四月一个温暖、阳光明媚的日子，生物学家大卫·达菲和杰西卡·法雷尔准备乘坐小船沿着马坦萨斯河顺流而下，记录该地区的水生生物。涟漪标志着河流沿着佛罗里达州东北海岸缓缓流动。鸟儿从头顶飞过，有些栖息在河边的红树林上。浑褐色的河水掩盖了河中大部分生命的迹象。
但随后一群宽吻海豚出现了。这些光滑的生物逆流游动，破水呼吸。当船穿过河流和连接的水道时，团队将遇到更多的鲸类动物。几只海豚将一条鱼抛向空中，看起来像是在玩食物捉鱼的游戏。其他人则以水下阴影的形式与研究船并肩而过。
海豚并不是这条河的唯一居民。只是有些物种更难发现。
海龟偶尔会将头伸出水面，眨眼就会错过。潜水的海牛会在水面上产生漩涡，只有训练有素的眼睛才能寻找这种漩涡。
但即使是最稀有、最难发现的动物群和植物群也会留下它们存在的分子痕迹。这就是法雷尔和达菲正在寻找的东西：DNA。
所有生物都会不断地脱落皮肤、鳞片、头发、尿液、粪便、花粉等留下的DNA片段。多伦多约克大学的分子生态学家伊丽莎白·克莱尔 (Elizabeth Clare) 表示，这种环境 DNA（即 eDNA）“改变了科学家研究生物多样性和保护的一切”。
传统上，保护研究和监测需要有人员在场，可能是一个看守猴子的人，或者是一个记录路过的美洲狮的运动敏感相机，或者是一个收集飞蛾的光陷阱。克莱尔说：“这些都很好地证实了那里有东西。”但是“如果动物走在你的相机陷阱后面，你就会错过它。没有记录。”
这对 eDNA 来说不是问题。 “eDNA 更像是一个脚印，而脚印比动物或植物的存在时间更长，”克莱尔说。 “它的奇妙之处在于它扩大了你的检测时间窗口......就像你的后脑勺上长了眼睛一样。”
eDNA 特别适用于，甚至能够找出那些很少与人类接触的难以捉摸的物种（序列号：10/28/24）。从偏远地区采集样本并带到实验室进行分析可以帮助研究人员，比如说，或识别被认为已灭绝的物种（序列号：3/20/24）。但即使自然资源保护主义者发现了使用 eDNA 的新方法或寻找 eDNA 的新地点，他们也必须克服如何解释他们发现的遗传物质的挑战。
蒙特利尔麦吉尔大学的进化生物学家和生态学家梅拉尼娅·克里斯泰斯库 (Melania Cristescu) 表示，处理不确定性是值得的。 “这些[基因监测]工具将使生物多样性计划在全球范围内成为可能，以便我们能够像监测天气一样监测生物多样性，并且保持一致。”
谁在那里？
法雷尔和达菲都在位于圣奥古斯丁的佛罗里达大学惠特尼海洋生物科学实验室工作，他们到达了当天的第一站，海豚溪，马坦萨斯的一个分支。
法雷尔将一根末端装有 1 升塑料瓶的长金属杆滑入齐腰高的水中，然后将其装满水。她拉出瓶子，戴上手套盖上盖子（这是避免污染样品的预防措施），然后将其放入白色冷却器中进行运输。回到实验室后，研究小组将过滤掉任何 DNA 进行分析，并搜索遗传数据库以寻找潜在的匹配项来识别该物种。
与此同时，达菲正在测试一种方法，可以消除携带沉重的水瓶的需要。在船的甲板上，他安装了一个便携式泵，并将其连接到一根管子上，该管子将水抽过一个小指大小的塑料过滤器，过滤器用塑料包裹，浸没在小溪中。大约五分钟后，曾经白色的过滤器现在变成浅棕色，并有望装载 DNA。
用拖网捕鱼寻找遗传物质的想法可以追溯到 20 世纪 80 年代中期，当时研究人员使用 DNA 来检测海洋沉积物中的细菌。然后在 2000 年代初，科学家发现一些沉积物可以保存已灭绝动物的 DNA。在西伯利亚永久冻土深处发现了猛犸象的 DNA，亚利桑那州一个洞穴的沉积物中含有来自古代巨型地懒的遗传物质。这些发现表明DNA可以保存数千年。
现代生命的迹象也出现了。由哥本哈根大学遗传学家 Eske Willerslev 领导的西伯利亚研究人员从表层土壤中提取了属于当今开花植物和苔藓的 DNA。
