在浩瀚無垠的海洋中，蘊藏著我們難以想象的生物多樣性。不論是海底的珊瑚礁、神秘的深海，還是廣闊的海洋表面，海洋里的生命形態復雜多樣，很多物種至今尚未被人類發現或充分了解。科學家們一直在想辦法更好地了解海洋中的生物，并探究它們是如何生存、如何與環境互動的。而環境DNA（eDNA）技術的出現，為我們揭示了一個全新的途徑。

根據最新評估，全球有超過45,300種物種面臨滅絕風險，占所有被評估物種的比例高達28%。 上圖來源：世界自然保護聯盟瀕危物種紅色名錄那么：到底什么是eDNA？它跟我們平時耳熟能詳的DNA又有什么關系？為什么科學家會利用它來研究海洋生物？今天，我們就一起來揭開環境DNA的神秘面紗，帶你深入了解它的工作原理、應用場景，以及它如何改變我們對海洋世界的認識。【什么是環境DNA？】
首先，DNA是一種我們在生物課上經常聽到的詞匯，它是指脫氧核糖核酸，是所有生物體遺傳信息的載體。DNA像是一本書，里面寫滿了每個生物獨特的“生命密碼”。它決定了生物的樣貌、行為以及生長方式。那么，環境DNA（eDNA） 是什么呢？簡而言之，eDNA是指生物體在環境中釋放出的DNA片段。無論是在空氣中、土壤里，還是水中，所有生物在活動時都會留下微小的痕跡，比如掉落的皮膚細胞、排出的糞便、或黏液。通過這些遺留物質，科學家可以從環境中直接提取DNA，而不必抓住生物本身。想象一下，你走在沙灘上，腳下留下了一串串的腳印。同樣地，魚類、貝類、微小的浮游生物等海洋生物，在水中活動時也會“留下痕跡”，而這些痕跡就包含在它們釋放的DNA片段中。這些散落在水體中的DNA，就是我們所說的環境DNA。上個世紀90年代初，科學家們開始嘗試從環境樣本中提取DNA，并用于物種鑒定。到了21世紀初，高通量測序技術的出現，極大地推動了eDNA技術的發展，使得科學家們能夠從環境樣本中同時檢測到大量的物種。隨著技術的不斷進步，過去十年來，eDNA技術在生態學、保護生物學等領域得到了廣泛應用，并不斷涌現出新的研究成果。

上圖：東沙魟魚。王敏幹于20世紀80年代中期拍攝。?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

【傳統方法 vs. eDNA】
與傳統的生物采樣和觀察方法相比，eDNA具有很多獨特的優勢。它是一種非侵入性的技術，意味著科學家不需要捕捉或擾亂生物體，便能獲得所需的遺傳信息。這對于保護那些脆弱或瀕危的生物具有非常重要的意義。傳統方法就像是一位老漁夫， 想要了解湖里的魚，必須親自下網捕撈，甚至用魚竿逗它們上鉤。這種方法雖然直接，但也會驚擾到魚群，而且往往只能捕捉到那些大個子、喜歡熱鬧的魚。對于那些躲在水草叢中、膽小害羞的小魚，或者已經游到遠方的魚，老漁夫就無能為力了。

北京亮馬河公園。攝影：Linda ?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

而eDNA技術，則像一位精明的偵探， 不需要親自下水；只需收集一點湖水，就能通過水中的DNA線索，破譯出湖里住著哪些“居民”。即使是一片小小的魚鱗、一滴黏液，都能成為偵探破案的關鍵證據。eDNA不僅能找到那些大魚，還能發現那些藏在水底的小魚小蝦，甚至連那些已經離開的魚，也能通過殘留的DNA找到蛛絲馬跡。前段時間“海洋與濕地”（OceanWetlands）曾經報道過，如果被鯊魚咬了、卻不知道是什么鯊魚咬的，那么只要留著擦拭傷口的那塊紗布，仍然可以通過eDNA技術檢測出當時咬人的到底是哪種鯊魚。傳統方法就像一架老式相機， 只能拍下眼前的一張照片，告訴我們現在湖里有什么魚；eDNA技術則像一臺時光機， 它能根據水中的DNA記錄，還原出湖里過去一段時間內的“魚口普查”情況，讓我們了解魚群的遷徙路線、繁殖季節，甚至還能推測出湖泊的歷史變遷。比如，在南極冰蓋下和海洋中，科學家們就通過eDNA技術發現了許多新的微生物物種，這些微生物對極端環境的適應具有重要的研究價值；北極地區的永久凍土層中保存著大量的古DNA，科學家們通過分析這些DNA，可以重建北極地區的古生態系統，并發現新的物種。

