本文最初刊登于 Undark。
20 世纪 80 年代末，在佛罗里达州彭萨科拉的一个联邦研究机构，Tamar Barkay 以一种她当时无法想象的方式使用泥土，证明了革命性的作用：一种现在正在撼动许多科学领域的技术的粗糙版本。Barkay 收集了几份泥土样本——一份来自内陆水库，一份来自半咸的河口湾，第三份来自低洼的咸水沼泽。她将这些沉积物样本放在实验室的玻璃瓶中，然后加入汞，形成了有毒的污泥。
当时，Barkay 在环境保护局工作，她想知道泥土中的微生物如何与汞（一种工业污染物）相互作用，这需要了解特定环境中*所有*生物，而不仅仅是那些能在实验室的培养皿中成功培养出来的一小部分。但潜在的问题非常基本，以至于它仍然是生物学中那些根本性的驱动性问题之一。正如现已退休的 Barkay 在最近一次在科罗拉多州博尔德接受采访时所说：“那里有什么？”她补充说，同样重要的是：“他们在那里做什么？”
今天，生态学家、公共卫生官员、保护生物学家、法医从业者以及研究进化和古代环境的人们仍然在问这些问题——这些问题驱动着脚踏实地的流行病学家和生物学家前往世界偏远的角落。
Barkay 和她的同事于 1987 年在《微生物学方法杂志》上发表的论文概述了一种方法——“直接环境 DNA 提取”——该方法允许研究人员进行普查。这是一种实用的工具，尽管有些杂乱，用于检测谁在那里。Barkay 在她的职业生涯余下时间里一直使用它。
今天，这项研究被引用为 eDNA（环境 DNA）的早期瞥见，eDNA 是一种相对便宜、分布广泛、可能自动化的方法，用于观察生命的多样性和分布。与以前识别 DNA 的技术（例如，来自单个生物的 DNA）不同，该方法还收集了围绕它的其他遗传物质的旋转云。近年来，该领域显著增长。“它有了自己的期刊，”哥本哈根大学进化遗传学家 Eske Willerslev 说。“它有了自己的学会，科学学会。它已经成为一个成熟的领域。”
“我们都爱掉皮屑，对吧？细胞碎片一直在脱落。”
eDNA 作为一种监测工具，为研究人员提供了一种检测看似无法检测之物的手段。通过对水、土壤、冰芯、棉签或几乎任何可以想象到的环境，甚至稀薄的空气中的 eDNA（即 DNA 混合物，生命的蓝图）进行采样，现在可以搜索特定的生物或组装特定地点的所有生物快照。eDNA 不是设置摄像机来查看谁在夜间穿过海滩，而是从沙子上的脚印中提取这些信息。“我们都爱掉皮屑，对吧？”加拿大圭尔夫大学生物学家 Robert Hanner 说。“细胞碎片一直在脱落。”
作为一种确认某种存在的方法，eDNA 并非万无一失。例如，在 eDNA 中检测到的生物可能实际上并不生活在采集样本的地点；Hanner 举了一个过路的鸟，一只苍鹭，它吃了一条蝾螈，然后排出了它的一些 DNA，这可能是两栖动物的信号出现在一些从未被实体发现的区域的原因之一。
尽管如此，eDNA 能够帮助侦测遗传痕迹，其中一些痕迹会脱落在环境中，提供一种令人兴奋——而且可能令人不寒而栗——收集有关生物（包括人类）日常活动信息的方式。
eDNA 的概念基础——发音为 EE-DEE-EN-AY，而不是 ED-NUH——可以追溯到一百年前，在所谓的分子生物学出现之前，它通常归功于 20 世纪初工作的法国犯罪学家 Edmond Locard。在 1929 年发表的一系列论文中，Locard 提出了一个原则：每一次接触都会留下痕迹。本质上，eDNA 将 Locard 的原则带到了 21 世纪。
在最初的几十年里，成为 eDNA 的领域——包括 Barkay 在 20 世纪 80 年代的工作——主要集中在微生物生命上。回顾其演变，eDNA 似乎在爬出众所周知的泥潭方面进展缓慢。
直到 2003 年，该方法才发现了消失的生态系统。由 Willerslev 领导的 2003 年的研究从不到一茶匙的沉积物中提取了古老的 DNA，首次证明了用这种技术检测包括植物和猛犸象在内的大型生物的可行性。在同一项研究中，在（值得注意的是，没有冷冻的）新西兰洞穴中收集的沉积物发现了一种已灭绝的鸟类：恐鸟。也许最令人称道的是，这些研究古老 DNA 的应用源于数百万年前丢弃在地上的大量粪便。
