深刻な問題: アジアのコイの狩猟中に科学者が DNA を発見、論争

ノートルダム大学のデビッド・ロッジ氏（左）は、とらえどころのないアジアのコイを追跡する遺伝子ベースの技術の開発に貢献した。 ここで彼は、研究技術者のジョエル・コーラッシュが水のサンプルをろ過して、証拠となる DNA の痕跡を検出する様子を観察しています。 ゲイリー・ポーター

このレポートはもともと 2012 年 8 月 21 日に発行されました。これはシリーズ「Deep Trouble」の一部です。

ミズーリ州の養魚池は、アジアのコイがいかに隠密であるかを明らかにします。

おそらく1エーカーほどの広さの池には、ナマズ、バス、ブルーギルが生息していました。 飼い主は魚の餌をいっぱいポンプで汲み上げていましたが、魚は飢えているようでした。 そこで 2010 年の初めに、オーナーはコンサルタントを呼びました。

「彼らは電気漁具を持って出てきて、魚を捕まえて観察していました」と、アジアを代表するコイ専門家の一人で米国地質調査所の生物学者デュアン・チャップマン氏は語る。 「魚はやつれていましたが、彼はその理由が分かりませんでした。『ここには何か問題がある。最初からやり直す必要がある』と彼は言いました。」 彼らはロテノンを持ち込んで池を完全に死滅させた。」

次の 1 週間で、約 300 匹のコイの腐った死骸が表面に現れました。 最小のものは20ポンドでした。 大きいものはボーダーコリーサイズの35ポンドでした。 チャップマン氏によると、毒を盛られたアジアのコイは多くの魚種とは異なり、腹部にガスが溜まるほど水温が高くないと浮上しないことが多く、このプロセスには1週間かかることもあるという。

「1つの小さな池にこれほどの量の堆積物が存在するのは非常に驚くべきことだった」とチャップマン氏は語った。

10年前、前の不動産所有者が池にビッグヘッドを放流していたことが判明した。 彼らは、問題の匂いを嗅いだ新しい所有者のすぐ下で繁栄していましたが、何も見えませんでした。

デビッド・ロッジもその一人です同国を代表する外来種の専門家であり、近年では自分の研究が図書館の棚で埃をかぶっていることに満足しない科学者としての評判を得ている。 若い男に衝撃を与えた黒髪の眼鏡をかけた54歳は、アラバマ州で少年時代を過ごした南部の気の抜けた雰囲気がまだ残っているが、言葉を非常に正確に発音するため、彼が新進気鋭の自然主義者であると容易に想像できる。子供の頃のことを思い出します。

「私はもともと自然に興味を持っていた子供の一人でした」と彼はノートルダム大学イノベーション・パークのオフィスで語った。このキャンパスは、指紋スキャンで施錠されたドアが開く、きらびやかな新しいキャンパスの建物だ。 「私は小川で石をひっくり返したり、泳いだり、シュノーケリングをしたり、釣りをしたり、カエルやヘビやカメを捕まえたり、その他捕まえられるものは何でもして、暇な時間をすべて費やしました。……私は屋内でフィールドガイドを読んで自由時間を過ごしました。それは平均的な十代の若者の行動ではありません」 . でも、野球をするよりも、それをやっているほうが楽しかったです。」

ロッジは大学に入学したら歴史を勉強することを考えた、「しかし結局のところ、自分にとって必ずしも明確ではなかったとしても、私がただ生物学を愛していることは他の人にとってはかなり明らかだったと思います。」

その愛が彼をローズ奨学生としてオックスフォード大学に導いた。 彼はその後、ビル・クリントン大統領の外来種諮問委員会の議長を務め、外来種や気候変動などの注目の環境問題に関する公共政策の決定に情報を提供しようとする大学研究者チームであるノートルダム環境変化イニシアチブを創設しました。

純粋な学術研究から公共政策への一線を越えることは、彼のキャリアの初期には受け入れられるものとは考えられていなかったため、彼が軽々しく行ったことではありませんでした。

「自分の研究を裏付ける研究を求める提案書を書いたとき、世界でどのような問題を解決しようとしているのかについて、彼らに助言を与えませんでした」と彼は言った。 「あなたは彼らに知的興奮と新しいアイデアを教えてくれました。」