壯觀而靜謐的北極冰蓋。攝影師：趙宇 ?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

上圖：南極冰川。攝影：Joys 綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

傳統方法就像一位手藝精湛的木匠， 雖然能打造出精美的家具；但制作過程繁瑣、效率也比較低下。eDNA技術則像一座現代化的工廠， 它能快速高效地處理大量的樣本，為我們提供海量的數據。傳統方法就像一位專科醫生， 只擅長治療某一類疾病。eDNA技術則像一位“全科醫生”， 它能診斷各種各樣的“生物疾病”，從海洋到陸地，從水生到陸生，無所不包。另外，eDNA技術可以在大范圍內快速應用。比如要開展海上生物多樣性調查的話，一般來講，傳統的海洋生物研究可能需要長時間的海上航行、繁瑣的采樣和復雜的實驗設備。而eDNA則可以通過簡單的水樣采集，快速進行分析。這樣不僅節省了大量時間和成本，還使得更多的研究人員能夠參與到海洋生物多樣性的研究中來。換而言之，eDNA技術就像一雙慧眼，能讓我們更深入地了解自然界的奧秘。它不僅讓我們看到了更多生物，還讓我們看到了生物之間的聯系，以及它們與環境之間的互動。這對于保護生物多樣性、監測生態環境變化具有重要意義。 【eDNA如何“工作”？】
那么，科學家是如何利用這些散落在海洋里的eDNA來研究生物的呢？這其實是一個精密而復雜的過程，但我們可以通過幾個步驟來簡單理解。1、收集水樣。第一步，科學家們首先會使用一種叫做Niskin瓶的設備，去海洋的特定位置收集水樣。這個瓶子可以潛入海洋的不同深度，然后自動采集那里的水體樣本。采樣的地點通常會記錄下經緯度、深度、溫度等數據，這樣科學家可以準確知道樣本的來源。**2、提取DNA。**當水樣被帶回實驗室后，科學家會用一種叫做硝酸纖維素膜過濾器的工具，將水樣中的環境DNA分離出來。這就像用濾網過濾掉水中的沙子，留下我們需要的DNA顆粒。**3、保存樣本。**為了保證這些DNA不會因為時間而分解，科學家會把它們保存在特定的緩沖溶液中。這樣，DNA可以保持穩定，方便后續研究。**4、接下來是最關鍵的一步，就是DNA測序了。**科學家會將這些提取出的DNA送入實驗室，進行DNA測序。DNA由四種不同的堿基組成，分別是A（腺嘌呤）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）。通過識別這些堿基的排列順序，科學家可以像“解碼”一樣，找到每個生物的獨特基因序列。