克莱尔称赞威勒斯莱夫激励自然资源保护主义者利用此类分子痕迹来监测生物多样性。她说，他对冷冻沉积物的研究“真正开创了这个领域，然后很快就进入了水中。” 2008年，法国研究人员使用 eDNA 检测入侵的美洲牛蛙（石斑鱼）在天然池塘中。然后在 2011 年，另一个团队指出 eDNA 表明两个亚洲鲤鱼入侵物种在与密歇根湖相连的水域里游泳。
回到海豚溪，不难猜测法雷尔和达菲的样本中会出现一种动物。 “我们确实获得了海豚 DNA，”达菲证实。
由于有如此多的海豚游过，因此一些 eDNA 肯定是最近的。但马坦萨斯采样说明了解释 eDNA 的困难之一。与相机陷阱拍摄的带时间戳的照片不同，我们很难确切知道动物何时留下了基因名片。
苏黎世联邦理工学院的生态学家 Kristy Deiner 表示，研究表明 eDNA 可以在水体中持续数小时至数周。之后，“你有时会发现它，有时却找不到。”同一天或几天内收集的样本中检测结果不一致，暗示动物早已消失，或者 DNA 是从其他地方传到那里的。
eDNA 在水中停留的时间取决于几个因素。例如，随着温度升高，eDNA 衰减得更快Deiner 及其同事在 2022 年的荟萃分析中报告说，气温高于 20 摄氏度。 DNA 在环境中的存在方式也会影响其持久力。
“我们知道 DNA 存在于细胞核内、细胞内、大型多细胞生物体内，”Deiner 说。 “但是当我们采集水样时，我们实际上检测到了什么？我们不知道它是来自细胞还是来自细胞器（细胞内的结构）或漂浮在周围的溶解的 DNA。”目前还不清楚 eDNA 的这些不同状态如何影响该分子是否被检测到或它如何在水系统中移动。
同样未知的是水化学如何影响 eDNA 降解，或者流过的水如何影响 eDNA 降解。来自冰川水流湍急的河流的 eDNA 的行为可能与来自缓慢流动的亚马逊河的 eDNA 的行为不同。 “我们在世界各地还没有做足够的研究来了解它是否依赖于环境，或者是否存在可以预测 [eDNA] 行为的通用方程，”Deiner 说。
但 eDNA 在水中的运动可能会带来好处。例如，河水通常最终流入湖泊，这可能充当“生物多样性蓄积器”，戴纳说。一个湖泊可能是整个流域所有生命的储存库。
为了验证这一想法，今年 5 月初，Deiner 和同事要求全球公民科学家从大约 400 个湖泊中取样，其中包括非洲和东南亚的湖泊，这些地区在 eDNA 研究中代表性不足。通过分析数百个样本，研究小组希望捕捉到连接水域中栖息的生物体以及生活在周边地区的陆地物种。
Deiner 说，如果没有 eDNA，就不可能对生物多样性进行如此大规模的分析。 “它只是让你思考得越来越大。”
你去哪儿了？
日出前的一刻，佛罗里达的天空着火了。当海浪拍打沙滩时，红色、橙色和黄色混合成浅蓝色。这么早就出门的人很少，但两辆多功能任务车的持续轰鸣声打破了平静。
这是海龟巡逻季节的第二天，志愿者们聚集在圣奥古斯丁北部的海滩米克勒登陆，寻找海龟巢。在这个寒冷的四月早晨，一项任务是从巢中收集沙子，以收集海龟留下的 DNA。
不幸的是，现在是季节初期，没有鸟巢。但志愿者卢卡斯·梅尔斯（Lucas Meers）解释了如果巢穴存在的话采样过程。他会跪下来，从背包里拿出一个卫生纸筒大小的管子，然后舀起一勺又短又精致的沙子。米尔斯说，如果存在海龟足迹，他还会从海龟的鳍状肢接触沙子的地方以及海龟的身体刮过海滩的地方（可能还留下产卵时留下的分泌物）采集样本。米尔斯将在远离足迹的地方收集对照样本，该样本的海龟 DNA 检测结果应呈阴性。
与马坦萨斯河样本一样，从沙子中提取的 eDNA 可以帮助 Duffy、Farrell 及其同事识别存在哪些海龟物种，例如绿海龟（海龟), 赤裸裸的人 (苋菜）或棱皮龟（革皮龟）。该团队还检查了感染全球海龟的致癌病毒的存在，为了解海龟的健康状况提供了一个窗口。
达菲说，遗传分析还可以超越存在哪些物种的范围，并揭示动物的去向。
通过识别种群的遗传指纹并在 eDNA 中寻找该特征，研究人员或许能够通过在多个地方收集样本来确定动物群的迁徙地点。作为概念证明，红海龟 DNADuffy、Farrell 及其同事于 2022 年在《2022 年报告》中报告称，在 Mickler's Landing 和佛罗里达州其他海滩发现的海龟属于已知在美国东南部筑巢的动物。分子生态学资源。使用 DNA 追踪旅行路径可能有助于决定要保护哪些栖息地。
