四月一個溫暖、陽光明媚的日子，生物學家大衛·達菲和傑西卡·法雷爾準備乘坐小船沿著馬坦薩斯河順流而下，記錄該地區的水生生物。漣漪標誌著河流沿著佛羅裡達州東北海岸緩緩流動。鳥兒從頭頂飛過，有些棲息在河邊的紅樹林上。渾褐色的河水掩蓋了河中大部分生命的跡象。
但隨後一群寬吻海豚出現了。這些光滑的生物逆流遊動，破水呼吸。當船穿過河流和連接的水道時，團隊將遇到更多的鯨類動物。幾隻海豚將一條魚拋向空中，看起來像是在玩食物捉魚的遊戲。其他人則以水下陰影的形式與研究船並肩而過。
海豚並不是這條河的唯一居民。只是有些物種更難發現。
海龜偶爾會將頭伸出水面，眨眼就會錯過。潛水的海牛會在水面上產生漩渦，只有訓練有素的眼睛才能尋找這種漩渦。
但即使是最稀有、最難發現的動物群和植物群也會留下它們存在的分子痕跡。這就是法雷爾和達菲正在尋找的東西：DNA。
所有生物都會不斷脫落皮膚、鱗片、頭髮、尿液、糞便、花粉等留下的DNA片段。多倫多約克大學的分子生態學家伊麗莎白·克萊爾 (Elizabeth Clare) 表示，這種環境 DNA（即 eDNA）「改變了科學家研究生物多樣性和保育的一切」。
傳統上，保育研究和監測需要有人員在場，可能是一個看守猴子的人，或者是一個記錄路過的美洲獅的運動敏感相機，或者是一個收集飛蛾的光陷阱。克萊爾說：“這些都很好地證實了那裡有東西。”但是「如果動物走在你的相機陷阱後面，你就會錯過它。沒有記錄。
這對 eDNA 來說不是問題。 「eDNA 更像是一個腳印，而腳印比動物或植物的存在時間更長，」克萊爾說。 “它的奇妙之處在於它擴大了你的檢測時間窗口......就像你的後腦勺上長了眼睛一樣。”
eDNA 特別適用於，甚至能夠找出那些很少與人類接觸的難以捉摸的物種（序號：10/28/24）。從偏遠地區採集樣本並帶到實驗室進行分析可以幫助研究人員，比如說，或識別被認為已滅絕的物種（序號：3/20/24）。但即使自然資源保護主義者發現了使用 eDNA 的新方法或尋找 eDNA 的新地點，他們也必須克服如何解釋他們發現的遺傳物質的挑戰。
蒙特婁麥基爾大學的演化生物學家和生態學家梅拉尼婭·克里斯泰斯庫 (Melania Cristescu) 表示，處理不確定性是值得的。 “這些[基因監測]工具將使生物多樣性計劃在全球範圍內成為可能，以便我們能夠像監測天氣一樣監測生物多樣性，並保持一致。”
誰在那裡？
法雷爾和達菲都在位於聖奧古斯丁的佛羅裡達大學惠特尼海洋生物科學實驗室工作，他們到達了當天的第一站，海豚溪，馬坦薩斯的一個分支。
法雷爾將一根末端裝有 1 公升塑膠瓶的長金屬桿滑入齊腰高的水中，然後將其裝滿水。她拉出瓶子，戴上手套蓋上蓋子（這是避免污染樣品的預防措施），然後將其放入白色冷卻器中運輸。回到實驗室後，研究小組將過濾掉任何 DNA 進行分析，並搜尋遺傳資料庫以尋找潛在的匹配項來識別該物種。
同時，達菲正在測試一種方法，可以消除攜帶沉重的水瓶的需要。在船的甲板上，他安裝了一個便攜式泵，並將其連接到一根管子上，該管子將水抽過一個小指大小的塑膠過濾器，過濾器用塑膠包裹，浸沒在小溪中。大約五分鐘後，曾經白色的過濾器現在變成淺棕色，並有望裝載 DNA。
用拖網捕魚尋找遺傳物質的想法可以追溯到 1920 世紀 1980 年代中期，當時研究人員使用 DNA 來檢測海洋沉積物中的細菌。然後在 2000 年代初，科學家發現一些沉積物可以保存已滅絕動物的 DNA。在西伯利亞永久凍土深處發現了猛獁象的 DNA，亞利桑那州一個洞穴的沉積物中含有來自古代巨型地懶的遺傳物質。這些發現表明DNA可以保存數千年。
現代生命的跡像也出現了。由哥本哈根大學遺傳學家 Eske Willerslev 領導的西伯利亞研究人員從表層土壤中提取了屬於當今開花植物和苔蘚的 DNA。
