本文最初发布于 Undark。
在一个阳光明媚的秋日早晨，生物学家 Andy Hubbard 在国家公园古老的花岗岩露头旁的小水池边建立了一个临时实验室。在仙人掌森林的寂静中，他和他的团队用微小的袋子装满浑浊的水，并通过微小的过滤器细致地过滤。
这些过滤器稍后将被送到实验室，以检测动物在水中脱落的遗传物质。通过收集环境 DNA（eDNA），Hubbard 和国家公园管理局（National Park Service）团队的另外三名成员希望检测出本地生物和具有毁灭性影响的入侵牛蛙的迹象。
Hubbard，亚利桑那州图森国家公园管理局索诺兰沙漠网络项目经理说：“这项技术最终将是至关重要的，因为它是一种更有效的方法来检测入侵物种和稀有物种。”
世界各地像 Hubbard 这样的科学家越来越多地转向 eDNA，通过水中、土壤和空气中脱落的皮肤、鳞片和粘液的细小碎片来检测物种。在保护研究领域，这项新兴技术为监测濒危物种、追踪入侵物种和抽样一般生物多样性开辟了新的前沿。它也更便宜。虽然该领域在准确性和精确性方面仍面临局限性，但科学家们表示，eDNA 正在迅速成为野生动物保护工作的游戏规则改变者。
美国地质调查局（U.S. Geological Survey）蒙大拿州博兹曼北部落基山科学中心（Northern Rocky Mountain Science Center）的研究科学家 Adam Sepulveda 表示：“随着我们越来越重视理解生物多样性以及更重要的是生物多样性丧失，环境 DNA 变得越来越重要。”
在这个快速发展的领域，技术创新一直是 eDNA 方法学进步的关键，尤其是在科学家试图克服现场限制的时候：一些研究人员继续使用传统的工具，如目视调查、陷阱和网，而另一些科学家则寄希望于便携式机器人来收集更频繁的样本，或先进的实验室分析方法来统计生物多样性。与此同时，Sepulveda 和其他科学家表示，应该有一个国家战略来应用 eDNA，他们认为这将避免各机构之间的指导方针不一致，并使 eDNA 分析更有效。
Sepulveda 表示，科学界现在认识到 eDNA 是一个有用的视角，通过它可以了解到许多关于使用传统工具难以识别的物种的信息：“eDNA 让我们能够了解这些更难找到的物种可能发生的情况。”
环境 DNA 的探索始于 20 世纪 80 年代，当时研究人员研究微生物或微观生物，如细菌、真菌和藻类。但直到 21 世纪初，随着方法和技术的不断发展，以及越来越多的科学家开始采用这种方法，eDNA 的使用才开始获得动力。2008 年，一项关于从法国湿地采集的样本进行 eDNA 检测的研究发表，该研究检测到了入侵的美洲牛蛙，此后对水生生态系统的研究爆炸式增长。研究。
早期检测和管理入侵物种的领域是 eDNA 尤其有前景的一个领域。研究人员现在不必进行耗时、通常困难且侵入性的调查，而是可以依靠微量的 eDNA 来在物种对生态系统造成严重损害之前就确定其存在，并且还能检测到肉眼无法看到的微小生物。
Sepulveda 在一封电子邮件中写道，这项技术对于追踪入侵物种来说是一个非常有用的工具，因为它具有高灵敏度。“它可以检测到入侵初期仅几只个体的 DNA 证据。”
时间至关重要，因为一旦入侵物种在新的环境中扩散并扎根，它们就会对本地动物及其栖息地构成重大威胁。它们还会对基础设施造成严重破坏。例如，20 世纪 80 年代在五大湖中发现的渺小的斑马贻贝，一种双壳类动物，会堵塞发电厂和自来水的进水口，并损坏船只和设备。据信，斑马贻贝最初是通过欧洲船只排放的压舱水抵达的，现在它们生活在美国密西西比河流域、五大湖以及全国许多其他水体中。
“这项技术最终将是至关重要的，因为它是一种更有效的方法来检测入侵物种和稀有物种。”