达菲说：“如果你试图仅通过保护[一个物种]一生中所需的栖息地的一部分来保护它们，那么成功的可能性有限。” “如果你能开始了解这些动物来自哪里，那么你就能更好地了解它们的范围以及需要保护的动物。”
挑出种群中单个个体的遗传信号甚至是可能的，使研究人员能够放弃标记濒危物种。在 2023 年的一项研究中电子生活，例如，科学家可以辨别出经过深入研究的一些成员鸮鹦鹉种群在新西兰，土壤样本中留下了 DNA 的痕迹。但目前很难从 eDNA 中解析出特定个体，除非他们的遗传物质在样本中占主导地位，从而为研究人员提供更多材料来进行匹配。大多数样本都是由许多个体组成的。
但人类的例子进一步证明了追踪个人的可能性。达菲和同事无意中在环境中收集了人类 DNA 片段，这些片段足够完整，可以揭示遗传血统，甚至疾病易感性。通过有针对性的分析，收集到的材料足以识别人员身份，该团队于 2023 年报告自然生态与进化。
虽然这种可能性引发了对隐私的伦理担忧，但自然资源保护主义者通常会采取积极措施，避免分析现场样本中的人类 DNA，转而分析其他物种。
尽管如此，“如果你将来将[人类的发现]转化为其他物种，”达菲说，“就你可以获得的信息量而言，这可能会改变游戏规则。”
空气中有什么？
就像无数漂浮在水中或沉降在沙子中的 DNA 块一样，研究人员发现，只要手中有真空，它们就可以从一个新领域：空气中吸取 eDNA。
阵风卷起树木花粉和真菌孢子，就像人们被卷入人群一样。动物的毛皮和皮肤细胞可能会沾上灰尘。这个巨大的 DNA 宝库就在我们周围，就像水包围着水生生物一样。分析空气中的 eDNA 面临着许多与水和土壤样本相同的解释挑战，目前，世界上只有少数实验室，包括约克大学的克莱尔实验室，正在收集空气中的 eDNA 来调查生命的全部范围。
过去，研究人员专注于从微生物、孢子和花粉——空气中明显的目标——中提取 DNA。在动物方面，克莱尔发现的很少，包括两名日本高中生的报告从空气中采集到椋鸟和猫头鹰的 DNA对于一个科学项目（SNE：2019 年 5 月 16 日）。
然后在 2022 年，克莱尔的团队和另一个小组独立报告了在动物园凭空提取动物 DNA 的实验——证实了一丝气味（序列号：1/18/22）。由于这些演示，人们对空中 eDNA 的兴趣正在扩大。达菲说，此类 DNA 的丰富性“开辟了测量生物多样性的全新方法。”
研究 eDNA 和蝙蝠生态学的 Clare 表示，这种丰富的样本量有助于科学家轻松地从同一地区一遍又一遍地收集数百个空气样本。 “我一个人，可以坐在那里观看一个洞穴。但我可以在 100 个洞穴中放置 100 个（空气）采样器，每天晚上进行一周，然后突然了解新热带栖息生态。”
科学家甚至可以从现有的基础设施中收集基因样本。例如，空气污染监测站可以eDNA 的隐藏仓库，克莱尔和同事于 2023 年在现代生物学。世界各地的设施每天或每周收集样本以密切关注污染情况。一些设施将样本储存了数十年，这意味着这些站可以帮助研究人员比以往更大规模地追踪生物多样性。
“现在我们找到了一种适合我们现有监控系统的方法，”克莱尔说。
但从空气中收集遗传物质存在不确定性。空气中的 DNA 是否只检测到本地物种，还是检测到数公里外的物种，目前尚不清楚。同样未知的是信号持续多长时间，以及样本中某一物种的 DNA 总体丰度对其自然界中的丰度意味着什么。
克莱尔说，空气、土壤或水样本中 eDNA 的含量大致与该地区植物或动物的数量相关。 “但这样做可能会出现很多问题，[丰度估计]很难以任何实际方式使用。”
其一，某些生物体可能会比其他生物体释放更多的 DNA，由于“蓬松因素”，毛茸茸的动物可能比有鳞生物的出现率更高。研究人员有时甚至在不知情的情况下影响结果。