Willerslev 几年前在思考一堆最近的粪便时，提出了这个想法：在他获得哥本哈根硕士学位和博士学位之间，他感到无所事事，努力获取骨骼、遗骸或其他实物标本进行研究。但有一个秋天，他望着窗外，“一只狗在街上大便，”他回忆道。这个场景促使他思考粪便中的 DNA，以及它如何随着雨水冲走，不留下可见的痕迹。但是 Willerslev 问道，“DNA 能够存活吗？”这就是他后来着手寻找的。”
这篇论文证明了 DNA 非凡的持久性，他说，DNA 在环境中存活的时间比之前的估计要长得多。自那时以来，Willerslev 分析了如今格陵兰冰原中的 eDNA，其历史可以追溯到 200 万年前，他还在研究来自吴哥窟的样本，这是一个据信建于 12 世纪的巨大寺庙群。“这应该是你能想象的最糟糕的 DNA 保存，”他说。“我的意思是，那里又热又潮湿。”
但是，他说，“我们可以提取 DNA。”
eDNA 能够帮助侦测遗传痕迹，提供一种令人兴奋——而且可能令人不寒而栗——收集有关生物日常活动信息的方式。
Willerslev 现在几乎不孤单地看到一种具有看似无限应用潜力的工具——特别是随着技术进步使研究人员能够测序和分析大量遗传信息。“这是通往许多许多事物的开放窗口，”他说，“而且，我相信，还有我所能想到的更多。”不仅仅是古代猛犸象；eDNA 可以揭示隐藏在我们中间的现存生物。
科学家们利用 eDNA 追踪各种形状和大小的生物，无论是微小的入侵性藻类、尼斯湖的鳗鱼，还是近 90 年来未被发现的无眼沙栖鼹鼠；研究人员通过查看野花花蕾上的 eDNA 或风中吹拂的 eDNA 来取样整个群落，以此作为访问的鸟类、蜜蜂和其他传粉动物的代表。
eDNA 历史上的下一个飞跃是围绕寻找地球水生环境中当前存在的生物。2008 年，一篇标题出现：“水保留了隐藏物种的 DNA 记忆。”它不是来自超市小报，而是来自备受尊敬的行业出版物《化学世界》，描述了法国研究员 Pierre Taberlet 和他的同事们的工作。该团队寻找褐绿牛蛙，这种蛙重达 2 磅以上，并且由于它们会吞噬路径上的一切，因此被认为是西欧的一种入侵物种。找到牛蛙通常需要熟练的爬行类动物学家用双筒望远镜扫描海岸线，然后他们会在日落后回来听它们的叫声。2008 年的论文提出了一种更简单的方法——一种需要更少人力的调查。
“你可以直接从水中获得该物种的 DNA，”奥尔堡大学生物学家 Philip Thomsen（未参与该研究）说。“这确实启动了环境 DNA 领域。”
青蛙很难被发现，而且它们当然不是唯一一种逃避更传统、实地侦测的物种。Thomsen 开始研究另一种出了名地难以测量的生物：鱼。数鱼有时被说成与数树大致相似——只是它们是自由活动的，在黑暗的地方，而且数鱼的人是在蒙着眼睛进行统计的。环境 DNA 摘下了蒙眼布。一项对该技术已发表文献的审查——尽管其中带有警告，包括不完善和不精确的检测或有关丰度的细节——发现淡水和海洋鱼类及两栖动物的 eDNA 研究数量是陆地研究的 7:1。
2011 年，当时是 Willerslev 实验室的博士候选人的 Thomsen 发表了一篇论文，证明该方法可以检测到*稀有*和受威胁的物种，例如在欧洲数量稀少的物种，包括两栖动物、像水獭这样的哺乳动物、甲壳类动物和蜻蜓。“我们证明了，只需要一杯水就能检测到这些生物，”他告诉 Undark。很明显：该方法在物种检测和监测方面在保护生物学方面有直接的应用。
2012 年，《分子生态学》杂志发表了关于 eDNA 的特刊，Taberlet 和几位同事为 eDNA 制定了一个工作定义：任何从环境样本中分离出来的 DNA。该方法描述了两种相似但略有不同的方法：一种可以回答是或否的问题：牛蛙（或其他）是否存在？它通过扫描隐喻的条形码来实现，即对物种或科特有的短 DNA 序列，称为引物；结账扫描仪是一种称为定量实时聚合酶链式反应（qPCR）的常用技术。
科学家们利用 eDNA 追踪各种形状和大小的生物，无论是微小的入侵性藻类、尼斯湖的鳗鱼，还是近 90 年来未被发现的无眼沙栖鼹鼠。
另一种方法，通常称为 DNA 元条形码，基本上可以吐出样本中存在的生物列表。“你问的问题是，这里有什么？”Thomsen 说。“然后你会得到所有已知的，但你也会得到一些惊喜，对吧？因为有一些物种是你不知道它们实际上存在的。”
一种旨在大海捞针；另一种则试图揭示整个草垛。eDNA 与更传统的采样技术不同，传统的采样技术会捕捉、操纵、压力甚至杀死鱼类等生物。获得的数据是客观的；它是标准化的，并且是无偏见的。