根据 2021 年在线发表的一项研究，美国管理入侵物种的年度成本从 20 世纪 60 年代的每年 20 亿美元飙升至 2010 年以来的每年 210 亿美元。全球范围内，近 50 年来与入侵物种相关的经济成本估计约为 1.3 万亿美元。
在亚利桑那州南部，美洲牛蛙（原产于美国东部和加拿大）是一个主要的问题来源。这些贪婪的生物会吞噬它们路径上的一切，摧毁像联邦濒危的奇里卡瓦豹蛙这样的本地物种。
这些两栖动物不仅与较小的本地蛙类争夺食物和空间，而且它们还会传播如壶菌和蛙病毒等致病病原体，这些病原体反过来也会导致本地种群数量下降。Hubbard 说：“美洲牛蛙可能是美国西南部最重要、最具影响力的非本地入侵动物。”
为了追踪它们的传播，Hubbard 和他的泉水监测小组在亚利桑那州和相邻的新墨西哥州的几个国家公园收集了 eDNA。
在去年秋天的 eDNA 收集活动中，Hubbard 的团队花了整整一个上午在图森的萨瓜罗国家公园（Saguaro National Park），从水池中捞出并过滤了 1000 毫升（约四杯）的水。比硬币大小的过滤器可以捕获水样中游离的细胞和 DNA，因此团队成员小心地用镊子将它们折叠成小三角形，放入消毒过的试管中。Hubbard 预计将在年初收到 DNA 分析的实验室结果。
与其他研究人员一样，Hubbard 也曾面临 eDNA 的一些局限性。例如，DNA 在水中会很快降解，尤其是在温暖的天气里。他说：“随着水温升高，剩余的 DNA 开始分解。”
而且 eDNA 无法揭示物种丰度，例如数量正在下降的本地蛙类。萨瓜罗国家公园的一个名为“石窟”（The Grotto）的泉水“根据我的结果有低地豹蛙，但我无法告诉你数量是多少，也无法告诉你这个数量是否随时间变化，”他说。该技术只能告诉我们某种 eDNA 是否存在。
他还了解到，eDNA 可能不适合检测某些物种，例如那些脱落遗传物质稀少的物种。这包括受威胁的北部墨西哥袜带蛇，它以前在湿地区域被目视调查记录过，但 eDNA 尚未发现。
Hubbard 说：“我们正在努力优化我们对多种物种的采样。“而且总是有权衡取舍。当你这样做时，会有不同的方法，根据物种的栖息地或行为，它们在检测物种方面会取得不同程度的成功。所以，这可能不是检测北部墨西哥袜带蛇的最佳方法。”
“随着我们越来越重视理解生物多样性以及更重要的是生物多样性丧失，环境 DNA 变得越来越重要。”
Hubbard 说，假阴性（eDNA 可能错过环境中存在的物种）或假阳性（技术可能检测到不存在的物种）的可能性也可能带来挑战。尽管如此，就袜带蛇而言，他说，通过加强水样采集并结合传统的追踪方法，例如在湿地栖息地放置木板供蛇隐藏，可以克服潜在的错误。这使得研究人员能够引诱蛇进入他们可以在调查期间轻松进入的区域。
Hubbard 认为 eDNA 公园项目最有价值的地方在于监测蛙类种群，为本地物种制定保护措施，包括根除检测到的入侵牛蛙。“这是我们目前最高优先级的关注点，”他说。
该技术的另一个局限性与采样有关：虽然 Hubbard 的团队花了几个小时过滤水，但他们无法待一整天或过夜。USGS 研究科学家 Sepulveda 表示，大约行李箱大小的机器人可以提供帮助。
在北部落基山科学中心，他和他的同事们正在研究如何最好地结合 eDNA 和机器人技术，以解决淡水体中斑马贻贝、欧洲原产的孔雀石贻贝和其他水生入侵物种肆虐的问题。通过使用机器人收集更多 eDNA 样本，研究人员将不得不承担这项任务的人数会减少。
Sepulveda 的工作主要集中在入侵物种以及支持全国各地的自然资源管理者应对这些物种，包括哥伦比亚河流域的管理者。“这是——或者直到几个月前还是——美国本土最后一个尚未被斑马贻贝或孔雀石贻贝侵扰的主要水域盆地，”他说。