克萊爾稱讚威勒斯萊夫激勵自然資源保護主義者利用此類分子痕跡來監測生物多樣性。她說，他對冷凍沉積物的研究“真正開創了這個領域，然後很快就進入了水中。” 2008年，法國研究人員使用 eDNA 偵測入侵的美洲牛蛙（石斑魚）在天然池塘中。然後在 2011 年，另一個團隊指出 eDNA 顯示兩個亞洲鯉魚入侵種在與密西根湖相連的水域裡游泳。
回到海豚溪，不難猜測法雷爾和達菲的樣本中會出現一種動物。 「我們確實獲得了海豚 DNA，」達菲證實。
由於有如此多的海豚遊過，因此一些 eDNA 肯定是最近的。但馬坦薩斯採樣說明了解釋 eDNA 的困難之一。與相機陷阱拍攝的帶時間戳的照片不同，我們很難確切知道動物何時留下了基因名片。
蘇黎世聯邦理工學院的生態學家 Kristy Deiner 表示，研究顯示 eDNA 可以在水體中持續數小時至數週。之後，“你有時會發現它，有時卻找不到。”同一天或幾天內收集的樣本中檢測結果不一致，暗示動物早已消失，或者 DNA 是從其他地方傳到那裡的。
eDNA 在水中停留的時間取決於幾個因素。例如，隨著溫度升高，eDNA 衰減得更快Deiner 及其同事在 2022 年的統合分析中報告說，氣溫高於攝氏 20 度。 DNA 在環境中的存在方式也會影響其持久力。
「我們知道 DNA 存在於細胞核內、細胞內、大型多細胞生物體內，」Deiner 說。 「但是當我們採集水樣本時，我們實際上檢測到了什麼？我們不知道它是來自細胞還是來自細胞器（細胞內的結構）或漂浮在周圍的溶解的 DNA。目前還不清楚 eDNA 的這些不同狀態如何影響該分子是否被檢測到或它如何在水系統中移動。
同樣未知的是水化學如何影響 eDNA 降解，或是流過的水如何影響 eDNA 降解。來自冰川水流湍急的河流的 eDNA 的行為可能與來自緩慢流動的亞馬遜河的 eDNA 的行為不同。 「我們在世界各地還沒有做足夠的研究來了解它是否依賴於環境，或者是否存在可以預測 [eDNA] 行為的通用方程，」Deiner 說。
但 eDNA 在水中的移動可能會帶來好處。例如，河水通常最終流入湖泊，這可能充當“生物多樣性蓄積器”，戴納說。一個湖泊可能是整個流域所有生命的儲存庫。
為了驗證這個想法，今年 5 月初，Deiner 和同事要求全球公民科學家從大約 400 個湖泊中取樣，其中包括非洲和東南亞的湖泊，這些地區在 eDNA 研究中代表性不足。透過分析數百個樣本，研究小組希望捕捉到連接水域中棲息的生物體以及生活在周邊地區的陸地物種。
Deiner 說，如果沒有 eDNA，就不可能對生物多樣性進行如此大規模的分析。 “它只是讓你思考得越來越大。”
你去哪裡了？
日出前的一刻，佛羅裡達的天空著火了。當海浪拍打沙灘時，紅色、橙色和黃色混合成淺藍色。這麼早就出門的人很少，但兩輛多功能任務車的持續轟鳴聲打破了平靜。
這是海龜巡邏季節的第二天，志工們聚集在聖奧古斯丁北部的海灘米克勒登陸，尋找海龜巢穴。在這個寒冷的四月早晨，一項任務是從巢中收集沙子，以收集海龜留下的 DNA。
不幸的是，現在是季節初期，沒有鳥巢。但志工盧卡斯·梅爾斯解釋瞭如果巢穴存在的話採樣過程。他會跪下來，從背包裡拿出一個衛生紙管大小的管子，然後舀起一匙又短又精緻的沙子。米爾斯說，如果存在海龜足跡，他還會從海龜的鰭狀肢接觸沙子的地方以及海龜的身體刮過海灘的地方（可能還留下產卵時留下的分泌物）採集樣本。米爾斯將在遠離足跡的地方收集對照樣本，該樣本的海龜 DNA 檢測結果應呈現陰性。
與馬坦薩斯河樣本一樣，從沙子中提取的 eDNA 可以幫助 Duffy、Farrell 及其同事識別存在哪些海龜物種，例如綠海龜（海龜), 赤裸裸的人 (莧菜）或棱皮龜（皮皮龜）。該團隊還檢查了是否存在感染全球海龜的致癌病毒，為了解海龜的健康狀況提供了一個窗口。
達菲說，遺傳分析還可以超越哪些物種存在的範圍，並揭示動物的去向。
透過識別族群的遺傳指紋並在 eDNA 中尋找該特徵，研究人員或許能夠透過在多個地方收集樣本來確定動物群的遷移地點。作為概念證明，紅龜 DNADuffy、Farrell 及其同事於 2022 年在《2022 年報告》中報告稱，在 Mickler's Landing 和佛羅裡達州其他海灘發現的海龜屬於已知在美國東南部築巢的動物。分子生態學資源。使用 DNA 追蹤旅行路徑可能有助於決定要保護哪些棲息地。