“eDNA，无论如何，都将作为生物科学的重要方法之一，”圭尔夫大学分子生物学家 Mehrdad Hajibabaei 说，他开创了元条形码方法，并且追踪了拉布拉多海 9800 英尺深处的鱼。“我每天都能看到一些让我意想不到的新东西。”
近年来，eDNA 领域得到了扩展。该方法的灵敏度使研究人员能够采样以前难以触及的环境，例如，从空气中捕获 eDNA——这种方法突显了 eDNA 的前景及其潜在的陷阱。空气中的 eDNA 似乎在全球尘带上循环，表明其丰富性和普遍性，并且可以对其进行过滤和分析，以监测植物和陆地动物。但是风中飘散的 eDNA 可能导致无意的污染。
例如，2019 年，Thomsen 将两瓶超纯水放在外面——一瓶在草地上，另一瓶在海港附近。几个小时后，水中就含有与鸟类和鲱鱼相关的可检测 eDNA，这表明非陆地物种的痕迹已经沉降到样本中；这些生物显然没有栖息在瓶子里。“所以它必须来自空气，”Thomsen 告诉 Undark。结果表明了一个双重问题：一方面，痕迹证据可以四处移动，两个接触的生物可以携带其他生物的 DNA，而仅仅因为某种 DNA 存在并不意味着该物种实际上在那里。
此外，也不能保证 eDNA 的存在表明该物种活着，他表示，实地调查仍然需要了解物种的繁殖成功率、健康状况或栖息地状况。到目前为止，eDNA 并不一定取代实体观察或收集。在另一项研究中，Thomsen 的团队在花朵上收集 eDNA 来寻找授粉鸟类，纸上报告的 eDNA 中有一半以上来自人类，这种污染可能模糊了结果，并使检测相关授粉者更加困难。
同样，2023 年 5 月，佛罗里达大学的一个团队，此前通过海龟在沙滩上爬行时留下的 eDNA 痕迹研究海龟，发表了一篇发现了人类 DNA 的论文。这些样本足够完整，可以检测出可能有一天用于识别个人的关键突变，这表明生物监测也引发了关于人类伦理测试和知情同意的悬而未决的问题。如果 eDNA 充当了拦网，那么它就毫不偏倚地收集了关于生物多样性的信息，并最终得到了，正如 UF 团队的论文所说，“人类基因‘副捕’”。
虽然迄今为止，与沙子上的脚印相关的隐私问题似乎主要存在于理论领域，但 eDNA 在与野生动物相关的法律诉讼中的使用不仅是可能的，而且已经是现实。它也被用于刑事调查：例如，2021 年，一组中国研究人员报告说，在一名嫌疑犯的裤子上收集的 eDNA，与其声称的相反，表明他可能去过发现一具尸体的泥泞运河。
关于脱靶 eDNA 的担忧，就准确性以及它对人类医学和法医学的影响而言，突显了另一个更广泛的缺点。正如 Guelph 大学 Hanner 所描述的，“我们的监管框架和政策往往比科学滞后至少十年或更长时间。”
“我每天都能看到一些让我意想不到的新东西。”
如今，有无数潜在的监管应用，用于水质监测、环境影响评估（包括海上风电场和石油天然气钻探以及更常规的街区购物中心开发）、物种管理和濒危物种法案的执行。在一项于 2021 年提起的民事法庭案件中，美国鱼类及野生动物管理局评估了一个濒危鱼类是否存在于特定流域，使用了 eDNA 和更传统的采样，结果发现它们不存在。法院认为该机构对该流域缺乏保护是合理的。问题似乎不是 eDNA 是否在法庭上站住了脚；它做到了。“但你真的不能说某样东西不存在于环境中，”Hajibabaei 说。
他最近强调了验证问题：eDNA 推断结果，但需要更成熟的标准来确认这些结果是否真实（即某个生物是否真的存在或不存在，或在特定数量）。一系列特别会议供科学家们讨论，以解决这些标准化问题，他表示这些问题包括协议、保管链以及数据生成和分析的标准。在一篇对 eDNA 研究的审查中，Hajibabaei 和他的同事们发现，该领域充斥着孤例，或概念验证性研究，试图证明 eDNA 分析有效。研究仍然绝大多数局限于学术界。
因此，希望在实际应用中使用 eDNA 的从业人员有时会要求不可能。该物种是否存在于特定位置？例如，Hajibabaei 说，最近有人问他是否可以完全否定寄生虫的存在，证明它没有出现在水产养殖场。“我说，‘看，我无法 100% 确定。’”