しかし近年その境界線は曖昧になり、現在、ロッジの研究は、この地域で最も厄介な生態学的および政治的議論の中心となることが多い。 同氏は、船舶が汚染されたバラスト水を排出し続けた場合、どの種が五大湖に侵入する可能性が最も高いかを予測する研究を行った。 彼は五大湖への外来種の年間コスト（推定2億ドル）に値札をつけようとしている。 彼は、どの淡水魚種が気候変動により絶滅する可能性が最も高いかを予測する研究を行っています。

政治と科学の世界にまたがることは、ロッジにとって決して快適な仕事ではありませんでした。 結局のところ、メッセンジャーは、悲惨なニュースを伝えただけで非難されるわけではありません。 時には彼らは中傷されることもあります。 しかしロッジは、メディアや政策立案者に対して自分の研究を公に擁護するストレスは、重要な科学を行うために支払う代償であると常に考えていた。

2009 年の夏までに、アジアのコイが五大湖に向かって進軍し、連邦当局は侵略の「最先端」がどこにあるのかを正確に教えてくれる人を見つけようと必死になっていたため、その代償は爆発寸前だった。

ロッジの生態学者としてのスキルと厄介な問題に積極的に取り組む姿勢により、数年前、五大湖の州のほとんどが資金提供しているシンクタンクが、ロッジの研究室に遺伝子に基づく検査を開発する助成金を与えたとき、彼と彼の同僚は当然の選択となった。海外貨物船のバラストタンク内の湖にヒッチハイクで侵入する外来種を特定する。

法執行機関の捜査官は、悪者を刑務所に閉じ込めるために 20 年以上にわたって DNA 分析を利用してきました。 これらの遺伝子指紋は、皮膚の破片、唾液の糸、精液の滴、足の爪の欠けなど、人体が排出するほぼあらゆるものから採取できます。

科学者はその物質から、個人の DNA、有名な二重らせんである分子を単離して特定することができます。 それぞれの極小のねじりはしごは、ヌクレオチドと呼ばれる 4 種類の化学物質から作られた何十億もの横木で構成されています。 DNA は非常に強力な法医学ツールです。なぜなら、それぞれが 2 つの連結したヌクレオチドで構成されるこれらの数十億の横線の順序が各個人に固有であるためです。 科学者たちは、犯罪現場から採取された遺伝物質が容疑者から採取された DNA と一致するかどうかを確認するために、ヒト DNA の比較的短いヌクレオチド配列に焦点を当てます。

しかし、この遺伝子フィンガープリンティングのプロセスは種レベルでも機能します。 たとえば、すべての銀鯉は、DNA のさまざまな場所で同一のヌクレオチド配列を共有しています。

ノートルダム大聖堂の研究チームにとって、バラストタンク内の種を検出するために DNA 検査を導入するというアイデアが、濁流の中で魚を見つけるというアメリカ陸軍工兵隊の盲目的な狩りにも役立つ可能性があることに気づいたのは、大きな飛躍ではありませんでした。シカゴの衛生施設と船舶の運河。 この種の分析は、DNAを使用してヨーロッパの池でアメリカウシガエルを発見したイタリアの研究者によって小規模ではすでに行われていました。

これが機能するのは、魚やその他の水生生物が粘液、尿、糞便などの細胞を常に排出しているためです。 これらの細胞は水中に浮遊したままになる傾向があり、それはすべての魚がその後に遺伝的痕跡を残すことを意味します。 その痕跡は、水サンプル中に自分自身の一部を残したすべての異なる種からのすべての DNA を濾過することによって追跡できます。

DNA の山が単離されたら、研究技術者はそれを試験管に入れ、標的種の DNA にのみ結合するように設計された、精密に操作されたプライマーと呼ばれる遺伝子マーカーをいくつか加えます。 浮遊ヌクレオチドとの混合物も混合物に添加され、その後サンプルが加熱されます。 熱により、元の水サンプルからろ過されたすべての種の DNA らせんが解けます。

