王昆山：从海洋到陆地，应对生态危机，环境DNA (eDNA)潜力无限！
本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：
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作者：王昆山
本文约4100字，阅读约9分钟
在浩瀚无垠的海洋中，蕴藏着我们难以想象的生物多样性。不论是海底的珊瑚礁、神秘的深海，还是广阔的海洋表面，海洋里的生命形态复杂多样，很多物种至今尚未被人类发现或充分了解。科学家们一直在想办法更好地了解海洋中的生物，并探究它们是如何生存、如何与环境互动的。而环境DNA（eDNA）技术的出现，为我们揭示了一个全新的途径。
那么：到底什么是eDNA？它跟我们平时耳熟能详的DNA又有什么关系？为什么科学家会利用它来研究海洋生物？今天，我们就一起来揭开环境DNA的神秘面纱，带你深入了解它的工作原理、应用场景，以及它如何改变我们对海洋世界的认识。
【什么是环境DNA？】
每个生物独特的“生命密码”
首先，DNA是一种我们在生物课上经常听到的词汇，它是指脱氧核糖核酸，是所有生物体遗传信息的载体。DNA像是一本书，里面写满了每个生物独特的“生命密码”。它决定了生物的样貌、行为以及生长方式。
那么，环境DNA（eDNA） 是什么呢？简而言之，eDNA是指生物体在环境中释放出的DNA片段。无论是在空气中、土壤里，还是水中，所有生物在活动时都会留下微小的痕迹，比如掉落的皮肤细胞、排出的粪便、或黏液。通过这些遗留物质，科学家可以从环境中直接提取DNA，而不必抓住生物本身。
想象一下，你走在沙滩上，脚下留下了一串串的脚印。同样地，鱼类、贝类、微小的浮游生物等海洋生物，在水中活动时也会“留下痕迹”，而这些痕迹就包含在它们释放的DNA片段中。这些散落在水体中的DNA，就是我们所说的环境DNA。
上个世纪90年代初，科学家们开始尝试从环境样本中提取DNA，并用于物种鉴定。到了21世纪初，高通量测序技术的出现，极大地推动了eDNA技术的发展，使得科学家们能够从环境样本中同时检测到大量的物种。随着技术的不断进步，过去十年来，eDNA技术在生态学、保护生物学等领域得到了广泛应用，并不断涌现出新的研究成果。
【传统方法 vs. eDNA】
与传统的生物采样和观察方法相比，eDNA具有很多独特的优势。它是一种非侵入性的技术，意味着科学家不需要捕捉或扰乱生物体，便能获得所需的遗传信息。这对于保护那些脆弱或濒危的生物具有非常重要的意义。
传统方法就像是一位老渔夫， 想要了解湖里的鱼，必须亲自下网捕捞，甚至用鱼竿逗它们上钩。这种方法虽然直接，但也会惊扰到鱼群，而且往往只能捕捉到那些大个子、喜欢热闹的鱼。对于那些躲在水草丛中、胆小害羞的小鱼，或者已经游到远方的鱼，老渔夫就无能为力了。
而eDNA技术，则像一位精明的侦探， 不需要亲自下水；只需收集一点湖水，就能通过水中的DNA线索，破译出湖里住着哪些“居民”。即使是一片小小的鱼鳞、一滴黏液，都能成为侦探破案的关键证据。eDNA不仅能找到那些大鱼，还能发现那些藏在水底的小鱼小虾，甚至连那些已经离开的鱼，也能通过残留的DNA找到蛛丝马迹。前段时间“海洋与湿地”（OceanWetlands）曾经报道过，如果被鲨鱼咬了、却不知道是什么鲨鱼咬的，那么只要留着擦拭伤口的那块纱布，仍然可以通过eDNA技术检测出当时咬人的到底是哪种鲨鱼。（拓展阅读：冲浪遇险？急救包或成破案关键！请保留鲨鱼咬伤的第一现场纱布证据）
传统方法就像一架老式相机， 只能拍下眼前的一张照片，告诉我们现在湖里有什么鱼；eDNA技术则像一台时光机， 它能根据水中的DNA记录，还原出湖里过去一段时间内的“鱼口普查”情况，让我们了解鱼群的迁徙路线、繁殖季节，甚至还能推测出湖泊的历史变迁。
