Vogelen met DNA

Dankzij DNA onderzoek wordt het steeds makkelijker om daders van misdrijven op te sporen. Maar stel dat we geen mens willen identificeren, maar een dier of een plant? Bijvoorbeeld een vogel die een vliegtuigramp heeft veroorzaakt. Ook dan heb je met een enkel stukje DNA goud in handen, mits de barcode van de soort bekend is. In deze les leer je wat DNA barcodes zijn en waar ze voor gebruikt worden. Zo ga je onder andere op zoek naar de daders van een aantal mysterieuze vliegtuigaanvaringen..

Naturalis en barcoderen

In het DNA laboratorium van Naturalis worden sinds 2010 jaarlijks zo'n 12000 barcodes geproduceerd. Een barcode is een klein stukje DNA waarvan internationaal is afgesproken dat het gebruikt mag worden voor herkenning van de soort. Naturalis richt zich met name op soorten die in Nederland voorkomen. Alle barcodes worden verzameld op de website BOLD Systems, zodat iedereen er gebruik van kan maken. Waarvoor? Dat leer je in deze les. Bekijk het filmpje om een goede indruk te krijgen van hoe het in zijn werk gaat.

DNA barcoding Naturalis Youtube

Vragen

Expertcentrum

Zoals je in het filmpje hebt gezien, heeft Naturalis ook een Expertcentrum. Hier kunnen instanties aankloppen met specialistische vragen omtrent biodiversiteit. Welke dierlijke producten zitten er in dit medicijn? Is het ingevoerde hout van een beschermde boomsoort? Wat zat er in deze maaginhoud? Vaak is de hoeveelheid organisch materiaal zo klein, dat met het blote oog niet meer zichtbaar is om welke soort(en) het ging. Ook dan komt er hulp vanuit het DNA laboratorium. Een voorbeeld hiervan zijn de vogelaanvaringen met vliegtuigen.

Vandaag wil een luchtvaartmaatschappij weten welke vogels er in de motor terecht zijn gekomen. Met deze vraag ga je eerst aan de slag. Hoe? Dat lees je in de projectomschrijving. In het tweede deel van de les ga je de onderlinge relaties tussen vogels aantonen, door barcodes met elkaar te vergelijken.

→ Ga nu door naar 'Projectomschrijving'.

Projectomschrijving

Vogels en vliegtuigen delen hetzelfde luchtruim. Genoeg ruimte zou je zeggen, maar helaas komen botsingen wereldwijd bijna dagelijks voor..

Vliegtuigen in botsing met vogels

Schade of uitval van turbinemotoren, vogels die door cockpitramen heen vlogen, vogels over de cockpitramen uitgespreid waardoor het zicht gevaarlijk slecht werd, afgebroken starts en voorzorgslandingen. Meestal is er van de vogels weinig over. Om de veiligheid van het vliegverkeer te vergroten en de vogels te beschermen, wil de luchtvaart graag weten om welke soorten vogels het gaat.

Aanvraag bij Naturalis

Vandaag is er bij Naturalis een aanvraag binnen gekomen met drie onbekende vogelmonsters. De monsters zijn afkomstig van vogelresten op vliegtuigen. Een luchtvaartmaatschappij wil graag weten van wie de resten zijn. Aan jou de taak om daar achter te komen.

Maar eerst leer je wat DNA barcodes precies zijn in het onderdeel 'Verdiepen in barcodes'. Daarna ga je aan de slag met de identificatie.

Ga door naar 'Verdiepen in barcodes'.

De aanvraag komt binnen bij het Expertcentrum van Naturalis
  © Naturalis
De aanvraag komt binnen bij het Expertcentrum van Naturalis

Verdiepen in barcodes

Om de vogels op te sporen, moet eerst het DNA uit de monsters gehaald worden. Slechts een klein stukje DNA is voldoende; de barcode. Maar welk stukje DNA is dat precies? Na uitgebreid onderzoek koos men bij dieren voor een gen op het mitochondriaal DNA. Voor planten gebruikt men een andere DNA sequentie als barcode.

Iedereen heeft een CO1-gen

Het gen dat wereldwijd gekozen is als barcode voor dieren heeft de naam CO1. Het bevindt zich op het DNA van alle levende wezens! Een levensbelangrijk gen dus. Bij iedere soort is het gen een klein beetje anders, terwijl het per individu weinig verschilt. Vandaar dat het een geschikt kenmerk is om soorten van elkaar te onderscheiden.