在伯利兹研究蝙蝠时，克莱尔和她的团队从一间教室收集了空气中的 eDNA，他们将蝙蝠装在布袋中带入房间。目的是弄清楚真空 DNA 识别不同蝙蝠物种的效果如何，以及它是否能识别出蝙蝠的数量。克莱尔说，虽然房间空气中的大部分遗传物质与存在的每种蝙蝠的数量相匹配，但“也有一些例外。”
一些蝙蝠的数量过多，而另一些则数量不足。 “我们花了很长时间才弄清楚原因，”她说。 “显然，我每次说这句话时都在引用泰勒·斯威夫特的话：问题出在我身上。”
克莱尔必须辨认每只蝙蝠。有些物种很难分类，因为她花时间仔细检查这些蝙蝠的身体和牙齿，它们向空气中释放了大量 DNA。另一方面，当有人触摸袋子时，吸血蝙蝠会发出明显的声音，因此克莱尔不需要打开它就知道里面有什么。这可能就是为什么很少吸血蝙蝠 DNA克莱尔的团队在 2023 年的报告中指出，实验中出现了环境DNA。
尽管如此，空气中的 eDNA 仍然提供了类似的机会来监测陆地物种，就像溪流和海洋输送水生生物的 DNA 一样。根据 eDNA 在空气中传播的距离，研究人员可以提出涵盖大片土地的问题，特别是与广阔景观中许多地点的土壤样本进行比较。例如，“如果我们在新墨西哥州安装太阳能电池板农场，”达菲问道，“这会对当地的生物多样性产生什么影响？”
现在这里是什么？
重复收集使研究人员对如何解释 eDNA 研究结果更有信心。但基于 DNA 分子表亲 RNA 的新方法可能有助于查明哪些生命形式最近出现在某个地方。
RNA 将 DNA 的遗传指令转化为蛋白质。与 DNA 相比，RNA 可以更清晰地表明动物最近曾到过某个区域，因为 RNA 分解得更快。这种脆弱性最初促使科学家们认为它会降解得太快而无法取样，但新兴研究表明存在一个检测窗口。 Cristescu 说，生物体将 RNA 释放到环境中后，大多数 RNA 分子会在三到五个小时内消失，尽管研究表明 eRNA 可能在长达 72 小时内可被检测到。因此，样本中发现的任何 eRNA 都意味着留下样本的生物体是在过去几天内出现在该地区的。
该分子还具有其他优点。 “RNA 的美妙之处在于，”Cristescu 说，“你可以获得大量 DNA 无法获得的生态信息。”
个体搅动的 RNA 因性别或环境压力等因素而异。通过收集 eRNA，研究人员还可以在很大程度上区分活的和死的生物体以及成体和幼体。
在对爱达荷州美国牛蛙池塘的一项研究中，水样含有揭示蝌蚪何时出现的 RNA，研究人员在 5 月报告分子生态学资源。
寻找长趾蝾螈的额外测试（巨指钝口螈）当周围只有成虫时，幼虫在池塘中呈阴性。成虫在春天产卵并离开，因此成虫和后代不会同时在池塘中。仅仅三个月后，卵孵化后，研究小组就检测到了幼虫特异性的 RNA。
目前，样本必须从现场一路回到实验室，有时需要数周时间，并经过数小时的处理，然后研究人员才能一睹样本中检测到的物种。但加州大学戴维斯分校的生物学家 Ravi Nagarajan 表示，有一天可能会在现场对 eRNA 进行分析。
eDNA 的此类技术已经在开发中。科学家们希望利用分子剪刀 CRISPR 设计现场测试，只需不到一小时即可检测水样中单个或多个物种的 DNA。使用过 SHERLOCK 的 Nagarajan 表示，这种被称为 SHERLOCK 的实时采样技术可以发现感兴趣物种的初步信号，从而查明哪些地点需要更彻底的采样扫描加利福尼亚河口是否有濒临灭绝的鱼类。它还可以帮助将实验室有限的资源分配到最有可能回答问题的地方。
Nagarajan 表示，SHERLOCK 可以适用于 eRNA。通过从环境中收集在某些条件下变得活跃的 RNA，SHERLOCK 可以立即提示生态系统是否受到压力。纳加拉詹说，此类测试还可以表明威胁，无论生物体是否因水中的化学污染物或大规模热浪而受到威胁。 “那里有巨大的潜力。”
克里斯泰斯库说，随着气候变化和其他人类影响等压力因素导致物种减少或灭绝，采用全球方法对物种进行编目变得更加重要。 “如果对生物多样性缺乏充分的了解，我们就很难理解我们正在失去什么。”
