一瓶水中看世界：环境DNA帮助揭开海洋生态系统的秘密 - 海洋生物DNA分析

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2015 年，希拉里·斯塔克斯（Hilary Starks ）满怀期待地站在 117 英尺高的科考船“西部飞行者号”（Western Flyer）的甲板上，搜寻着加州蒙特雷湾（Monterey Bay）的水域。甲板上的绞盘开始移动，滑轮和线缆慢慢地提起了她等待的东西：一个五英尺（约 0.9 米）长的潜水器，上面挂着装满海水的大塑料瓶。

（来源：wikipedia）

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斯塔克斯当时是斯坦福大学的一名实验室技术员。她知道，在这个一升的瓶子里漂浮着无数的遗传信息。肉眼看不到它们，但现代的 DNA 破译方法可以。这些信息揭示了“西部飞行者”号航行经过的海洋生态系统的秘密。

蒙特利湾是数百种海洋生物的家园，但科学家们还远不知道每种生物的确切数量，也不知道它们是如何共同活动、相互交往的。现在，研究人员可以通过分析动物留在环境中的微小 DNA 痕迹，以一种 2 J& j/ H' q5 p% ~" l3 Q2 p# L1 ] 非侵入性的新方式

来研究它们的数量和位置。

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应对生态危机的新帮手

人类每小时会脱落数万个皮肤细胞，所到之处都会留下他们存在的痕迹。这些细胞中的每一个都含有一套完整的 DNA ，甚至还有其他遗传信息（比如线粒体 DNA）。

就像人体细胞会定期更新换代，不断释放含有 DNA 的死细胞一样，当各种生物体与环境相互作用时，DNA 也会被排出并在它们周围的环境中积累，这就是环境 DNA。细胞和遗传物质进入环境成为环境 DNA（eDNA）的途径有很多，包括自然脱落的皮肤、排泄物，因受伤而与身体分离的组织，在繁殖过程释放到水中的细胞，被分解的尸体。甚至从食肉动物粪便中找到的未分解完全的组织细胞，还有可能发现另一个物种的秘密。 只要这些细胞中含有的 DNA 能在环境中存活，科学家就有机会发现每个物种特有的基因特征

。

eDNA 可以从土壤、海水、雪甚至空气等多种环境样本中提取。当从单个生物取样极为困难时，这种方法成为了有力的帮手，无需因为要收集某种生物的信息而杀死、解剖它。 . |( i. z5 H. ^8 w+ b

（来源：DREAMSTIME）

现代基因测序技术的进步如此之大，研究人员可以检测到这些散布在环境中的微小的 DNA 痕迹，并通过精确的计算方法，找出它们来自什么生物。分析从水或土壤这样的小样本中得到的 eDNA 时，得到的信息可能会改变全世界科学家对于生态系统的理解和保护方式。

斯坦福大学的海洋科学家芭芭拉·布洛克（Barbara Block）说：“在二十一世纪，我们仍然不能确切地说出海洋中究竟有哪些生物，这实在是太不可思议了。但是今天，仅仅一升的海水，就包含了数百万个基因序列。它们能揭示这个地区的许多生态历史。

地球生物多样性的持续下降是 21 世纪面临的重大危机，国际社会已 + K/ G3 y, u8 o! ~ 达成减缓或制止这种下降趋势的政治共识

。由于缺乏关于生物多样性及分布状况的知识，目前仍存在着非常大的挑战。

前些日子，“深海勇士号“载人潜水器于某公海海域下潜时，在近 2000 多米的深海里遇到成片的海底垃圾，数量之多令人震惊。然而这是只冰山一角。 H" l# X7 q* U; d ) \" d' G- g1 A# P1 a" [

（来源：“深海勇士号”传回画面）

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全球每年塑料产量超过 3 亿吨，包括数十亿塑料瓶、50 亿个塑料袋。每一分钟，就有一台大型垃圾车将垃圾倾倒在海里。每年至少有 800 万吨垃圾沉入海洋。统计表明，每平方海里的海水中有多达 40000 片塑料垃圾。海洋动物深受其害。

随着海洋酸化和气候变化的威胁步步逼近，科学家们也想知道，动植物的分布和生存状况将会发生什么变化。

在这种情况下，用 eDNA 的方法监测社区和生态系统是十分可行的。

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难以捉摸的物种

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为了使用 eDNA 来追踪物种，科学家们首先需要对样本中发现的 DNA 片段进行扩增，然后读取其序列，然后将其与可能物种的已知 DNA 序列进行比对。