Waar bevindt zich dit gen? Niet in het DNA van de celkern, zoals je misschien zou verwachten. Het gen bevindt zich op het DNA van de mitochondriën, de energiefabriekjes van de cel. Mitochondriën hebben hun eigen DNA en bevatten ook ribosomen. Zo kunnen ze onafhankelijk van de celkern eiwitten maken voor de energiehuishouding. CO1 codeert samen met twee andere genen (CO2 en CO3) voor het eiwit Cytochroom c oxidase. In de afbeelding hieronder zie je dat het mitochondriaal DNA ringvormig is. 

  • Waar bevindt zich het CO1-gen? Klik op de goede plek in de ring.

Dat heb je van je moeder!

Mitochondriaal DNA ziet er dus anders uit (ringvormig) dan kernDNA. En het erft ook anders over. KernDNA komt van de vader én de moeder, mitochondriaal DNA alleen van de moeder. Hoe dat kan? In een zaadcel bevinden de mitochondrien zich allemaal in de staart. Tijdens de bevruchting van een eicel, treedt de kop van de zaadcel binnen, maar de staart blijft achter. Een kind krijgt zo al het cytoplasma, met daarin de mitochondrien, van zijn moeder..en zo ook het CO1-gen. Maak onderstaande vragen om te zien of je alles begrijpt.

→ Beantwoord nu onderstaande vragen en ga dan door naar 'Enorme database'

Vragen

Enorme database

Daarna worden de barcodes van de monsters vergeleken met alle bestaande barcodes, om te kijken of er een match is. 

Op de website Barcode Of Life Database of BOLD Systems staan barcodes van dieren, planten en schimmels uit heel de wereld. Ze komen van verschillende laboratoria. Elke soort krijgt zijn eigen barcode en zo groeit de verzameling uit tot een enorme dataset. Bedenk dat de aarde wel een paar miljoen soorten telt.

Zo komt Naturalis aan monsters

Voor het produceren van vogelbarcodes maakt Naturalis gebruik van de soorten in de collectie. In de toren van Naturalis liggen ruim 3 miljoen vogels. Liggen? Ja, tegenwoordig worden vogels die de collectie in gaan niet meer opgezet, maar als balg in lades gelegd. Ze komen binnen via bezoekers. Vaak zijn het verkeers- of raamslachtoffers. De preparateurs van Naturalis nemen ze dankbaar in ontvangst. Tijdens het prepareren wordt altijd een stukje vlees op alchohol gezet voor DNA onderzoek.

Opdracht

Bij de aanvraag van de luchtvaartmaatschappij zat een extra aantekening. Een piloot meende een paar ganzen op het vliegveld gezien te hebben. Kijk eens of je de barcode van een grauwe gans (Anser anser) kunt vinden en vergelijk die met de barcodes van de onbekende monsters. Aanwijzingen vind je onder de afbeelding.

Grauwe gans
  © Ab Baas

Domme gans?

  • Ga naar de website BOLD Systems. Kies 'Taxonomy' in de menubalk. Je ziet een overzicht van alle rijken (kingdoms) met afdelingen (phyla) waarvoor een barcode bestaat.

  • Plaats de Latijnse naam van je dier in het lege veld rechts boven en klik op 'Search taxonomy'.

  • Klik op 'Access Published and Released Data'. Je krijgt een lijst met publicaties. Kies er één uit, bijvoorbeeld de bovenste.

  • Onder 'SEQUENCE: COI-5P' staat je barcode. Kopieer hem naar een Word bestand. Je hebt hem straks nodig.

  • Open het bestand met barcodes van de onbekende monsters. Vergelijk de barcodes met die van de gans. Zit er een gans bij denk je?

→ Ga door naar 'Identificeer de vogels'

Identificeer de vogels

Je gaat nu in BOLD Systems alle vogels identificeren en een oplossing bedenken om vogelaanvaringen in het vervolg te voorkomen.

Zo identificeer je een soort

  • Ga naar de website BOLD Systems. Kies 'Identificatie' in de menubalk. Je komt direct in 'Animal identification'. Kopieer één van de onbekende barcodes naar het daarvoor bestemde lege veld op de website. Klik op 'Submit'.

  • Schrijf de Latijnse naam op een apart vel papier. Je kunt op dezelfde manier de andere twee barcodes identificeren.

  • Zoek de Nederlandse namen van deze vogels op internet en schrijf ze achter de Latijnse namen. Lever het in bij je docent. Dan hoor je of je de luchtvaartmaatschappij goed geholpen hebt!

Creatieve oplossing

Als jij een advies moest geven aan de luchtvaartmaatschappij om botsingen te voorkomen, wat zou dat dan zijn? Kies één van de drie soorten vogels. Verdiep je in de levenswijze van de soort. Bedenk zoveel mogelijk maatregelen die de luchtvaart kan nemen om de vliegtuigen en vogels te sparen. Je mag zo creatief zijn als je wilt. Geef aan wat jou de beste maatregel lijkt en verklaar je antwoord.