標的種の DNA が存在する場合、サンプルが冷えるにつれてプライマーが分離した各ヘリックス上で光ります。 これにより、サンプルに添加された酵素が浮遊ヌクレオチドを元の DNA の各鎖に結合させるジッパーのような反応が始まります。 突然、1 つの DNA が 2 つに変わりました。 このプロセスは何十回も繰​​り返されるため、単一の DNA であっても 10 億を超えて複製することができ、さらに別の化学物質を加えると、ターゲット DNA が紫外線の下で実際に光って見えるほどになります。

サンプル中の種を特定するには、1 つの DNA では不十分ですし、100,000 個の DNA であっても十分ではありません。 しかし、10 億を超えると、目に見える輝きが現れます。

あなたの目は、これまで誰もできなかった方法で魚を見ることができるようになりました。

ノートルダム大聖堂の研究室ではすべて見事にうまくいきましたが、ロッジのチームは、水族館に浮かぶ DNA を単離することと、自由に流れる川から DNA をふるい分けることの間には大きな違いがあることを知っていました。 2009 年の初めまでに、ロッジのスタッフは試す準備ができていました。

ミシガン湖から約55マイル下流のシカゴ運河にある陸軍軍団の電気防魚堤の運用を指導する研究者らによる1月のシカゴダウンタウンでの会合で、ロッジ氏の助手の1人が陸軍軍団の生物学者を静かな隅っこに引きずり込んだ。 彼は彼女に、彼らが外水からアジアのコイの DNA を濾過して識別するという問題を解決したと信じていると語った。 そして彼はそれをシカゴ運河にも応用できると考えた。 彼女はそのアイデアを上司に伝え、ゴーサインを得ました。

当時ロッジの研究室で働いていたセントラルミシガン大学の生態学者で遺伝学の専門家であるアンディ・マホンは、2009年春の悲惨な朝、彼と同僚が春の増水で濁ったイリノイ川で新しいツールを旋回させたときのことを覚えている。 彼らは、アジアのコイが密集していることで知られる場所で DNA が見つからなければ、ほんの一握りの魚しかいないであろう場所で DNA を検出しようとしても意味がないと考えた。

二人はその朝、両手が凍りそうなほど2リットルのペットボトルに水を詰めながら過ごしたが、ほんの数週間前に研究室で感じていた興奮はキャラメル色の川とともに消え去った。 この水の中で、どうやって単なる魚の分子を見つけることができたのでしょうか？ マホンは指の骨のように冷え切った精神でサウスベンドに戻った。

「私たち二人とも、このプロセスがうまくいくとは思っていませんでした」とマホン氏は語った。

数日後、マホンは自分の研究室で一人でサンプルをテストしていたとき、証拠となる発光を目撃した。 彼はロッジたちを探して廊下を駆け下りた。

「ショックを受けた」と彼は彼らの集団的な反応をこう表現した。

研究チームは、コイの数が少ないことが知られている地域に向けて、検査をゆっくりと川の上流に移すことを決定した。

「私たちはこのツールを開発し、できる限り最善の方法でテストしました。研究室と現場で予備的な方法でテストしました」とロッジ氏は語った。 「しかし、自分たち自身の自信を築き、他の誰かの信頼を築くために、誰もが魚がいることに同意する場所から始めたかった。したがって、一般的な戦略は、南からスタートして北（バリアに向かって）進むことでした。目的は侵略戦線の最先端がどこにあるのかを特定することであった。」

当時陸軍軍団の五大湖地域の責任者だったジョン・ピーボディ少将は、彼らが何をしようとしているのかを知ると、ノートルダム大聖堂の科学者たちとの直接会談を要請した。

2009年の夏、ピーボディとそのスタッフは、シカゴ南西部の郊外の荒れた一角にある電気魚除けのすぐそばにあるロージーズ・ファミリー・レストランに現れた。 将軍とスタッフは戦闘服（迷彩柄のズボンをレースの高いブーツに押し込んだ）で到着し、ノートルダム大聖堂チームが何をしようとしていたかについてロッジの同僚の一人を問い詰めた。

ピーボディはノートルダム大の科学者を傍らにテーブルの頭に座り（ロッジには教える授業があった）、将軍の杖は周囲に散らばり、ある者は立っており、ある者はテーブルに座っていた。

