运用环境DNA追踪的革命性技术分析“从微观到宏观”的全生态系统
希拉里•史塔克斯（Hilary Starks）迫不及待的想要拿到她当天的前三份样品。2015年，她正满怀期待地站在一艘117英尺高的“Western Flyer”号研究船甲板上，搜寻加利福尼亚州蒙特雷湾下方的水域。甲板上的绞车开始移动，滑轮和钢丝绳慢慢吊起她等待的东西：一艘五英尺长的潜水器，里面载着装满海水的大塑料瓶。
Starks当时是斯坦福大学的一个实验室技术员，她知道有无数微小到不被人眼所发现的基因信息漂浮在这一升的瓶子里。现代的DNA解析器将在“Western Flyer”号航行归来后揭示生态系统的秘密。
蒙特雷湾湾是数百种海洋生物栖息的家园。 但是，科学家们仍然不能确切地知道每个物种的数量，也不清楚它们是如何活动和相互影响的。现在，研究人员通过分析动物在环境中留下的微量DNA痕迹，以这种非入侵的方式研究它们的数量和位置。
现代基因测序技术已经取得了很大的进步，使得从少量的水或土壤的样本中分析这种环境DNA或eDNA，可能会彻底改变科学家对全世界生态系统和生态系统保护的理解方式。斯坦福大学的海洋科学家芭芭拉•布洛克 （Barbara Block）数十年来一直在监测太平洋和大西洋的鱼类，她说：“值得注意的是，在二十一世纪，我们仍然无法确切说出海洋中生活的物种。”但在今天，仅一公升的海水，就能容纳数百万个基因序列，就可以讲述一个地方生态历史的许多故事。
随着海洋酸化和气候变化已逐渐成为现实, 科学家们想要知道动植物的分布和健康状态将会因此发生什么变化。伊丽莎白•安德鲁兹基维奇•艾伦是马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的一位环境工程师， 她在斯坦福大学分析了斯塔克的样品，说道：“用DNA的方法监控群落和生态系统将会变得更加容易，只需采集一个水样，便可找到从微观到宏观的所有东西。”
正如我们不断的代谢含有DNA的死细胞一样，从微小的细菌到庞大的蓝鲸等海洋生物都会留下看不见的环境痕迹。如今的测序工具非常的强大，以至于研究人员现在可以检测到这些散布在环境中微小的DNA痕迹，并通过精确的计算方法确定它们来自于什么生物。
寻找那些显著的和潜在的物种
为了使用 eDNA 追踪物种，科学家们首先对样本中发现的DNA片段进行复制，然后读取，并将读取结果与他们感兴趣物种的已知DNA序列进行比对。
例如，在2012年的一项研究中，当时在丹麦的自然历史博物馆，现在在奥胡斯大学工作的菲利普•弗朗西斯•汤姆森 （Philip Francis Thomsen）和他的同事们从波罗的海周围收集海水。他们在鼠海豚和长鳍领航鲸身上检测出了eDNA，后者是波罗的海罕见的物种，表明该技术具有“发现”潜在物种的能力。
去年，阿拉斯加的研究人员通过分析水中鲑鱼的DNA来追踪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。
有时，科学家们使用一种名为“DNA宏条形码”的技术来评估来自整个生物群的DNA，从而为海洋某一地点的生物多样性提供一个更广阔的写照。与传统的生物多样性调查方法相比，这种方法主要有三个优点: 高灵敏度、低成本和非侵入性。
在克拉默鱼类科学（Cramer Fish Sciences）咨询公司工作的Starks在工作中使用eDNA检测技术，说道：“你经常不得不杀死你感兴趣的动物来收集它，能够不用做这样的事情是很好的一件事。”
潜入海底
在海洋中使用eDNA分析始于20世纪80年代末，当时科学家们开始研究微生物繁殖中的DNA。现在世界各地的科学家正在研究各种生物和生态系统，以了解海洋群落的复杂性。
例如，汤姆森 （Thomsen）利用eDNA研究了阿拉伯湾的鲸鲨和格陵兰岛海岸深处的鱼类生态。南加州的科学家们发现了带有eDNA的白鲨。阿拉斯加的研究人员研究了在这些水域中难以检测到的鼠海豚。澳大利亚的科学家最近使用eDNA方法探测到了来自该国珊瑚湾所有主要生物群落的信号。
加拿大麦吉尔大学的生态基因组学家 Melania Cristescu 工作重点是淡水环境中的eDNA，说道:“我认为这不仅会对我们了解群落的动态变化产生影响，而且会对物种存在与否的理解都将产生重大影响，这是让我兴奋的地方。”
蒙特利湾湾的研究人员开始研究六年前生活在该地区动物的eDNA，当时斯坦福大学海洋解决方案研究中心的研究人员莱恩•凯利 （Ryan Kelly）开始将eDNA采样与传统的生物多样性调查进行比较。凯利想知道，分析eDNA是否比让潜水员在水下物理计数的方式更快、更简单。
他知道DNA在海洋中会快速降解，所以他首先想测试eDNA技术的可靠性和敏感性。为此，他在蒙特利湾水族馆的一个受控区域中开始了他的工作。这个容量为450万升的开放海域水族箱饲养着12种动物，包括太平洋沙丁鱼、鲭鱼和海龟。
“我们这里有一个已知的群落——我们可以看到鱼缸里的鱼，” Kelly回忆道。“如果我们从中取一升水，我们能否看到里面鱼的DNA基因?”
