近年來，環境DNA（environmental DNA，簡稱eDNA）技術在生態學研究中迅速崛起，已經成為監測水體生物多樣性的一種革命性方法。通過分析水樣中的遺傳物質，科學家能夠高效、準確地檢測出水體中魚類、兩棲動物、昆蟲和微生物等生物的存在。然而，盡管eDNA技術的優勢顯著，研究人員對其在動態水體（如溪流和河流）中的行為仍缺乏深入了解。面對這些挑戰，一個由美國賓夕法尼亞州立大學（Penn State）研究團隊主導的研究項目應運而生，試圖破解eDNA在溪流中的“命運之謎”。

eDNA技術的崛起與困境環境DNA技術允許研究人員無需直接捕捉生物個體，就能通過水樣分析來判斷特定生物的存在。這種非侵入性的方法使得生態監測更加快捷、有效，并顯著減少了對生態系統的干擾。如今，eDNA技術已被廣泛應用于多種環境監測和保護工作中。例如，它被用于檢測美國五大湖區（Great Lakes）流域的入侵物種亞洲鯉魚（Asian Carp），以及監測薩斯奎哈納河流域（Susquehanna River Basin）中的美洲鰻魚（American eel）和美國東部山區溪流中的大地蜥蜴（Hellbender）。

?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

不過，eDNA技術的廣泛應用也暴露出其在動態水體中的局限性。科學家們對eDNA在自然環境中如何運動、降解、沉積和再懸浮知之甚少。這種知識的缺乏，使得對eDNA檢測結果的解讀存在著不確定性。例如，當在水樣中檢測到某種生物的eDNA時，究竟是當前該生物的存在，還是由于水流將eDNA從其他地方帶來的？這些問題至今未能得到明確解答。

解碼環境DNA在溪流中的命運
為解決這些困境，美國賓州州立大學（PSU）的水生生態學助理教授丹尼爾·艾倫（Daniel Allen）領導的研究團隊獲得了美國國家科學基金會（NSF）提供的195萬美元資助，計劃用五年的時間深入研究eDNA在溪流中的運動和降解機制。研究團隊將與阿拉巴馬大學和北德克薩斯大學的科學家合作，專注于研究影響eDNA命運的三大機制：降解、沉積和運輸。

該研究將涵蓋全美24條溪流，這些溪流都是國家生態觀測網絡（National Ecological Observatory Network, NEON）的一部分。NEON網絡通過其陸地、水生、大氣和遙感測量基礎設施，向科學界提供標準化和校準后的開放數據。艾倫解釋道，eDNA在下游流動過程中會經歷降解、沉積和再懸浮等過程，這些過程統稱為“eDNA螺旋化”（eDNA spiraling）。該研究團隊計劃在不同溪流中開展一系列實驗，測試水體化學成分和微生物群落如何影響eDNA的命運。

咱們來想象一下，假設河流是一條“傳送帶”，那么，生物的DNA就是搭乘這條傳送帶的“小包裹”。這些小包裹在傳送的過程中可能會被打開、丟失或者被其他東西包裹起來。這就是eDNA螺旋化的過程，它揭示了DNA在水體中的“命運”。eDNA螺旋是理解eDNA在水生態系統中行為的關鍵。通過研究“eDNA螺旋化”，就可以更準確地評估水體中的生物多樣性，并為水生態保護提供科學依據。

探索新方法與創新應用
為了更好地理解eDNA在溪流中的行為，研究團隊將使用一種不存在于這些溪流中的商業魚類作為eDNA來源，向溪流中釋放新型eDNA，并追蹤其擴散和降解過程。研究將在美國阿拉巴馬州的Mayfield Creek、德克薩斯州的Pringle Creek以及賓州州立大學附近的Shale Hills關鍵區觀測站的Shaver’s Creek等地開展。通過這些實驗，科學家們希望能夠確定不同物種的eDNA是否在溪流中有不同的持久性，并探討eDNA顆粒大小是否會影響其在水體中的運動模式。

填補知識空白，為環境保護提供新工具
以往，科學家們對環境DNA在靜止水體（如湖泊和池塘）中的行為已經有比較多的研究，但在流動水體（如溪流和河流）中的研究相對較少。溪流和河流的動態環境條件復雜多變，這對eDNA的降解速度、沉積行為和再懸浮情況都有重要影響。要將eDNA技術發展成為一種可靠的水生生物監測工具，解決這些知識空白至關重要。

除了基礎研究，該研究團隊還將參與NSF資助的Emerge項目，旨在通過培訓本科生、研究生和早期職業科學家來擴大淡水科學領域的參與度，特別關注來自弱勢群體的科學家。研究團隊計劃在賓州州立大學、阿拉巴馬大學和北德克薩斯大學這三所大學舉辦關于DNA生物信息學的工作坊，以幫助參與者掌握數據分析和可視化技術。

通過這些創新研究，科學家們希望能夠深入了解環境DNA在溪流生態系統中的行為模式，為未來的環境管理和生物多樣性保護工作提供更加科學的數據支持和理論依據。丹尼爾·艾倫（Daniel Allen）表示，正是這些前沿研究的機會吸引他來到賓州州立大學，并讓他能夠借助這里的基因組核心設施和微生物組研究中心等資源，開展深入的DNA分析技術研究。

細心的讀者可能注意到，2024年6月初，美國發布了一份重要的文件《美國國家水環境DNA戰略》（NATIONAL AQUATIC ENVIRONMENTAL DNA STRATEGY）。上面提到的這項研究，筆者認為，或許與《美國國家水環境DNA戰略》具有很強的相關性。這項研究中開發的eDNA分析方法可以為其他地區和國家提供借鑒，推動eDNA技術的廣泛應用。

海洋與濕地·小百科

eDNA螺旋化eDNA螺旋化（eDNA spiraling）是指環境DNA在流動水體中經歷的復雜動態過程，涉及DNA的降解、沉積、再懸浮和傳播。具體來說，eDNA在水中隨著時間逐漸降解，也可能沉積在底部沉積物中，或因水流擾動而重新懸浮并進一步擴散。

換句話說，eDNA螺旋化是環境DNA在水生態系統中的一段“生命旅程”。在這個過程中，eDNA分子如同漂浮在水中的小船，經歷著降解、沉積和再懸浮等一系列變化。水體的化學成分、如pH值、鹽度和溶解氧含量，以及物理因素如水流速度、溫度和湍流強度，都會顯著影響eDNA的穩定性和遷移。此外，水體中的微生物群落也會通過分解eDNA或將其吸附到細胞表面等方式，影響eDNA的濃度和分布。理解eDNA螺旋化有助于提高eDNA技術在水生生物監測中的準確性和應用效果。

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編譯 | 王芊佳
編輯 | Sara
排版 | 綠葉

參考資料略

來源: 海洋與濕地