文|创瞰巴黎

导读

如何尽可能减少对野生动物生活的干扰，同时密切关注它们种群的变化。环境DNA（eDNA）分析的发展，有望解决这一难题。环境DNA分析，是一种不对目标物种造成危害的生物种群监测工具。对于加深人类对生物多样性的理解至关重要。

一览：

• 环境DNA分析，是一种不对目标物种造成危害的生物种群监测工具。
• 环境DNA分析的原理是将样本与基因条形码库比对，辨别出环境中存在的某个物种或某类物种。
• 环境DNA分析现有四大应用：生物多样性研究、物种跟踪检测、种群规模估算、食性研究。
• 但环境DNA能揭示的信息有限，不如直接观测得到的信息多，且环境中的DNA容易扩散到别处或者被破坏、降解。
• 改良环境DNA分析手段，对于加深人类对生物多样性的理解至关重要。

地球的生物多样性面临着重大危机 [1]。作为人类，我们既要密切关注野生动物种群的变化，又要尽可能减少对它们生活的干扰——二者看似矛盾，如何兼顾？所幸，随着环境DNA（eDNA）分析的发展，这一难题有望得到解决。

01 利用环境中的“蛛丝马迹”监测物种

自上世纪八十年代起，科学家便开始利用新型测序技术和计算机技术，分析环境样本中的基因组，以辨别肉眼不可见的微生物。宏基因组学（直接研究样本中所有微生物基因组集合的学科）应运而生。

环境DNA不仅来自无处不在的微生物。所有生物不论大小，都会留下“蛛丝马迹”——黏液、死皮、毛发、尸骨、粪便等。这些物质所含的DNA信息可用于物种鉴定。2008年，法国国家科学研究中心高山生态学实验室验证了这一理论：学者们分析了多个水塘中的DNA物质，判断出了牛蛙活动的痕迹[2]。

这意味着环境DNA分析可作为监测大型生物种群的有效工具，在沉积物、海床、甚至空气中已得到成功应用。甚至有科学家发现，提取动物园的空气，分析其中的DNA物质，能推断出动物园内外的数十种物种，这一结果发表于2022年初的两篇学术论文中[3, 4]。环境DNA分析潜力无穷，但也存在一些缺陷。首先，让我们来了解其原理。

图片来源：新西兰汉密尔顿动物园空气eDNA分析结果

注：每种颜色对应一类物种（黄色为肉类饲料来源物种），圆圈大小代表检测结果推算出的种群规模。

02 解密环境DNA

分析环境样本中的DNA有三种方式。一是全局宏基因组测序：对样本中所有DNA物质进行测序，然后试图辨别已知物种的基因组。全局宏基因组测序适用于微生物研究，因为环境样本中的微生物DNA一般都相对完整，且含量较高。相比之下，大型生物的DNA在环境样本中含量低，支离破碎，片段长度只有几十至几千碱基对，不适合做全局宏基因组测序。

这时，就轮到条形码技术登场了。基因条形码，指可作为物种标记的基因片段。学者一般会选择较短的片段作为条形码，便于与环境中天然存在的破碎DNA匹配。样本里与已知条形码匹配的片段通过PCR扩增，便可进一步研究分析。条形码的定义可精准（指向一个物种）、可粗略（指向亲缘关系较近的多个物种）；可监测具体物种，亦可统计一个区域的物种组成，前者称为条形码技术，后者称为宏条形码技术（一种具有针对性的宏基因组学手段）。

条码匹配鉴定，需使用已知物种的条形码数据库。不同细分领域的数据库有大有小，由此便引出环境DNA分析的一个局限性：有效的分析必须基于内容丰富的数据库。不过，随着学界收集的数据越来越多，这一障碍未来有望逐渐化解。

03 环境DNA分析的优劣势

环境DNA分析现有四大应用：生物多样性研究（对一个区域的物种进行类别统计、长期监测、生理机能分析等[5]）、物种跟踪检测（针对濒危物种、入侵物种、环境健康指示物种 [6]）、种群规模估算、食性研究（通过分析粪便中的DNA [7]）。

