007. Basert på utviklingen av high-througput DNA-teknologi og nye statistiske verktøy har det nå for første gang vært mulig å tilnærme seg en kvantifisering av langdistanse-spredning av organismer. En videreutvikling av slik metodikk er viktig for klimaforskningen. Modeller som i dag brukes for å forutsi framtidig utbredelse av arter og økosystemer under et varmere klima forutsetter stort sett at artene ikke har begrenset spredningsevne. Man har tidligere trodd at arktiske planter har spesielt dårlig spredningsevne – men vi har tvert imot vist at denne forutsetningen ved dagens modeller kan holde under arktiske forhold. Frø kan tydeligvis lett spres over lange avstander i Arktis, enten det er med vind over hav-is, over snødekte, treløse landskap, med drivtømmer eller med fugl.