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(jì)80年代，環(huán)境DNA的概念被首次提出，用于研究陸地動(dòng)物食性或淡水環(huán)境中的微生物組成等。如今科學(xué)家又有了頗具野心的計(jì)劃：用環(huán)境DNA調(diào)查海洋中的生物多樣性。

2018年，首屆海洋環(huán)境DNA會(huì)議在美國(guó)洛克菲勒大學(xué)舉行，會(huì)議指出對(duì)漁業(yè)、瀕危物種進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，應(yīng)該讓海水中的環(huán)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(xì)胞、鱗片等組織，這些都屬于環(huán)境DNA，它們能為準(zhǔn)確識(shí)別物種提供幫助。不止是告訴人們海洋中有哪些動(dòng)物，環(huán)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(cè)到哪些水域可能存在污染。

不過，廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院教授丁少雄告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“這是一項(xiàng)不錯(cuò)的技術(shù)，但目前還存在不少缺陷”。

告別拖網(wǎng)

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

養(yǎng)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(jié)構(gòu)，它們會(huì)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(gè)站點(diǎn)間距大約有2000米，用傳統(tǒng)的拖網(wǎng)調(diào)查不大可行。“在這么小的范圍內(nèi)，不太可能找到明顯的差別。”劉媛說。

通過識(shí)別海水樣本中的環(huán)境DNA，則有可能找到蛛絲馬跡。劉媛與合作者對(duì)采集到的樣本進(jìn)行測(cè)序分析，將獲得的遺傳標(biāo)記與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)的確有一部分魚更青睞有天然結(jié)構(gòu)的海底，而且在樣本采集的3個(gè)月中，魚群種類組成隨時(shí)間推移有明顯變化。

海洋生物多樣性構(gòu)成、魚群遷徙階段……的確，跟拖動(dòng)笨重的漁網(wǎng)相比，舀一杯水會(huì)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(duì)環(huán)境友好的調(diào)研方式。

以識(shí)別海洋中的生物多樣性為例，如果靠傳統(tǒng)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(huán)境DNA，在同一水域中則可以有100多個(gè)物種被檢測(cè)出來。

如果能采集到更多更具持續(xù)性的樣本，將其與傳統(tǒng)調(diào)查方式得出的結(jié)果相對(duì)照、驗(yàn)證有效性，那么假以時(shí)日，環(huán)境DNA技術(shù)則有可能成為垂釣、拖網(wǎng)、潛水等方法之后，一種新的海洋生物多樣性調(diào)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(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面都具有重大意義。”洛克菲勒大學(xué)生物信息和遺傳學(xué)家Mark Stoeckle曾這樣評(píng)價(jià)環(huán)境DNA技術(shù)的應(yīng)用前景。

更給力的測(cè)序技術(shù)

DNA作為遺傳信息存在于生物的每一個(gè)細(xì)胞中。早在1990年前后，就有研究者利用環(huán)境DNA識(shí)別水中的微生物。2003年，環(huán)境DNA首次用于檢測(cè)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(huán)境DNA技術(shù)引入海洋調(diào)查中。

通過一個(gè)細(xì)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(dá)到上千萬個(gè)，而每一個(gè)物種能攜帶的DNA又是獨(dú)一無二的。將從樣品中獲得的遺傳標(biāo)記序列與DNA數(shù)據(jù)庫(kù)中的序列相比對(duì)，就像是在通訊錄里找到相應(yīng)的電話號(hào)碼，從而確認(rèn)分析的DNA來自什么物種。

分析環(huán)境DNA常用的方法包括定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PCR）和基于高通量測(cè)序的宏條形碼技術(shù)。之前，測(cè)定海水中的DNA不僅費(fèi)用昂貴，而且需要的時(shí)間較長(zhǎng)。隨著基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)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(shí)別特定物種的豐富程度時(shí)，環(huán)境DNA的分析結(jié)果可以在樣本采集后的幾天內(nèi)得出，對(duì)某些物種的分析甚至可以在24小時(shí)內(nèi)得出結(jié)果。

斯坦福大學(xué)的海洋生物學(xué)家Barbara Block和其他研究者正在利用環(huán)境DNA追蹤大白鯊在海中的蹤跡。利用納米孔測(cè)序技術(shù)，他們可以在48小時(shí)內(nèi)確定采樣處是否曾有大白鯊出沒。

不過，對(duì)哪個(gè)基因進(jìn)行測(cè)序是一個(gè)不斷作決定的過程。“生物的整個(gè)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(guó)科學(xué)報(bào)》。

比如COI基因作為使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)條形碼基因，有當(dāng)前最豐富的參考序列數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)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(shù)的門檻

丁少雄告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，環(huán)境DNA在今天若要真的發(fā)揮實(shí)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(biāo)生物的DNA，測(cè)序結(jié)果能否從DNA數(shù)據(jù)庫(kù)的序列中找到參照”。

和人掉落在房間里的皮膚細(xì)胞不同，魚類或其他海洋生物掉落的皮膚組織會(huì)受到水流、溫度以及酸堿性等因素的影響，在較短的時(shí)間內(nèi)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(shù)據(jù)庫(kù)沒有全面、高質(zhì)量的序列儲(chǔ)備，即便從海洋中提取出環(huán)境DNA，也只能是“巧婦難為無米之炊”。“有時(shí)我們將檢測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)比，得出的結(jié)果是‘未知’，但答案真的是未知嗎？或許傳統(tǒng)的物種鑒定學(xué)家應(yīng)該和環(huán)境DNA的研究者一起工作，DNA數(shù)據(jù)庫(kù)需要擴(kuò)充。”劉媛表示。

對(duì)于政府部門和項(xiàng)目資助者來說，他們可能更希望看到環(huán)境DNA與傳統(tǒng)的研究方法有何不同，以及對(duì)環(huán)境DNA的利用能否達(dá)到更高效的水準(zhǔn)，比如不只是測(cè)定某一區(qū)域有多少種魚類，還要進(jìn)一步確定這些魚類的生物量。

“但這項(xiàng)工作的影響因素太多了，季節(jié)、水溫、水深、風(fēng)的大小、水流變化等等，都會(huì)對(duì)生物量的估算產(chǎn)生影響。”丁少雄表示。

或許與更多學(xué)科的研究者合作能一步步解決這些問題。劉媛提到一些設(shè)想：“比如環(huán)境DNA的研究者應(yīng)該與研究海洋物理的科學(xué)家合作，弄清海里的水如何流動(dòng)，結(jié)合海水中各種復(fù)雜的化學(xué)和物理過程，建立關(guān)于環(huán)境DNA在水體中存留時(shí)間的準(zhǔn)確模型。”

不論如何，環(huán)境DNA研究受到了越來越多的關(guān)注，丁少雄坦言，近兩年看到的與環(huán)境DNA相關(guān)的項(xiàng)目申請(qǐng)數(shù)量明顯變多。不過，這項(xiàng)技術(shù)能否成為未來的主流，還需要更多的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)去驗(yàn)證。