9 月，爱达荷州的斯内克河（Snake River）发现了孔雀石贻贝，这是哥伦比亚河最大的支流。哥伦比亚河流经七个州和一个加拿大省。自然资源机构在用化学处理杀死数千条鱼的同时，迅速采取行动控制这些入侵物种，此后一直在监测该地区。Sepulveda 说，试图控制贻贝的侵扰是一场艰苦的战斗。雌性斑马贻贝和孔雀石贻贝每年可以产下多达 100 万个卵。除了破坏本地水生生物外，贻贝还会附着在船体等坚硬表面上，将它们带到很远的地方。
研究人员已经测试了可以收集 eDNA 水样的机器人，以降低监测入侵物种的成本，并克服该技术的一些缺点——例如已知在野外游荡的北部墨西哥袜带蛇的假阴性结果。
这些机器人也称为自主采样器，旨在过滤和保存 eDNA，不仅包括入侵物种，还包括任何留下遗传痕迹的水生和半水生生物。Sepulveda 领导了一个名为READI-Net的项目——代表“快速环境 DNA 评估和部署倡议与网络”——该项目旨在开发一个更精简版本的机器人，这是加利福尼亚州莫斯兰丁的蒙特雷湾水族馆研究所（Monterey Bay Aquarium Research Institute）几年前为海洋探索而建造的。
Sepulveda 说，当这些机器人准备好在淡水中使用时，它们将安装在岸边、固定的浮码头或船上。“它们不是为了潜入水中，”他指的是机器人。“它们有管子伸入水中将水吸入，但实际的机器人部件都在陆地上。”
与人类不同，淡水机器人能够更频繁地收集样本，无论白天还是黑夜，这增加了物种检测的可能性。Sepulveda 说，收集 eDNA 可能是一个挑战，因为湖泊、河流和海洋中形成的洋流会将其带离丢弃它的生物。而且鉴于其持续的衰减，时间越长，捕捉到的难度就越大。
他说：“如果你采集了一铲水，尤其是当某个东西非常稀有时，你可能会早了 10 分钟或晚了 10 分钟——或者早了一天，或者晚了一天。”“因此，我们可以提高我们检测新入侵者的能力的一种方式，就像我们提高检测 Covid 病毒的能力一样，就是收集更多的样本。”
他说，这些机器人一次最多可以收集 144 个样本，然后才需要科学家或技术人员收集它们进行分析。“它可以放置数周到数月来收集样本。”
“如果你采集了一铲水，尤其是当某个东西非常稀有时，你可能会早了 10 分钟或晚了 10 分钟——或者早了一天，或者晚了一天。”
蒙特雷湾水族馆研究所 SURF 中心（传感器：未来水下研究）主任 Jim Birch 将这些机器人比作环境样本处理器（environmental sample processor）的精简版，后者是一种较早的水下机器人，最初用于研究可能杀死动物的有害藻华（也称为赤潮）。
Birch 说，随着 eDNA 技术越来越受欢迎，研究所的两位博士后研究员测试了该机器人是否能够成功地从水族馆收集 eDNA 样本。实验成功了。过滤后的水样不仅检测到了鱼类的 DNA 痕迹，还检测到了鱼类吞食的火鸡和鸡肉饲料的遗传片段。
Birch 说，经过一些现场测试，该机器人现在正在重新设计以优化在淡水中的使用：“它将对入侵物种产生重大影响，但其用途更广泛。”
Sepulveda 说，原型机的现场部署才刚刚开始。“我们希望到 2025 年能够有 10 台准备就绪，并能够提供给我们的合作伙伴，”他说。
他说，机器人 eDNA 收集技术对于人力有限的项目将尤其有用。“如果我们能在入侵过程的早期阶段就检测到这些入侵物种并确定它们的种类和位置，那么我们就有可能限制该入侵的经济和生态成本。”
eDNA 的收集只是试图从生物在不同栖息地活动时留下的自身碎片中识别物种的第一步。生物脱落的死皮、唾液、粪便和其他细胞材料必须随后在实验室中使用分子方法进行分析。