在海底沉积物中、极寒条件下，环境DNA可以保存成千上万年，蕴含古生物的奥秘。在阿拉斯加的布里斯托湾，研究者从环境中提取单细胞生物DNA，可追溯到1400年前，还能从其变迁看出二战和现代农业对环境的影响[8]。2022年12月初，研究者利用从格林兰永冻层采集的eDNA样本，重塑了200万年前的古生态系统，一举打破了记录[9]。

研究现代生物，环境DNA分析同样能派上大用场。环境DNA采集步骤十分简单，对环境不造成任何侵扰，无需复杂设备或培训，可用于难以直接观测种群的地区，可与现有科考项目轻易结合，且采集步骤与后续分析相对独立。低廉的成本、灵活的操作模式让大范围、长时间监测成为可能。大量样本统一分析，会形成“规模经济效应”，有利于分析工作的开展。

“在海底沉积物中、极寒条件下，环境DNA可以保存成千上万年，蕴含古生物的奥秘。”

但环境DNA分析也有其局限性。首先，在一个地方发现某物种的DNA，未必能证明该物种生活在该处。这一道理很简单，也很“致命”。再者，目标物种的健康状况、体积、发育阶段只能通过直接观测得知，无法通过环境DNA得出。DNA很容易在环境中迁移。河流生物的DNA，在其实际栖息地数公里开外仍能测出，所以环境DNA不能用来对种群精确定位。

不同物种在环境中留下的DNA量有多有少。若包裹DNA的细胞结构不够坚固，或者环境恶劣（pH、温度极高极低），DNA很容易快速分解。环境中检测不出DNA，不能说明不存在相应的物种。即使检出DNA，也有可能来自污染源：样本采集者、设备、环境都会污染样本。举个例子：有些沿海地区的餐厅、市场能检测出异地鱼类的DNA [10]。

图片来源：Paul Castagné、Garance Castino所著文章 [11]

注：环境DNA分析流程图，绿框为具体步骤，红框为每个步骤的局限性。

检测的结果偏差，还来源于分子生物学研究手段和数字工具本身。一方面，现有的基因数据库尚不完整。另一方面，并非所有DNA片段都能有效地通过PCR扩增。若条形码选择不当或条形码辨别有误，则会出现假阳性、假阴性结果。项目样本量大的情况下，逐个验证结果有困难，何况采样过程、基因测序都会出现偏差，故环境DNA分析作为量化工具的适用性有限。每项环境DNA研究，都必须对结果进行仔细的核验，并与实地观察统计出的种群规模进行比对。

上述挑战是环境DNA学者的重点攻克对象。现已有数个颇具潜力的研究团队正在通过操作标准化、数据库扩充、条形码改良等方式降低环境DNA分析的不准确性[12]。

纽约城市大学博士生、鱼类种群环境DNA研究者Sam Chew Chin将环境DNA分析工具称作“基因鼻”——“嗅探”生态圈的新型手段。虽然不尽完美，但其解锁的种种可能性与其他工具相结合，能加深人类对生物多样性的了解。

参考资料

1.https://report.ipcc.ch/ar6wg2/pdf/IPCC_AR6_WGII_FactSheet_ Biodiversity.pdf

2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2610135/

3.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221 016900

4.https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01650 X

5.Un exemple: https://www.ajspi.com/communiques-club/climat-le-role-mesestime-de-la-biodiversite-des-abysses-dans-la-pompe-a-carbone-oceanique/

6.Un exemple: https://www6.inrae.fr/synaqua/

7.Etude du régime alimentaire de l’apron du Rh ne https://hal.science/hal-02462400

8.https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00452–8

9.https://www.nature.com/articles/s41586-022–05453 y

10.https://youtu.be/WHcY9d6oq4A?t=2630

11.https://planet-vie.ens.fr/thematiques/ecologie/ l adn-environnemental-un-nouvel-outil-pour-espionner-les-especes-sauvages

12.Exemples d’un projet européen http://dnaqua.net/ about/ et d’un projet canadienhttps://itrackdna.ca/ index.php/buts-objectifs/?lang=f