達菲說：“如果你試圖僅通過保護[一個物種]一生中所需的棲息地的一部分來保護它們，那麼成功的可能性有限。” “如果你能開始了解這些動物來自哪裡，那麼你就能更好地了解它們的範圍以及需要保護的動物。”
挑出族群中單一個體的遺傳訊號甚至是可能的，使研究人員能夠放棄標記瀕危物種。在 2023 年的一項研究中電子生活，例如，科學家可以辨別出經過深入研究的一些成員鴞鸚鵡族群在新西蘭，土壤樣本中留下了 DNA 的痕跡。但目前很難從 eDNA 中解析出特定個體，除非他們的遺傳物質在樣本中占主導地位，從而為研究人員提供更多材料來進行匹配。大多數樣本都是由許多個體組成的。
但人類的例子進一步證明了追蹤個人的可能性。達菲和同事無意中在環境中收集了人類 DNA 片段，這些片段足夠完整，可以揭示遺傳血統，甚至疾病易感性。透過針對性的分析，收集到的材料足以識別人員身份，該團隊於 2023 年在自然生態與演化。
雖然這種可能性引發了對隱私的倫理擔憂，但自然資源保護主義者通常會採取積極措施，避免分析現場樣本中的人類 DNA，轉而分析其他物種。
儘管如此，“如果你將來將[人類的發現]轉化為其他物種，”達菲說，“就你可以獲得的信息量而言，這可能會改變遊戲規則。”
空氣中有什麼？
就像無數漂浮在水中或沉降在沙子中的 DNA 塊一樣，研究人員發現，只要手中有真空，它們就可以從一個新領域：空氣中吸取 eDNA。
陣風捲起樹木花粉和真菌孢子，就像人們被捲入人群一樣。動物的毛皮和皮膚細胞可能會沾上灰塵。這個巨大的 DNA 寶庫就在我們周圍，就像水包圍著水生生物一樣。分析空氣中的 eDNA 面臨著許多與水和土壤樣本相同的解釋挑戰，目前，世界上只有少數實驗室，包括約克大學的克萊爾實驗室，正在收集空氣中的 eDNA 來調查生命的全部範圍。
過去，研究人員專注於從微生物、孢子和花粉——空氣中明顯的目標——中提取 DNA。在動物方面，克萊爾發現的很少，包括兩名日本高中生的報告從空氣中採集到椋鳥和貓頭鷹的 DNA對於一個科學項目（SNE：2019 年 5 月 16 日）。
然後在 2022 年，克萊爾的團隊和另一個小組獨立報告了在動物園憑空提取動物 DNA 的實驗——證實了一絲氣味（序號：1/18/22）。由於這些演示，人們對空中 eDNA 的興趣正在擴大。達菲說，此類 DNA 的豐富性“開闢了測量生物多樣性的全新方法。”
研究 eDNA 和蝙蝠生態學的 Clare 表示，這種豐富的樣本量有助於科學家輕鬆地從同一地區一遍又一遍地收集數百個空氣樣本。 「我一個人，可以坐在那裡觀看一個洞穴。但我可以在 100 個洞穴中放置 100 個（空氣）採樣器，每天晚上進行一周，然後突然了解新熱帶棲息生態。
科學家甚至可以從現有的基礎設施中收集基因樣本。例如，空氣污染監測站可以eDNA 的隱藏倉庫，克萊爾和同事在 2023 年報告現代生物學。世界各地的設施每天或每週收集樣本以密切注意污染情況。一些設施將樣本儲存了幾十年，這意味著這些站可以幫助研究人員比以往更大規模地追蹤生物多樣性。
「現在我們找到了一種適合我們現有監控系統的方法，」克萊爾說。
但從空氣中收集遺傳物質存在不確定性。空氣中的 DNA 是否只檢測到本地物種，還是檢測到數公里外的物種，目前尚不清楚。同樣未知的是訊號持續多長時間，以及樣本中某一物種的 DNA 總體豐度對其自然界中的豐度意味著什麼。
克萊爾說，空氣、土壤或水樣本中 eDNA 的含量大致與該地區植物或動物的數量有關。 “但這樣做可能會出現很多問題，[豐度估計]很難以任何實際方式使用。”
其一，某些生物體可能會比其他生物體釋放更多的 DNA，由於“蓬鬆因素”，毛茸茸的動物可能比有鱗生物的出現率更高。研究人員有時甚至在不知情的情況下影響結果。