华盛顿州立大学环境学院（Washington State University’s School of the Environment）副教授 Caren Goldberg 从亚利桑那州南部提取了 Hubbard 发送的过滤器中捕获的 DNA。“我们一次处理一个物种，有时还需要对样本进行一些额外的清理，然后处理所有数据，并仔细检查以确保一切正常，然后才将其发回，”她说。
Goldberg 说，环境技术是寻找像青蛙这样难以捉摸的物种的宝贵工具。她知道这些生物有多么难以捉摸，因为她曾作为亚利桑那大学的一名学生，在追逐吠蛙（barking frogs）的过程中完成了她的硕士论文，并调查了在浑浊、通常很深的水坑中难以看到的奇里卡瓦豹蛙。
“如果我们能在入侵过程的早期阶段就检测到这些入侵物种并确定它们的种类和位置，那么我们就有可能限制该入侵的经济和生态成本。”
她解释了为什么她认为整个领域如此令人兴奋：“因为我在亚利桑那州花了大量时间在这些池塘边，却找不到青蛙。”
Goldberg 现在与联邦和州各级机构合作，在其保护项目中利用 eDNA 技术。对于亚利桑那州南部的项目，她寻找当地豹蛙和大型牛蛙的遗传迹象，后者会吞食小型本地两栖动物，导致它们的数量下降。联邦政府认为，奇里卡瓦豹蛙（现在在其不断缩小的栖息地发出类似鼾声的求偶叫声）是一种受威胁物种。
在 Hubbard 以前的样本中，Goldberg 检测到了入侵的牛蛙。她还检测了猫科动物（jaguar）的存在，它们曾被红外相机拍到在边境地区活动。样本来自 Hubbard 希望一只隐秘、口渴的猫可能留下唾液的水池，但没有发现 DNA 痕迹。
由于 Goldberg 一次只检测一个物种，她使用一种称为定量聚合酶链式反应（qPCR）的实验室技术。这是一种与检测 Covid-19 感染类似的分析技术。虽然这种方法广泛用于单一物种检测，但它不适合从混合样本中检测多个物种。取而代之的是，科学家们越来越多地使用 eDNA 元条形码（eDNA metabarcoding），这是一种相对较新的方法，可以检测大量 DNA 序列。
德国亥姆霍兹一对健康研究所（Helmholtz Institute for One Health）的进化群落生态学家 Jan Gogarten 表示，eDNA 元条形码和下一代测序的出现是一项突破。“我们可以对单个样本中的多样性进行测序，这为我们提供了研究动物在环境中脱落的各种 eDNA 的机会，”他说。“你现在不必拥有纯样本，比如动物的活检。”
一次对乌干达基巴莱国家公园（Kibale National Park）的访问，让 Gogarten 和他的一些同事有机会在一个 eDNA 项目上工作，并取得了一些令人惊喜的结果。Gogarten 与同事 Christina Lynggaard 和其他同事一起，用低垂的植物叶片擦拭公园的热带森林，以了解空气中的 eDNA 是否已经沉降在上面。实验室分析后来检测到数十种物种——包括非洲象（African elephant）等哺乳动物和灰冠鹤（grey crowned crane）等鸟类。
Gogarten，同时也是格赖夫斯瓦尔德大学（University of Greifswald）应用动物学和自然保护系的成员，说：“仅仅通过一次拭子检测到的多样性之多，真是让我们大吃一惊。”
最令人意外的检测是鱼类。“我们检测到了一种鲶鱼属，它们生活在那里的河流里，所以它们就在附近，但你不会想到它们会排泄或接触到叶子，”他说。
Gogarten 和他的同事们感到困惑。“鲶鱼之所以独特，是因为它们可以离开水，有时它们确实会登陆，”他说。“但我们最好的猜测是，它们可能被某种鸟类吃掉了，然后那只鸟在树上，并在叶子上排泄了。”
Gogarten 在一封给 Undark 的电子邮件中写道，随着该领域的扩展，实验室高污染的风险仍然是研究人员面临的挑战，他认为这是 eDNA 分析所使用的敏感方法所致。其他“可能在实验室空间中漂浮的分子，来自之前的实验，都会有问题——就像小剂量的动物 DNA，如果提取区域被用于提取组织一样，也会有问题。”