他的团队从水箱中收集了水样并测试了eDNA，研究小组不仅检测了生活在鱼缸里的大多数是多骨鱼类的eDNA，而且还确定了饲喂给这些动物食物种类的DNA。
在潜水之外看到的世界
Kelly接下来想研究海洋里的eDNA，他担心海水中的eDNA会被洋流带到很远的地方，因此样本可能不能代表某个地点的实际生物多样性。因此，2013年，他和他的团队在蒙特利西北的太平洋丛林 （Pacific Grove）附近经过充分研究的水域对这一问题进行了测试。除了开展eDNA的工作外，潜水员还记录了他们在样本地点看到的脊椎动物物种，包括岩鱼、濑鱼、河鲈和海豹。
潜水员发现了12种鱼类和海洋哺乳动物。eDNA技术检测到其中11个。但是基因分析还发现了另外18种鱼类、哺乳动物和鸟类，虽然已知这些动物生活在该处，但是视觉调查却没有发现它们。Kelly的团队还发现，eDNA分析可以区分相距近60米的栖息地。这项工作之后，同样在海洋解决方案研究中心工作的海洋生物学家科林•洛克 （Collin Closek）同样发现，未经测试的蒙特利湾水样中的eDNA与同时记录的凤尾鱼和座头鲸的视觉调查相吻合。
换句话说，“eDNA不只是到处移动， 它在海洋中不断受到冲洗。”现在在华盛顿大学的Kelly说：“知道它停留在一个地方真的很重要。”
搜寻更远更深
但研究人员迄今为止只探索了近海水域。因此，在2015年9月，Starks开始前往“Western Flyer”号科考船，旨在发现eDNA可以在公海中揭示更深层的水下秘密。
当装满瓶子的潜水器从深海中升起时，Starks将海水样本倒入微小的塑料过滤器中，以捕获所有漂浮的遗传物质。然后她把过滤器储存在-80°C的船用冰箱中，以便DNA保持完整, 直到Andruszkiewicz Allan可以在实验室里分析它。在两天的时间里,“Western Flyer”号在海上遨游，而睡眠不足的Starks夜以继日地工作，从整个蒙特利湾中提取了63个样本。
实验室分析揭示了72种鱼类和哺乳动物的eDNA，包括鲨鱼、鲱鱼、灯笼鱼和太阳鱼。其中一些是科学家之前不知道的生活在蒙特利湾的深海生物，比如长身体的丝虫，又名幽灵鱼。
该领域的研究人员旨在从eDNA中学到更多。蒙特利湾水族馆研究所的科学家们使用潜水机器人自动从海湾中收集水样。 Ruszkiewicz Allan（鲁兹凯维奇•艾伦） 正在研究一个项目，以模拟eDNA在海洋中的移动方式，以便人们可以知道动物最初在何时何处释放遗传物质。
斯坦福大学的Block多年来一直在太平洋沿岸追踪白鲨，他正在利用eDNA来估计它们的数量，并在实验室里试图开发一种检测海湾蓝鳍金枪鱼性别和繁殖状况的试验。他说:“ 我认为重要的是，除了渔网以外，还需要一项新技术来评估谁在那儿。”
增强鱼类搜索
环境DNA也可以帮助监测每年的鱼类数量。Closek说，过去蒙特利湾地区鲑鱼种类繁多，但现在已经很少见了，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。
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15000头，到1966年降至1200头。自半个世纪前接受联邦政府保护以来，它们的数量一直在上升，近年来至少达到18000头。“通过拥有这些eDNA的位置，可以进一步提高我们对这些鲸鱼所处位置的了解。”Closek说。
科学家们还希望，这些研究能够通过发现某个地区难以区分的濒危物种，或威胁本土野生动物的入侵物种，为决策提供依据。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的亚洲鲤鱼物种。包括 Kelly 和 Thomsen 在内的11名研究人员在2014年发表于《Science》杂志上的一篇论文中写道:“ eDNA提供了决策所需的现今生活世界视图。”
并非那么快
环境DNA方法有其缺陷。从样本收集到得出结果的每一步都可能出错，克里斯蒂斯库（Cristescu）说：“必须非常干净，”她补充道。很少有实验室具备eDNA工作所需的清洁标准，所以“发现”实际上不存在的物种的几率很高。尽管灵敏度高，但如果eDNA的含量过少或几乎被分解，或者该技术的关键步骤未正确执行，也有可能漏掉存在的物种。
环境DNA还不能揭示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。但它肯定可以变得更加完善。Kelly说，“这只是一张不同的捕兽网。”
他表示:“这是我们以完全不同的方式看待世界的一个新领域。谁不想在一杯海水里看到海星、虎鲸和介于两者之间的一切呢?”
编者注:该文本于2019年8月5日修订，增加了菲利普•弗朗西斯•汤姆森与奥尔胡斯大学的现有协议。