地図が展開されました。 砂糖袋は、魚、柵、ボートなどを表すために使用されました。 それは、イエスかノーかの明確な答えを要求する軍人と、人類の知識の端にあやふやなところで生計を立てている科学者との間の、時には気まずい首脳会談でもあった。

ロッジの乗組員は、それが濁った海の中を進んでいることを最初から知っていました。 まず、川でアジアのコイを狩るために開発した具体的な技術は、その時点ではまだ科学雑誌に掲載されておらず、つまり他の科学者によって独自に検証されていなかった。

さらに、DNA 分析では、魚の数、その正確な位置 (DNA が流れに沿って漂流する)、遺伝子物質が川に存在していた正確な期間、さらにはどのようにしてそこに到達したのかについても何もわかりません。 しかし、ピーボディ氏は、魚が彼の新しい障壁を圧迫しているかどうかを確かめようと決意した。 はしけの間で電気が発生するのではないかという懸念から、当時の障壁は設計上の強度の 4 分の 1 しか機能していませんでした。 将軍が魚が到着したことを証明できれば、電圧を上げることが正当化される可能性があります。 ピーボディーはその日、DNA が魚を見つけるための最良のツールであると確信するほどの話を聞いた。

ノートルダム大聖堂のチームは北に向かって実験を続け、魚の証拠を発見し続けた。

2012年12月、ダン・イーガン記者は五大湖とミシシッピ川流域を分離する取り組みを詳しく調査した。

2009年9月、同誌は、これまでに観察された魚よりも約16マイル上流でアジアのコイのDNAを報告した。 DNA の証拠が正しければ、アジアのコイは電気障壁の前の最後のナビゲーション ロックを通過したことになります。

航行閘門は、ボートがダムを迂回できるようにする水文学的なリフトです。 水門は魚を止めるために特別に設計されたものではありませんが、魚はボートに同伴して閘門室に入り、ボートが持ち上げられて閘門のゲートが開いたら一緒に出なければならないため、厄介な障害物です。 ゴキブリがエレベーターを使って建物の地下から最上階に移動することを考えてください。そのためには、多くのことがうまくいかなければなりません。 その後、仲間が旅行しなければなりません。 次に、彼らはお互いを見つけるだけでなく、卵を産むための安全で適切な場所を見つけなければなりません。

将軍は、少なくとも一匹の魚が電気障壁の前の最後の水門を明らかに破ったという新たな情報に満足していなかったかもしれない。 しかし、少なくともこの新しいツールはまさに彼の期待どおりに機能するようでした。 暗視ゴーグルのように、それまで見えなかった敵を照らし、それが彼に反撃の機会を与えました。

陽性の DNA 結果が上流に向かって進むにつれて、ピーボディ社は障壁電圧を 2 倍にして 1 インチあたり 2 ボルトにしました。これはまだ設計強度の半分にすぎませんが、大きな魚よりも大きな衝撃を必要とするアジアの小さなコイを撃退するのに役立つ電圧を上昇させました。

ノートルダム大聖堂のチームはサンプリングを続けました。 ロッジは、すべてのサンプリングで DNA の痕跡が検出されなかった川のエリアに到着するまで、止まるつもりはありませんでした。 「重要なのは、すべてがゼロになるところまで行くことだ。もちろん、私たちを含めて誰もが、すべてがゼロになることを望んでいた。」と彼は語った。

ロッジ氏が現在「困難」と呼んでいるのは、これまで魚が検出できなかった場所でサンプルが定期的にコイの証拠を示し始めたことから始まった。 五大湖が直面している生態系の脅威が差し迫ったものであることに人々の目が開かれたとき。

2009年11月18日午前7時48分、ロッジは陸軍軍団関係者に、障壁を越えた水サンプルの検査でアジア産コイの陽性反応が出たことを通知する電子メールを送信した。 それはロッジが書きたかったメモではなかったが、送信ボタンを押す時が来たとき、独特の感情が残ったと彼は語った。

「ちょっと気分が悪くなった。」

この物語は、2006 年以降にまとめられた調査に基づいています。調査には 100 を超えるインタビューが含まれ、裁判所への提出書類、政府報告書、科学研究論文、アーカイブ資料など数千ページに及ぶ文書のレビューに基づいています。