攝于國家動物博物館。??綠會融媒·海洋與濕地工作組

5、比對數據庫：一旦科學家完成了DNA的測序，他們會將這些基因序列與已有的DNA數據庫進行比對。通過這種方式，他們可以確定該DNA來自哪個物種，甚至可以追溯到它的科、屬、種等具體分類。這些步驟雖然看起來復雜，但它們讓科學家不需要“抓住”某個具體的生物，也能準確知道該生物是否存在于某個海域。這種方法極大地提高了科學家們研究海洋生物的效率。 【eDNA的實際應用】
如今，eDNA技術已經被廣泛應用于多個領域，它不僅幫助科學家們探索未知的海洋生物，還在其他方面發揮了重要作用。以下是幾個典型的應用場景：一、發現以前從沒記錄過的物種
海洋中有許多尚未被人類發現的物種（所謂的“新物種”）。通過收集環境DNA，科學家能夠找到那些從未被拍攝或捕獲到的物種。這些生物可能生活在深海等人類難以到達的地方，或是那些害羞的、不容易被觀察到的物種。eDNA幫助我們拓寬了海洋物種的認知邊界，使得科學家能夠在數據中發現從未記錄過的基因序列，這往往預示著新物種的發現。二、監測入侵物種
入侵物種是指那些不屬于某一生態系統的生物，然而它們被引入后會對當地的環境和生物造成破壞。比如一些入侵的魚類會大量繁殖，搶奪本土物種的食物，最終導致本土生物數量減少甚至滅絕。通過eDNA檢測，科學家能夠快速監測到某一區域內是否出現了入侵物種，這樣相關部門就可以及時采取措施來保護生態系統。三、研究瀕危物種
瀕危物種的數量往往極少，傳統的捕捉或觀察方法可能對它們產生進一步的干擾。通過eDNA，科學家可以在不打擾這些生物的情況下，檢測到它們的存在。這對于瀕危物種的保護和研究具有重要意義，能幫助科學家了解它們的分布范圍和生活習性，從而制定更好的保護策略。四、水質監測
eDNA不僅僅用于研究生物，它還可以幫助監測水質。通過分析水體中的DNA樣本，科學家可以檢測到水中有害的細菌或污染物，從而幫助政府和環保機構保護水源安全。五、漁業管理
eDNA技術同樣可以應用于商業漁業領域。例如，漁民們可以利用eDNA檢測來了解某一區域內魚類的種群數量和分布情況，從而選擇最佳的捕魚地點。這不僅可以提高漁業效率，還能幫助保護海洋資源，避免過度捕撈。
【應用的困難】
當然，咱們不能專門說好處，卻不說困難。eDNA技術雖然具備強大的潛力，但在應用過程中，目前也面臨一些瓶頸和困難。**首先，是對比數據庫。**eDNA檢測的關鍵步驟之一是將采集到的DNA序列與現有的基因數據庫進行比對，從而識別出對應的物種。但目前的基因數據庫并不完備，特別是在海洋生物多樣性方面，許多物種的DNA序列尚未被記錄或分類。因此，當科學家采集到未知生物的eDNA時，可能無法找到匹配的序列，導致物種無法被識別。這使得eDNA技術在實際應用中受到限制，尤其是在未充分研究的生態系統中。當然了，也可以先建立、以后逐漸完善。**二是，采集到的eDNA樣本可能會因環境因素如水流、溫度和污染物的影響而發生降解，使得樣本質量不夠穩定，這可能會導致分析結果不夠精確。**此外，不同的物種可能會釋放出不同量的DNA，某些物種的eDNA很難被檢測到，這就可能導致物種的遺漏或誤判。在復雜的淡水系統或受到污染的水域中，eDNA的降解速度可能較快，導致樣本質量不佳。再加上eDNA無法直接提供物種的具體位置或數量，這使得它需要與其他調查手段結合，才能得到更全面的生態評估。

美國科學家艾琳·達格內斯（Erin D’Agnese）和瑪雅·加伯-楊茲（Maya Garber-Yonts）（從左至右）在2021年4月在查克納特溪的一個涵洞上游進行采樣。藍色背包中裝有一臺泵，通過黃色管道將溪流水吸入，以過濾材料進行DNA分析。攝影：伊麗莎白·安德魯斯克維奇·艾倫/華盛頓大學。至于成本問題，雖然eDNA技術較傳統采樣方法更加高效、環保，但**其設備和實驗室分析的成本依然不低。**DNA采集和處理需要昂貴的過濾設備、保存技術、以及專業的實驗室進行DNA測序。尤其是大規模的項目，涉及大量數據分析和對比，需要使用先進的基因數據庫和高精度的生物信息學工具，這也進一步增加了成本。目前，一些國家和地方生物多樣性監測項目中，往往依賴于既有的政府部門和科研機構的標準和方法，傳統方法如物種觀察、捕捉和標本采集更為成熟和廣泛使用。如要在政策層面推動eDNA的應用，恐怕首先就需要更多試點項目和明確的標準化流程，以確保這種新技術的可靠性和可重復性。 【eDNA的未來展望】

深海是地球上最神秘的地方之一，這里黑暗、寒冷、壓力巨大，生活著許多我們從未見過的奇特生物。它們有著與眾不同的外形和適應極端環境的本領，等待著人類去探索和發現。上圖是納斯卡海脊高海域和海底山一帶的海洋生物。圖源：Schmidt Ocean（圖文無關）前面講到，環境DNA（eDNA）技術讓我們能夠以前所未有的方式探索海洋中的生命，揭示那些隱藏在水下的生物奧秘。通過這種無侵害的技術，科學家可以迅速、精確地分析海洋生態系統，為我們揭開新物種的面紗，保護瀕危物種，監控環境變化。隨著科技的進步，eDNA技術的應用前景十分廣闊。科學家們正在不斷完善這項技術，嘗試將其應用于更多的領域。未來，eDNA或許能夠幫助我們更全面地了解整個地球的生物多樣性，從海洋到陸地，從微小的細菌到巨大的鯨魚。此外，隨著環境問題的日益嚴重，eDNA也將成為解決全球生態危機的重要工具。無論是氣候變化、海洋污染，還是生物多樣性下降，eDNA都能夠為我們提供關鍵的科學數據，幫助人類更好地應對這些全球性挑戰。THE END
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文 | 王昆山

審核 | Samantha

排版 | 綠葉

參考資料略

來源: 海洋與濕地