比如，在南极冰盖下和海洋中，科学家们就通过eDNA技术发现了许多新的微生物物种，这些微生物对极端环境的适应具有重要的研究价值；北极地区的永久冻土层中保存着大量的古DNA，科学家们通过分析这些DNA，可以重建北极地区的古生态系统，并发现新的物种。
传统方法就像一位手艺精湛的木匠， 虽然能打造出精美的家具；但制作过程繁琐、效率也比较低下。eDNA技术则像一座现代化的工厂， 它能快速高效地处理大量的样本，为我们提供海量的数据。
传统方法就像一位专科医生， 只擅长治疗某一类疾病。eDNA技术则像一位“全科医生”， 它能诊断各种各样的“生物疾病”，从海洋到陆地，从水生到陆生，无所不包。
另外，eDNA技术可以在大范围内快速应用。比如要开展海上生物多样性调查的话，一般来讲，传统的海洋生物研究可能需要长时间的海上航行、繁琐的采样和复杂的实验设备。而eDNA则可以通过简单的水样采集，快速进行分析。这样不仅节省了大量时间和成本，还使得更多的研究人员能够参与到海洋生物多样性的研究中来。
换而言之，eDNA技术就像一双慧眼，能让我们更深入地了解自然界的奥秘。它不仅让我们看到了更多生物，还让我们看到了生物之间的联系，以及它们与环境之间的互动。这对于保护生物多样性、监测生态环境变化具有重要意义。
【eDNA如何“工作”？】
那么，科学家是如何利用这些散落在海洋里的eDNA来研究生物的呢？这其实是一个精密而复杂的过程，但我们可以通过几个步骤来简单理解。
1、收集水样。第一步，科学家们首先会使用一种叫做Niskin瓶的设备，去海洋的特定位置收集水样。这个瓶子可以潜入海洋的不同深度，然后自动采集那里的水体样本。采样的地点通常会记录下经纬度、深度、温度等数据，这样科学家可以准确知道样本的来源。
2、提取DNA。当水样被带回实验室后，科学家会用一种叫做硝酸纤维素膜过滤器的工具，将水样中的环境DNA分离出来。这就像用滤网过滤掉水中的沙子，留下我们需要的DNA颗粒。
3、保存样本。为了保证这些DNA不会因为时间而分解，科学家会把它们保存在特定的缓冲溶液中。这样，DNA可以保持稳定，方便后续研究。
4、接下来是最关键的一步，就是DNA测序了。科学家会将这些提取出的DNA送入实验室，进行DNA测序。DNA由四种不同的碱基组成，分别是A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶）。通过识别这些碱基的排列顺序，科学家可以像“解码”一样，找到每个生物的独特基因序列。
5、比对数据库：一旦科学家完成了DNA的测序，他们会将这些基因序列与已有的DNA数据库进行比对。通过这种方式，他们可以确定该DNA来自哪个物种，甚至可以追溯到它的科、属、种等具体分类。
这些步骤虽然看起来复杂，但它们让科学家不需要“抓住”某个具体的生物，也能准确知道该生物是否存在于某个海域。这种方法极大地提高了科学家们研究海洋生物的效率。
【eDNA的实际应用】
如今，eDNA技术已经被广泛应用于多个领域，它不仅帮助科学家们探索未知的海洋生物，还在其他方面发挥了重要作用。以下是几个典型的应用场景：
一、发现以前从没记录过的物种
海洋中有许多尚未被人类发现的物种（所谓的“新物种”）。通过收集环境DNA，科学家能够找到那些从未被拍摄或捕获到的物种。这些生物可能生活在深海等人类难以到达的地方，或是那些害羞的、不容易被观察到的物种。eDNA帮助我们拓宽了海洋物种的认知边界，使得科学家能够在数据中发现从未记录过的基因序列，这往往预示着新物种的发现。
二、监测入侵物种
入侵物种是指那些不属于某一生态系统的生物，然而它们被引入后会对当地的环境和生物造成破坏。比如一些入侵的鱼类会大量繁殖，抢夺本土物种的食物，最终导致本土生物数量减少甚至灭绝。通过eDNA检测，科学家能够快速监测到某一区域内是否出现了入侵物种，这样相关部门就可以及时采取措施来保护生态系统。
三、研究濒危物种