  © FaceMePLS, Flickr

Familie of vreemde eend?

In het vorige onderdeel heb je geleerd dat je met DNA barcodes dieren kunt identificeren. In dit onderdeel vergelijk je barcodes van verschillende soorten vogels met elkaar. Zo krijg je inzicht in de onderlinge relaties tussen soorten. Je helpt een vogelexpert met het beoordelen van een verwantschapsboom en het opsporen van een aantal laboratorium missers..

Indeling van het leven

De natuur telt miljoenen soorten. Om daar inzicht in te krijgen, proberen biologen alle organismen te beschrijven, benoemen en in te delen. Ook bij Naturalis ontdekt en beschrijft men jaarlijks tientallen nieuwe soorten. Deze soorten deelt men in op basis van kenmerken die overeenkomen met andere groepen.

Tegenwoordig heeft men bij het indelen van soorten naast de uiterlijke kenmerken, ook beschikking tot DNA sequenties. Een vrij nieuwe bron van informatie dus, waardoor sommige indelingen (vooral plantenfamilies) regelmatig op de schop worden genomen! Het doel is een reusachtige stamboom van het leven, gebaseerd op evolutionaire verwantschappen. In deze les gebruik je barcodes om een indicatie te krijgen van de onderlinge relaties tussen vogels. Hoe? Dat lees je in de projectomschrijving.

Ga door naar 'Projectomschrijving'

Vogels in de collectietoren van Naturalis
  © Naturalis

Projectomschrijving

Een vogelexpert van Naturalis wil barcodes produceren voor 27 Nederlandse vogelsoorten en een indicatie krijgen van hun onderlinge relaties. Hiervoor heeft hij verse monsters naar het laboratorium gebracht. Alles in drievoud, want voor een goed resultaat zijn altijd drie tot vijf monsters van verschillende vogels per soort nodig. Het resultaat is de barcodeset hieronder.

Barcodeset vogels

Voor het beoordelen van de barcodeset maakt de onderzoeker een 'verwantschapsboom'. Dit is een schema waarin de onderlinge verhoudingen in een oogopslag zichtbaar worden. Eventuele blunders komen zo ook vroegtijdig aan het licht, want zelfs in het lab gaat wel eens iets fout...Je gaat de onderzoeker helpen met het beoordelen van de verwantschapsboom. Als extra onderdeel is er nog een opdracht over ringsoorten.

→ Ga door naar 'Verwantschapsboom maken'

Monster met vogelresten in alcohol
  © Naturalis
Monster met vogelresten in alcohol

Verwantschapsboom maken

Wil je zelf een verwantschapsboom maken? Dat kan, maar je hebt er het programma MEGA 5.1 voor nodig. Het is eenvoudig te downloaden.

Niet in de gelegenheid om een verwantschapsboom te maken?

Ga dan direct door naar 'Verwantschapsboom beoordelen'.

Zelf een verwantschapsboom maken

  • Download MEGA 5.1. Dat gaat thuis heel makkelijk. Op school alleen in overleg met de systeembeheerder.

  • Print de handleiding uit. Het programma MEGA is gevoelig voor heen en weer klikken naar andere sites. Met een uitgeprinte handleiding voorkom je dat het programma vast loopt.

  • Gebruik de dataset in de rechterkolom in fasta format. Sla de dataset eerst op je eigen computer op. Open nu MEGA en doorloop alle stappen van de handleiding.

  • Is het gelukt? Mooi! Print hem uit, zodat je hem kunt beoordelen. Is het niet gelukt? Ga toch door naar het volgende onderdeel.

 Ga door naar 'Verwantschapsboom beoordelen'.

Verwantschapsboom beoordelen

Beoordeel de verwantschapsboom door de vragen aan te klikken en te beantwoorden. Voor de laatste vraag maak je gebruik van de barcodeset. Succes!

Vragen

© Ab Baas

© Dirk Huitzing, Hans Kool, Berry van der Hoorn

© Peter Soer

© Marcel Holtjer, Kees Venneker, Ab Baas, Hans Kool, Han Bouwmeester, Hans van der Meulen

© Hans Kool, Annemieke Hoozemans, Annemieke Hoozemans

© Chris Herzog, Hans van der Meulen

Ontmasker de ringsoort

Bij het indelen van soorten staan onderzoekers wel eens voor een raadsel. Is dit nou wel of niet dezelfde soort? En waar baseren we dat eigenlijk op?

