与泥地上的脚印不同，动物在海洋中留下的痕迹更难检测。这对不希望被追踪的生物来说是好事，但对于想要研究特定生物在哪里以及它们如何在不断变化的水生世界中移动的研究人员来说却不方便。
然而，难并不意味着不可能。事实上，测量环境 DNA（eDNA）的分布——稍后会详细介绍——使科学家能够在没有 摄像头 或通过 水听器 侦听的情况下，识别出哪些动物曾到过某个区域。上周发表在《环境 DNA》杂志上的一项新研究表明，来自蒙特雷湾水族馆研究所和美国国家海洋和大气管理局的海洋科学家团队可以有效地部署一支特种机器人舰队来收集这种证据。
这种自主 eDNA 采集技术可能对研究气候变化对海洋动物行为影响的科学家，以及那些监测濒危和入侵物种的科学家很有用。
所有生物都会通过粘液、排泄物和脱落的死皮细胞留下基因物质的痕迹。一些有机物会像 海洋雪 一样沉降到水柱中。在采集的海水样本中可能存在这些漂浮物质的混合物，这些碎片被称为环境 DNA（或 eDNA）。不同的物种有其独特的基因密码，当对这些样本进行测序时，这些基因片段可以被 用作条形码 来扫描特定动物群体的存在——这个过程也称为 eDNA 元条形码。即使是一片鱼鳞也能提供有价值的基因信息，说明有什么东西经过了该区域。
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被编程用于追踪这些 eDNA 的机器人是一种长航程自主水下航行器，配备了“环境样品处理器”，根据 MBARI 的一份 新闻稿，它就像一个“罐头里的实验室”。当机器人独自穿越无尽的海洋时，它可以吸取和过滤经过的海水，寻找动物、病毒和微生物留下的基因残骸。在该平台上，化学物质会分解样本中悬浮的有机碎屑，释放出蛋白质和 DNA 链。ESP 平台有一个旋转托盘，可以收集、处理和保存多达 60 份海水样品，单次部署即可完成。
“我们可以提取 DNA，并使用类似于法医的技术来获取 DNA 序列并将其输入数据库，”MBARI 的资深研究技术员、该论文的作者 Kobun Truelove 说。“但它不是一个关于嫌疑人的法医数据库，而是一个关于生活在海洋环境中的动物的生物数据库，我们试图将 DNA 序列与之匹配。”
在这项研究中，这些机器人、MBARI 的三艘研究船以及 NOAA 渔业船 Reuben Lasker，在 2017 年和 2018 年于加州北部蒙特雷湾国家海洋保护区海岸进行了三次考察，在相隔约半英里的相似地点、水深和时间收集配对样本。目的是比较机器人采集的样本与船只采集的样本的结果。
没有机器人，船员和科学家将不得不不停地从船边往水里扔瓶子。瓶子会被降低到预设深度，然后打开并立即关闭，以采集水样并带回船上。使用装有 ESP 平台的机器人自动收集和处理 eDNA，可以为海洋生物多样性监测扩大这种方法，并将其覆盖范围扩展到历史上研究不足或乘船前往成本高昂的偏远海洋地区。
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在船只和机器人收集完样本后，它们会在实验室进行处理，使用一种“多样性更广的 PCR”技术，Truelove 说，这项技术 会复制基因 并将其与已知物种的基因进行比较。研究小组使用一种 PCR 来筛选各种细菌物种，然后通过可以筛选无脊椎动物、海洋藻类和脊椎动物（从凤尾鱼到蓝鲸）的 PCR 逐级向上研究食物链。采样广泛的物种和类群，而不是寻找特定生物，可以更全面地了解生态系统当前的样子。测量海洋生物多样性——存在的生物群落和每种生物的数量——可以使科学家们预测不同物种如何应对生态系统的变化，以及这可能如何影响食物网。
总的来说，机器人和船载方法都观察到了所探测到的生物类型的相同大规模模式，除了在少数鱼类和无脊椎动物数量上存在一些差异。造成这种差异的一个原因可能是，即使相隔几米，海洋环境也可能不同。另一个原因可能是每种技术摄入水的方式不同。船载瓶子可以在眨眼之间采集 5 到 10 升水，而机器人则需要一个小时才能采集到一升水。“它可能在这段时间内采集到略微不同的水，”Truelove 说。
除了节省船员和船只的运营成本外，机器人还能做船只无法做到的事情。例如，这些机器人可以在采样水的同时随波逐流。“我们正在研究的下一个课题是，当机器人穿过蒙特雷湾的强洋流时，eDNA 的信号会是什么样子，以及我们是否会在洋流中发现与洋流外不同的物种模式，”Truelove 说。“对于一艘大型船只来说，要有效地在这样的洋流中漂流并持续采样，将非常困难。”
目前，机器人仍然需要在装满 60 个样品后返回实验室进行基因分析，但 Truelove 表示，研究小组正在努力实现整个分子实验室的自动化，并将其小型化，以便能装进这些自主车辆之一。“我们现在正在努力，希望在未来几年内，能够让车辆内部完成从样品采集到 DNA 测序和数据分析的所有工作。”