他说，为了降低风险，研究人员可以设置实验室对照，并为 eDNA 分析分开工作空间。“做 eDNA 时必须非常小心，该领域正在努力创建这些规范或指南，如果你想做 eDNA，你就必须遵循步骤来避免污染，”Gogarten 说。“如果我们开始进行糟糕、粗劣的实验室工作并发表它，如果我们弄浑了水，那么我们就会削弱对结果的信心。”
尽管 eDNA 实验室方法很有前景，但它们也有局限性。例如，每种生物都有一个与之相关的序列或条形码；科学家通过将条形码与 DNA 参考库中存档的条形码进行比较来识别样本。但是，如果一个物种不在数据库中，那么 eDNA 就无法识别它。
然而，这项技术对于评估生物多样性（即统计特定区域中物种的多样性）来说是一个巨大的推动。“现在我们可以开始考虑一些项目，比如你可以沿着基巴莱国家公园的边缘研究生物多样性，并收集数万个拭子，对这些公园边缘的生物多样性进行高分辨率的绘制，”他说。
Gogarten 说，eDNA 可以帮助确定生物多样性的分布，并有助于制定有效的、大规模的管理策略来保护它。“这是一个激动人心的时刻，因为这项技术变得越来越普遍。”
到目前为止，大部分 eDNA 研究集中在识别河流、海洋、湖泊和泉水池（如亚利桑那州南部的国家公园）中的物种。Hubbard 说，收集 eDNA 样本的相对简便性和低成本意味着这项技术将长期存在。他和他的团队于 2022 年春季开始收集 eDNA，并在未来一年继续这样做。
他预计该技术将不断改进，为自然资源管理者提供决策信息。事实上，一些公司正在开发便携式实验室单元，用于在现场进行实时检测。他说，这些设备可能还需要几年才能准备好部署，并且可能始终需要一些实验室工作，但这是这项技术令人兴奋的发展之一。
“仅仅通过一次拭子检测到的多样性之多，真是让我们大吃一惊。”
目前，他和他的团队将使用 eDNA 的结果来制定前进的最佳计划。“我们的最终目标是让这些湿地恢复健康，并再次支持本地物种，”他说。“所以我们正在试图暂停一下，获得更大的图景，并利用我们拥有的数据来指导它。”
Sepulveda 预计，他目前正在与拜登政府合作制定的国家战略，除了其他可能的成果外，还可以改进自然资源管理中的 eDNA 应用和数据管理工具。该战略定于 2024 年 6 月公布。
他说：“这项 eDNA 战略希望创建一个框架，或者至少是一份路线图，说明如何更加协调、如何更有效，以及如何将 eDNA 科学应用到未来 10 到 20 年，如何继续改进它。”
与此同时，这项技术在全球保护领域不断获得立足点。在南非，科学家们通过追踪沙中的 eDNA，重新发现了自 1937 年以来未曾见过的金色鼹鼠。在巴西，eDNA 帮助科学家们重新发现了他们认为自 1968 年未曾见过、已灭绝的青蛙。在地中海，科学家们收集了濒危且难以捕捉的天使鲨脱落的遗传物质。
美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration）的海洋分子微生物学家 Kelly Goodwin 表示，但广阔的海洋仍然很大程度上未被探索，eDNA 是解开未知的重要工具。她说，这项技术正在增强该机构为科学家探索和保护海洋生命提供的众多工具。
她说：“海洋中的微生物数量与天上的星星一样多。”“关于我们这个星球上的生物学，有很多我们不知道的东西，包括不可见的绝大多数，也就是微生物地球。”
Goodwin 表示，eDNA 技术的发展将有助于回答有关深海中看不见的生物的问题，并能告知整个生态系统中（稀有、濒危或入侵）的物种组成。
她说：“这个星球上有很多我们知之甚少的生命。“而我们唯一能够观察它的视角就是通过它们的 DNA。”
