舀勺海水都知道 環境DNA或成生物多樣性調查新途徑

 不用捕撈或潛水觀察，從海中舀一杯水，就能知道最近有哪些魚類曾在附近出沒，這是什么神仙技能？

上世紀80年代，環境DNA的概念被首次提出，用于研究陸地動物食性或淡水環境中的微生物組成等。如今科學家又有了頗具野心的計劃：用環境DNA調查海洋中的生物多樣性。

2018年，首屆海洋環境DNA會議在美國洛克菲勒大學舉行，會議指出對漁業、瀕危物種進行監控時，應該讓海水中的環境DNA“物盡其用”。

海水中能提取出的遺傳信息很多，比如海洋生物掉落的皮膚細胞、鱗片等組織，這些都屬于環境DNA，它們能為準確識別物種提供幫助。不止是告訴人們海洋中有哪些動物，環境DNA還能告訴人們哪些地方有常見的食用魚類出沒，或者檢測到哪些水域可能存在污染。

不過，廈門大學海洋與地球學院教授丁少雄告訴《中國科學報》，“這是一項不錯的技術，但目前還存在不少缺陷”。

告別拖網

2017年夏天，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）東北部漁業科學中心的研究人員劉媛在紐約州和康涅狄格州之間的長島灣采集了近30份海水樣品。這里是有名的牡蠣產地，不少漁民將裝有牡蠣的籠子放在海水中養殖，這些籠子會引來許多魚類。同時，附近還有巖石或冷水珊瑚等天然的海底結構，為附近的魚類提供棲息場所。

養殖牡蠣的籠子和天然的珊瑚巖石分別代表了人造和天然兩類海底結構，它們會吸引不同的魚類嗎？

這是劉媛采集海水樣品的目的。她采樣的兩個站點間距大約有2000米，用傳統的拖網調查不大可行。“在這么小的范圍內，不太可能找到明顯的差別。”劉媛說。

通過識別海水樣本中的環境DNA，則有可能找到蛛絲馬跡。劉媛與合作者對采集到的樣本進行測序分析，將獲得的遺傳標記與數據庫進行比較，發現的確有一部分魚更青睞有天然結構的海底，而且在樣本采集的3個月中，魚群種類組成隨時間推移有明顯變化。

海洋生物多樣性構成、魚群遷徙階段……的確，跟拖動笨重的漁網相比，舀一杯水會輕快得多。而且在珊瑚礁等魚群種類豐富的地方，需要找到更便捷且對環境友好的調研方式。

以識別海洋中的生物多樣性為例，如果靠傳統捕撈手段，研究者在同一海域能捕獲到約20種不同的魚類；但用環境DNA，在同一水域中則可以有100多個物種被檢測出來。

如果能采集到更多更具持續性的樣本，將其與傳統調查方式得出的結果相對照、驗證有效性，那么假以時日，環境DNA技術則有可能成為垂釣、拖網、潛水等方法之后，一種新的海洋生物多樣性調查利器。

“我們從一小杯水中就能知道一大群魚的信息，這在環境和經濟方面都具有重大意義。”洛克菲勒大學生物信息和遺傳學家Mark Stoeckle曾這樣評價環境DNA技術的應用前景。

更給力的測序技術

DNA作為遺傳信息存在于生物的每一個細胞中。早在1990年前后，就有研究者利用環境DNA識別水中的微生物。2003年，環境DNA首次用于檢測樣品中是否存在大生物（指肉眼可見的生物）。到2010年前后，逐漸有研究者將環境DNA技術引入海洋調查中。

通過一個細致的過濾器，研究者可以從水體樣本中提取出物種DNA。在一份海水樣品中，可包含的DNA片段能達到上千萬個，而每一個物種能攜帶的DNA又是獨一無二的。將從樣品中獲得的遺傳標記序列與DNA數據庫中的序列相比對，就像是在通訊錄里找到相應的電話號碼，從而確認分析的DNA來自什么物種。

分析環境DNA常用的方法包括定量聚合酶鏈式反應技術（PCR）和基于高通量測序的宏條形碼技術。之前，測定海水中的DNA不僅費用昂貴，而且需要的時間較長。隨著基因測序技術的發展，弄清水中有哪些生物的DNA不像先前一般昂貴，而且效率越來越高。

比如在識別特定物種的豐富程度時，環境DNA的分析結果可以在樣本采集后的幾天內得出，對某些物種的分析甚至可以在24小時內得出結果。

斯坦福大學的海洋生物學家Barbara Block和其他研究者正在利用環境DNA追蹤大白鯊在海中的蹤跡。利用納米孔測序技術，他們可以在48小時內確定采樣處是否曾有大白鯊出沒。

不過，對哪個基因進行測序是一個不斷作決定的過程。“生物的整個DNA攜帶的信息量非常龐大，只要選取其中一段就可以判定物種種類，但具體選擇哪一段基因需要好好考量。”劉媛告訴《中國科學報》。

比如COI基因作為使用最廣泛的標準條形碼基因，有當前最豐富的參考序列數據庫，對于物種的鑒定特異性較高，但是可能不足以涵蓋高度的多樣性。

成為主流技術的門檻

丁少雄告訴《中國科學報》，環境DNA在今天若要真的發揮實力，還需要滿足一些前提條件，“比如水體樣本中能否成功提取出所有目標生物的DNA，測序結果能否從DNA數據庫的序列中找到參照”。

和人掉落在房間里的皮膚細胞不同，魚類或其他海洋生物掉落的皮膚組織會受到水流、溫度以及酸堿性等因素的影響，在較短的時間內稀釋、降解，因此從水體樣本中提取出所需要的物種DNA有一定難度。

另一方面，若DNA數據庫沒有全面、高質量的序列儲備，即便從海洋中提取出環境DNA，也只能是“巧婦難為無米之炊”。“有時我們將檢測結果與數據庫相對比，得出的結果是‘未知’，但答案真的是未知嗎？或許傳統的物種鑒定學家應該和環境DNA的研究者一起工作，DNA數據庫需要擴充。”劉媛表示。

對于政府部門和項目資助者來說，他們可能更希望看到環境DNA與傳統的研究方法有何不同，以及對環境DNA的利用能否達到更高效的水準，比如不只是測定某一區域有多少種魚類，還要進一步確定這些魚類的生物量。

“但這項工作的影響因素太多了，季節、水溫、水深、風的大小、水流變化等等，都會對生物量的估算產生影響。”丁少雄表示。

或許與更多學科的研究者合作能一步步解決這些問題。劉媛提到一些設想：“比如環境DNA的研究者應該與研究海洋物理的科學家合作，弄清海里的水如何流動，結合海水中各種復雜的化學和物理過程，建立關于環境DNA在水體中存留時間的準確模型。”

不論如何，環境DNA研究受到了越來越多的關注，丁少雄坦言，近兩年看到的與環境DNA相關的項目申請數量明顯變多。不過，這項技術能否成為未來的主流，還需要更多的時間和經費去驗證。