濒危物种的数量往往极少，传统的捕捉或观察方法可能对它们产生进一步的干扰。通过eDNA，科学家可以在不打扰这些生物的情况下，检测到它们的存在。这对于濒危物种的保护和研究具有重要意义，能帮助科学家了解它们的分布范围和生活习性，从而制定更好的保护策略。
四、水质监测
eDNA不仅仅用于研究生物，它还可以帮助监测水质。通过分析水体中的DNA样本，科学家可以检测到水中有害的细菌或污染物，从而帮助政府和环保机构保护水源安全。
五、渔业管理
eDNA技术同样可以应用于商业渔业领域。例如，渔民们可以利用eDNA检测来了解某一区域内鱼类的种群数量和分布情况，从而选择最佳的捕鱼地点。这不仅可以提高渔业效率，还能帮助保护海洋资源，避免过度捕捞。
【应用的困难】
当然，咱们不能专门说好处，却不说困难。
eDNA技术虽然具备强大的潜力，但在应用过程中，目前也面临一些瓶颈和困难。首先，是对比数据库。eDNA检测的关键步骤之一是将采集到的DNA序列与现有的基因数据库进行比对，从而识别出对应的物种。但目前的基因数据库并不完备，特别是在海洋生物多样性方面，许多物种的DNA序列尚未被记录或分类。因此，当科学家采集到未知生物的eDNA时，可能无法找到匹配的序列，导致物种无法被识别。这使得eDNA技术在实际应用中受到限制，尤其是在未充分研究的生态系统中。当然了，也可以先建立、以后逐渐完善。
二是，采集到的eDNA样本可能会因环境因素如水流、温度和污染物的影响而发生降解，使得样本质量不够稳定，这可能会导致分析结果不够精确。此外，不同的物种可能会释放出不同量的DNA，某些物种的eDNA很难被检测到，这就可能导致物种的遗漏或误判。在复杂的淡水系统或受到污染的水域中，eDNA的降解速度可能较快，导致样本质量不佳。再加上eDNA无法直接提供物种的具体位置或数量，这使得它需要与其他调查手段结合，才能得到更全面的生态评估。
至于成本问题，虽然eDNA技术较传统采样方法更加高效、环保，但其设备和实验室分析的成本依然不低。DNA采集和处理需要昂贵的过滤设备、保存技术、以及专业的实验室进行DNA测序。尤其是大规模的项目，涉及大量数据分析和对比，需要使用先进的基因数据库和高精度的生物信息学工具，这也进一步增加了成本。
目前，一些国家和地方生物多样性监测项目中，往往依赖于既有的政府部门和科研机构的标准和方法，传统方法如物种观察、捕捉和标本采集更为成熟和广泛使用。如要在政策层面推动eDNA的应用，恐怕首先就需要更多试点项目和明确的标准化流程，以确保这种新技术的可靠性和可重复性。
【eDNA的未来展望】
前面讲到，环境DNA（eDNA）技术让我们能够以前所未有的方式探索海洋中的生命，揭示那些隐藏在水下的生物奥秘。通过这种无侵害的技术，科学家可以迅速、精确地分析海洋生态系统，为我们揭开新物种的面纱，保护濒危物种，监控环境变化。
随着科技的进步，eDNA技术的应用前景十分广阔。科学家们正在不断完善这项技术，尝试将其应用于更多的领域。未来，eDNA或许能够帮助我们更全面地了解整个地球的生物多样性，从海洋到陆地，从微小的细菌到巨大的鲸鱼。
此外，随着环境问题的日益严重，eDNA也将成为解决全球生态危机的重要工具。无论是气候变化、海洋污染，还是生物多样性下降，eDNA都能够为我们提供关键的科学数据，帮助人类更好地应对这些全球性挑战。
THE END
海
湿
文 | 王昆山
审核 | Samantha
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://oceanexplorer.noaa.gov/technology/edna/edna.html
https://oceanexplorer.noaa.gov/edu/materials/environmental-DNA-fact-sheet.pdf
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