在伯利茲研究蝙蝠時，克萊爾和她的團隊從一間教室收集了空氣中的 eDNA，他們將蝙蝠裝在布袋中帶入房間。目的是弄清楚真空 DNA 識別不同蝙蝠物種的效果如何，以及它是否能識別出蝙蝠的數量。克萊爾說，雖然房間空氣中的大部分遺傳物質與存在的每種蝙蝠的數量相匹配，但“也有一些例外。”
有些蝙蝠的數量過多，而有些則數量不足。 「我們花了很長時間才弄清楚原因，」她說。 “顯然，我每次說這句話時都在引用泰勒·斯威夫特的話：問題出在我身上。”
克萊爾必須辨認每隻蝙蝠。有些物種很難分類，而且由於她花時間仔細檢查這些蝙蝠的身體和牙齒，它們向空氣中排放了大量 DNA。另一方面，當有人觸摸袋子時，吸血蝙蝠會發出明顯的聲音，因此克萊爾不需要打開它就知道裡面有什麼。這可能就是為什麼很少吸血蝙蝠 DNA克萊爾的團隊在 2023 年的報告中指出，實驗中出現了環境DNA。
儘管如此，空氣中的 eDNA 仍然提供了類似的機會來監測陸地物種，就像溪流和海洋輸送水生生物的 DNA 一樣。根據 eDNA 在空氣中傳播的距離，研究人員可以提出涵蓋大片土地的問題，特別是與廣闊景觀中許多地點的土壤樣本進行比較。例如，“如果我們在新墨西哥州安裝太陽能電池板農場，”達菲問道，“這會對當地的生物多樣性產生什麼影響？”
現在這裡是什麼？
重複收集使研究人員對如何解釋 eDNA 研究結果更有信心。但基於 DNA 分子表親 RNA 的新方法可能有助於找出哪些生命形式最近出現在某個地方。
RNA 將 DNA 的遺傳指令轉化為蛋白質。與 DNA 相比，RNA 可以更清楚地顯示動物最近曾經到過某個區域，因為 RNA 分解得更快。這種脆弱性最初促使科學家認為它會降解得太快而無法取樣，但新興研究表明存在一個檢測窗口。 Cristescu 說，生物體將 RNA 釋放到環境中後，大多數 RNA 分子會在三到五個小時內消失，儘管研究表明 eRNA 可能在長達 72 小時內可被檢測到。因此，樣本中發現的任何 eRNA 都表明，留下樣本的生物體是在過去幾天內出現在該地區的。
該分子還具有其他優點。 “RNA 的美妙之處在於，”Cristescu 說，“你可以獲得大量 DNA 無法獲得的生態資訊。”
個體攪動的 RNA 因性別或環境壓力等因素而異。透過收集 eRNA，研究人員還可以在很大程度上區分活的和死的生物體以及成體和幼體。
在愛達荷州美國牛蛙池塘的研究中，水樣含有揭示蝌蚪何時出現的 RNA，研究人員在 5 月報告分子生態學資源。
尋找長趾蠑螈的額外測試（巨指鈍口蠑螈）當周圍只有成蟲時，幼蟲在池塘中呈陰性。成蟲在春天產卵並離開，因此成蟲和後代不會同時在池塘中。僅僅三個月後，卵孵化後，研究團隊就檢測到了幼蟲特異性的 RNA。
目前，樣本必須從現場一路回到實驗室，有時需要數週時間，並經過數小時的處理，然後研究人員才能一睹樣本中檢測到的物種。但加州大學戴維斯分校的生物學家 Ravi Nagarajan 表示，有一天可能會在現場對 eRNA 進行分析。
eDNA 的此類技術已經在開發中。科學家希望利用分子剪刀 CRISPR 設計現場測試，只需不到一小時即可檢測水樣本中單一或多個物種的 DNA。使用過 SHERLOCK 的 Nagarajan 表示，這種被稱為 SHERLOCK 的即時採樣技術可以發現感興趣物種的初步訊號，從而找出哪些地點需要更徹底的採樣掃描加州河口是否有瀕臨滅絕的魚類。它還可以幫助將實驗室有限的資源分配到最有可能回答問題的地方。
Nagarajan 表示，SHERLOCK 可以適用於 eRNA。透過從環境中收集在某些條件下變得活躍的 RNA，SHERLOCK 可以立即提示生態系統是否受到壓力。納加拉詹說，這類測試還可以顯示威脅，無論生物體是否因水中的化學污染物或大規模熱浪而受到威脅。 “那裡有巨大的潛力。”
克里斯泰斯庫說，隨著氣候變遷和其他人類影響等壓力因素導致物種減少或滅絕，採用全球方法對物種進行編目變得更加重要。 “如果對生物多樣性缺乏充分的了解，我們就很難理解我們正在失去什麼。”