在水生环境中，eDNA 可以提供关于物种存在和分布的线索，而这些物种的存在和分布是很难被发现的，无论是由于它们难以捉摸的行为、低分布密度，还是用其他方法捕获的概率很低。

因此，eDNA 方法已广泛应用于淡水和海洋环境，以解决与鱼类、无脊椎动物和植物研究、管理有关的问题 ; O4 b! t# J4 _# U" P- E

。

例如，在 2012 年的一项研究中，当时在丹麦自然历史博物馆（Natural History Museum of danish）、现在在奥尔胡斯大学（University of Aarhus）工作的菲利普·弗朗西斯·汤姆森（Philip Francis Thomsen）和他的同事们，从波罗的海周围的地点收集了海水。令人惊喜的是，他们发现了来自鼠海豚和长肢领航鲸的 eDNA 。领航鲸在波罗的海地区非常罕见，这表明， 这项技术有可能发现那些平时难寻踪迹的物种。 / f, c" U9 ~5 `/ a

图丨长肢领航鲸（来源：whalesforever.com）去年，阿拉斯加的研究人员通过分析水中鲑鱼的 DNA，跟踪了一条小溪中产卵鲑鱼的数量，发现即使在流动的水中，也可以用 eDNA 来估计某一特定地点单个物种的数量 4 K4 R7 Q; n/ o {* p! Z5 w! J/ ~

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更多的发现

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eDNA 可以帮助监测鱼类种群的数量

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。过去，蒙特利湾地区曾生活着各种各样的鲑鱼，但是现在它们已经变得很稀少。科学家们想知道它们现在在哪里，是否会回来。使用 eDNA 可以追踪这些物种，并确定它们是否会回到它们曾经居住过的地方。

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研究人员也渴望更多地了解鲸鱼。在 19 世纪和 20 世纪初，座头鲸在太平洋被大肆捕杀。它们的数量曾一度达到 1.5 万头，然而到 1966 年下降到只剩 1200 头。不过自半个世纪前接受联邦政府保护以来，这一数字一直在上升，近年来至少达到 1.8 万头。

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我们可以通过获得 eDNA ，进一步加深对这些鲸鱼所处位置的了解。

不止如此，eDNA 还可以用来绘制稀有物种的分布图；并提供入侵物种的早期检测，这对早期控制措施尤为重要。此外，eDNA 研究还提供了一种了解物种丰富度和绘制生物多样性地图的方法。

. R) d4 ?. H1 B6 U7 S$ N$ y 科学家们还希望，这些研究能够通过发现难以捉摸的濒危物种，或威胁本土野生动物的入侵物种，为政治决策提供依据。

环境政策的响应要求不断提供有关生物界的信息，但生物监测既困难又昂贵。对于许多物种和生态系统，特别是水生和海洋环境，缺乏实用的监测方法；即使在有方法适用的地方，它们也可能是低效的，具有高度破坏性的。

例如，美国鱼类和野生动物管理局（US Fish and Wildlife Service）从 2013 年开始使用 eDNA 来监测五大湖内外的两种入侵亚洲鲤鱼。11 名研究人员在 2014 年发表于 Science 杂志的一篇论文中写道，eDNA 提供了政策决定所要求的生物界“此时此地”的情况。 3 O y" Z+ R H: w+ k) S7 y

（来源：fishbio.com）

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还有很长的路

eDNA 方法也有其缺陷。

从样本收集到检测结果，每一步都可能出错——必须非常干净。很少有实验室具备 eDNA 工作所需的清洁标准，因此发现实际上不存在的物种的几率很高。尽管敏感性很高，但如果 eDNA 的含量过低或降解过度，或者该技术的关键步骤没有正确执行，也有可能漏掉存在的物种。

并且，eDNA 还不能揭示一个物种个体的性别或年龄信息

，因此这项技术可能不会很快取代传统的调查。但它肯定可以协助、补充它们。

这是人类以一种完全不同的方式看待世界的一个新领域。试想，仅仅在一杯海水里就能看到海星、虎鲸和介于两者之间的一切，这是多么不可思议。

在那之前，如果你去游泳，喝了一大口水，想象一下你嘴里的各种生物证据，想想在这片海域里留下的所有痕迹！

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0006320714004443?via%3Dihub V ?; O: ^: M& R4 W5 Z- z, u, N https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0006320717313277https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0041781https://science.sciencemag.org/content/344/6191/1455 . y/ D1 `6 f/ [1 G b) p

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