他说，即使有严格的分析框架，也很难解决假阴性和假阳性问题，除非进行 eDNA 所规避的事情——即更传统的收集和手动检查。尽管存在局限性，一些公司已经开始将这项技术商业化。例如，未来的应用可以帮助一家公司确认它正在建造的桥梁是否会伤害当地濒危动物；一个水产养殖企业确定它养鱼的水是否被海虱侵害；或者一个土地所有者想知道新的种植是否吸引了更广泛的本地蜜蜂。
鉴于 eDNA 被誉为一种检测无法检测之物的间接方式——或者是在无法将网子放入海中捕捞所有生物的情况下的一种变通方法——这个问题相当根本。
“验证其中一些情景非常困难，”Hajibabaei 说。“这基本上就是事物的本质。”
eDNA 打开了很多可能性，回答了 Barkay（以及毫无疑问的许多其他人）最初提出的问题：“那里有什么？”但它越来越多地提供了关于“他们在那里做什么？”这个问题的线索。多伦多约克大学生物学教授 Elizabeth Clare 研究生物多样性。她说，她观察到蝙蝠白天栖息在一个地方，但是，通过收集空气中的 eDNA，她还可以推断出蝙蝠晚上在哪里社交。在另一项研究中，家犬的 eDNA 出现在赤狐的粪便中。这两种犬科动物似乎没有杂交，但研究人员确实想知道它们之间的亲近关系是否导致了混淆或交叉污染，最终才决定了另一种解释：狐狸显然吃了狗的粪便。
因此，虽然 eDNA 本身并不揭示动物行为，但据一些说法，该领域正在努力提供线索，以说明生物可能在做什么，以及它在给定环境中如何与其他物种互动——在不直接观察行为的情况下获得有关健康的信息。
再举一个可能性：大规模生物监测。事实上，在过去三年里，有比以往更多的人参与了一项大胆的实验，该实验已经启动并运行：从公共下水道收集环境样本，以追踪引起人类感染的病毒性 Covid-19 颗粒和其他生物。从技术上讲，废水采样涉及一种称为 eRNA 的相关方法，因为一些病毒只有 RNA 而不是 DNA 的形式存储遗传信息。尽管如此，原则是相同的。（研究还表明，RNA，它决定了生物体表达哪些蛋白质，可以用于评估生态系统健康；健康的生物体可能表达与受压的生物体完全不同的蛋白质。）除了监测疾病的流行，废水监测还展示了如何将一个现有的、旨在做一件事的基础设施——下水道的设计是为了收集废物——改造成一种研究其他事物的强大工具，例如检测病原体。
Clare 有一种这样做的方式。“我个人就是那些倾向于使用工具——而不是按预期方式使用它们——的人，”她说。Clare 是研究人员之一，他们注意到研究中存在一个空白：对陆地生物进行的 eDNA 工作要少得多。所以，她开始使用一种天然过滤器，即从哺乳动物身上吸血的蠕虫。“收集 1000 条水蛭比找到动物容易得多。但是它们体内有血液餐，血液携带它们接触过的动物的 DNA，”她说。“这就像有了一群田间助手为你进行调查。”然后，她的一位学生也为蜣螂想到了同样的事情，蜣螂更容易收集。
Clare 目前正在为另一个连续监测系统推广一项新应用——利用现有的空气质量监测器，这些监测器测量污染物，如细颗粒物，同时还能从空中抽取 eDNA。在 2023 年底，她只有一个小样本集，但已经发现，作为常规空气质量监测的副产品，这些预先存在的工具可以兼作她想要的材料的过滤器。这基本上是一个受监管的、跨大陆的网络，在很长一段时间内以非常一致的方式收集样本。“然后你可以利用它来建立整个大陆的时间序列和高分辨率数据，”她说。
Clare 说，仅在英国，据估计就有 150 个不同的地点每周、全年吸取已知量的空气，相当于每年约 8000 次测量。Clare 和她的合著者最近分析了这些样本中的一小部分——来自两个地点的 17 次测量——并能够识别出 180 多种不同的分类群，80 多种不同的植物和真菌，26 种不同的哺乳动物，34 种不同的鸟类，以及至少 35 种昆虫。
当然，也存在其他长期生态研究地点。美国有一个这样的设施网络。但它们的研究范围不包括持续测量生物多样性的全球分布基础设施——包括迁徙鸟类的头顶飞过，以及物种随着气候变化而扩张和收缩。可以说，eDNA 可能会补充，而不是取代，由在 eBird 或 iNaturalist 等网站上记录实时、高分辨率、时空观察的人组成的分布式网络。就像一个模糊的全新星系图像正在出现一样，当前的解析度仍然很低。
“这是一种通用的收集系统，这在生物多样性科学中几乎是前所未闻的，”Clare 说。她指的是从空气中提取 eDNA 的能力，但这种说法也适用于整个方法：“它不完美，”她说，“但确实没有其他任何东西能做到这一点。”