Ringsoorten

Iedereen weet, een 'soort' is een groep individuen met vruchtbare nakomelingen. Maar zo simpel is het niet altijd. Doordat soorten geleidelijk evolueren, bestaan er ook overgangsvormen. Groepen waarbinnen bepaalde populaties wel voortplanten en andere niet. We noemen deze groepen 'ringsoorten', omdat het verspreidingsgebied van de verschillende populaties vaak de vorm heeft van een ring.

Meeuwen in een ring rond het Noordpoolgebied

Meeuwen mix

Meeuwen van het geslacht Larus zijn een bekend voorbeeld. Hiervan leven meerdere variëteiten in een cirkel rond het Noordpoolgebied. De meesten planten zich onderling voort, maar de twee uiterste variëteiten (zie afbeelding, 1 en 7) kunnen geen vruchtbare nakomelingen meer krijgen. Hoe ontdek je zoiets? Daar kun je je fantasie uitgebreid op loslaten. Een DNA sequentie onderzoek is in elk geval een goed begin.

Opdracht

Een onderzoeker heeft de barcodes van 10 verschillende Larus meeuwen bij elkaar in een bestand gezet. Vervolgens heeft hij er een verwantschapsboom van gemaakt.

Barcodes meeuwen.fasta

Verwantschapsbooom meeuwen

  • Kun jij aan de barcodes zien bij welke soorten er wellicht sprake is van een ringcomplex?
  • Zoek nu voor de overgebleven Larus meeuwen uit waar ze voorkomen (zie bijlagen). Welke verschillende soorten leven naast elkaar in hetzelfde gebied?
  • Probeer te verklaren waarom bepaalde soorten wel met elkaar kruisen en andere soorten niet.

Larus canus
  © Kees Venneker

Docentenhandleiding

Docentenhandleiding Vogelen met DNA

Doelgroep: 4-5 Havo, 4-6 VWO

Leerstofgebied: biologie, erfelijkheid, evolutie

Werkvorm: digitaal, alleen of groepswerk (max. 3 leerlingen per groep)

Duur: 1 á 2 lesuren van 45 minuten.

Doel van de opdracht

Algemeen

  • Leerlingen maken kennis met een wetenschappelijke methode om soorten te identificeren en classificeren;
  • Leerlingen leren wat DNA barcoderen is en wat de toepassingen zijn in de praktijk.

Specifiek

  • Leerlingen ervaren hoe je met DNA barcodes soorten kunt opsporen.
  • Leerlingen ervaren hoe je de onderlinge relaties tussen soorten zichtbaar maakt, door DNA sequenties met elkaar te vergelijken. 

Materiaal:

  • PC + internet (bij voorkeur per leerling; minimaal 1 per groepje)

Suggesties:

  • Digibord + beamer (voor inleiding)
  • Gelegenheid tot printen óf
  • Gewenste documenten vooraf printen en uitdelen

Aansluiting op het curriculum (eindtermen Biologie Havo/VWO)

De opdrachten kunnen lesstofverrijkend worden ingezet. Zie bijlagen voor aansluiting met de eindtermen uit het Biologie-examen.

Vereiste voorkennis

  • Kennis van de opbouw van de cel
  • Kennis van de opbouw en functie van DNA

Een uitgebreidere handleiding is via de onderstaande link te downloaden:

 

Docentenhandleiding Vogelen met DNA.pdf

Wat ga je doen?

  • Je gaat drie onbekende monsters identificeren
  • Je gaat barcodes opzoeken en vergelijken
  • Je bedenkt een advies voor de luchtvaart om vliegtuigbotsingen te voorkomen

Wat ga je leren?

  • Wat DNA barcodes zijn
  • Hoe wetenschappers barcodes gebruiken om soorten te herkennen
  • Hoe barcoderen wordt toegepast in de praktijk; in dit geval de luchtvaart.
  © Naturalis
  © Naturalis
In een mitochondrion bevinden zich meerdere ringetjes DNA (mitochondriaal DNA)
  © Naturalis
Volle lades in de vogelcollectie van Naturalis. Klik op het plaatje voor meer informatie.
  © Naturalis
Tijdens het prepareren wordt altijd een monster op alcohol gezet voor DNA onderzoek.
  © Naturalis
Monster met vogelresten op alchohol
  © Naturalis
Wattenstaafje met bloedresten

Wat ga je doen?

  • Je gaat DNA barcodes van vogels met elkaar vergelijken
  • Je gaat een verwantschapsboom maken (keuze onderdeel)
  • Je gaat de onderlinge relaties tussen vogels bestuderen

Wat ga je leren?

  • Welke methode wetenschappers gebruiken om DNA sequenties te vergelijken
  • Hoe je door het vergelijken van DNA sequenties soorten kan onderscheiden en indelen

Bijlagen

Banner

Buizerds (Buteo buteo) © Hans Kool