Un drone speciale raccoglie il DNA ambientale sugli alberi

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Schema: il DNA viene estratto dal materiale raccolto, moltiplicato, sequenziato Schema: il DNA viene estratto dal materiale raccolto, moltiplicato, sequenziato e le sequenze trovate vengono confrontate con le banche dati. In questo modo è possibile identificare la specie. (Grafico: Stefano Mintchev / ETH Zurigo)
I ricercatori del Politecnico di Zurigo e dell’Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio WSL hanno sviluppato un dispositivo volante che può atterrare sui rami degli alberi e prelevare campioni. Questo apre agli scienziati una nuova dimensione che prima era appannaggio di temerari arrampicatori.

Gli ecologi utilizzano sempre più spesso le tracce di materiale genetico che gli organismi viventi lasciano nell’ambiente, il cosiddetto DNA ambientale, per monitorare e inventariare la biodiversità. Utilizzando queste tracce di DNA, i ricercatori possono determinare le specie presenti in una determinata area.

È facile raccogliere campioni di acqua o di terreno. Tuttavia, altri habitat sono di difficile accesso per i ricercatori, come le chiome delle foreste. Nelle aree poco studiate, molte specie rimangono quindi nascoste.

I ricercatori del Politecnico di Zurigo e dell’Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio WSL e l’azienda Spygen hanno sviluppato uno speciale drone in grado di raccogliere autonomamente campioni sui rami degli alberi.

Il drone raccoglie il materiale

Il drone è dotato di strisce adesive a questo scopo. Quando l’aereo atterra su un ramo, il materiale del ramo si attacca ad esso. I ricercatori possono quindi estrarre il DNA in laboratorio, analizzarlo e assegnarlo ai vari organismi grazie al confronto con i database.

Ma non tutti i rami sono uguali: hanno spessori diversi e diverse elasticità. Inoltre, i rami rimbalzano quando il drone vi atterra sopra. Programmare il velivolo in modo che possa comunque avvicinarsi autonomamente a un ramo e rimanere stabile su di esso per un certo periodo di tempo al fine di prelevare campioni è stata una sfida importante per gli esperti di robotica.

"Atterrare sui rami richiede un controllo complesso", spiega Stefano Mintchev, professore di robotica ambientale al Politecnico di Zurigo e al WSL. Inizialmente, il drone non sa quanto sia flessibile un ramo. Il velivolo è quindi dotato di una gabbia per la misurazione della forza. Ciò consente al drone di misurare questo fattore nel luogo in cui opera e di includerlo nella manovra di volo.

Preparazione della missione nella foresta pluviale dello zoo di Zurigo

I ricercatori hanno testato il loro nuovo dispositivo di volo su sette specie di alberi. Nei campioni è stato trovato il DNA di 21 diversi gruppi di organismi, i cosiddetti taxa, tra cui uccelli, mammiferi e insetti. "Questo è incoraggiante perché dimostra che la tecnica di raccolta funziona", afferma Stefano Mintchev, coautore dello studio, appena pubblicato sulla rivista Science Robotics.

I ricercatori vogliono ora migliorare ulteriormente il loro drone e renderlo adatto a una competizione in cui l’obiettivo è quello di registrare il maggior numero possibile di specie diverse in un’area di 100 ettari di foresta pluviale a Singapore in 24 ore.

Per verificare l’efficienza del drone in condizioni simili a quelle che si verificheranno alla competizione, Mintchev e i suoi colleghi stanno attualmente lavorando nella foresta pluviale Masoala dello zoo di Zurigo. "Questo ha il vantaggio di sapere quali specie sono presenti. Questo ci permette di valutare meglio quanto completamente stiamo raccogliendo tracce di DNA ambientale con questa tecnica o se ci manca qualcosa", sottolinea Mintchev.

Perché ciò avvenga, tuttavia, il dispositivo di raccolta deve diventare ancora più efficiente e veloce: Nei test per questo studio, il drone ha raccolto materiale da sette alberi in tre giorni; a Singapore dovrà essere in grado di volare su un numero di alberi dieci volte superiore e raccogliere campioni in sole 24 ore.

Tuttavia, la raccolta di campioni in una foresta pluviale naturale è più impegnativa per i ricercatori. Le piogge frequenti lavano via il DNA ambientale dalle superfici. Anche il vento e le nuvole rendono difficile il funzionamento del drone: "Siamo quindi molto curiosi di vedere se il nostro metodo di raccolta si dimostrerà valido anche in condizioni estreme ai tropici".