王芊佳：环境DNA，能让中国生物多样性保护迈入新时代吗？

2024-08-21科学

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本文来源于「海洋与湿地」（OceanWetlands）：
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在我国，保护生物多样性是一项关乎生态文明建设成效的重要任务。我国拥有丰富的自然资源和多样的生态系统，包括广袤的森林、辽阔的湿地、壮丽的山脉和曲折的河流。每一种生态系统中都蕴藏着丰富的动植物资源，它们不仅为生态平衡提供支持，也为人类的可持续发展做出贡献。然而，随着人类活动的加剧、环境污染的增加以及气候变化等因素的影响，中国的生物多样性正面临严峻挑战。传统的生物多样性监测方法虽然在一定程度上帮助了生态保护，但往往存在成本高、效率低、干扰大等问题。在这种背景下， 环境DNA（eDNA）技术的应用潜力，为生物多样性保护带来了新的希望。

环境DNA是指存在于环境样本（如水体、土壤、空气）中的遗传物质。这些遗传物质通常来自生物体的细胞碎片、排泄物或皮肤细胞，通过分析这些样本中的eDNA，可以识别出生物种类及其分布情况。环境DNA技术的一个主要优点是其非侵入性，这意味着在不直接干扰生态系统的情况下，科学家可以获取关于生物多样性的重要信息。

摄于国家动物博物馆。©️绿会融媒·海洋与湿地工作组

在中国，环境DNA技术的应用前景广阔，尤其在水域和湿地的生物多样性保护方面显得尤为重要。中国拥有丰富的水资源，包括长江、黄河、珠江等主要河流，以及无数湖泊和湿地，这些水域是许多水生生物的栖息地。然而，传统的水域生物监测方法通常需要进行大量的捕捞和调查工作，这不仅费时费力，还可能对生态环境造成负面影响。相比之下，环境DNA技术提供了一种 更为高效和环保 的解决方案。通过对水样进行采集并分析其中的eDNA，科学家能够快速识别出水域中的各种生物种类，并了解它们的相对丰度。这种方法不仅减少了对水生生物的直接干扰，还提高了监测的准确性和效率。

©绿会融媒·「海洋与湿地」（OceanWetlands）（图文无关）

以长江为例，这条中国最长的河流不仅是生态系统的重要组成部分，也是一系列濒危珍稀水生生物的栖息地。传统的监测方法局限性还是比较大的、而且费钱、费力、费时，还可能无法全面覆盖长江流域的所有水域；而新的eDNA技术，可以通过采集长江各个流域的水样，提供有关鱼类、两栖动物及其他水生生物的详细信息。这些数据对于评估长江生态系统的健康状况、制定保护措施以及管理水资源都具有重要意义。

湿地，也是中国生物多样性保护的重点区域。湿地不仅为大量鸟类和水生生物提供栖息地，还在调节水循环、净化水质和减缓洪水等方面发挥着重要作用。然而，湿地面临着污染、围垦和开发等威胁，这使得传统的湿地生物监测工作变得复杂和困难。eDNA技术可以帮助科学家在不干扰湿地生态环境的情况下，对湿地中的生物进行监测。例如，通过分析湿地水样中的eDNA，研究人员可以识别出湿地中的鱼类、两栖动物和昆虫等生物，从而获取有关湿地生态系统状态的重要信息。这种信息可以帮助制定有效的湿地保护和恢复措施，确保湿地生态系统的健康和稳定。

©绿会融媒·「海洋与湿地」（OceanWetlands）

除了水域和湿地，环境DNA技术在 陆地生态系统 中的应用中，同样是具有广阔的前景。通过对土壤样本中的eDNA进行分析，科学家可以了解陆地上的植物和动物种类及其分布情况。在中国的森林保护项目中，环境DNA技术可以帮助研究人员监测 森林中的生物多样性 。例如，在某个保护区内，科学家可以通过分析土壤样本中的eDNA，识别出该区域的植物种类、昆虫种类以及哺乳动物等，从而评估生态系统的健康状态并制定相应的保护措施。此外，环境DNA技术还可以用于监测 入侵物种 的扩散。中国面临着许多外来入侵物种的威胁，这些物种往往对本土生态系统造成严重影响。通过对土壤和水样中的eDNA进行分析，科学家可以早期发现这些入侵物种，并采取相应的管理措施，以防止其对生态环境造成更大的破坏。

干死的蜗牛、鱼骨头 ©绿会融媒·「海洋与湿地」（OceanWetlands）工作组

©绿会融媒·「海洋与湿地」（OceanWetlands）工作组

对于产业、以及一些难以涉足的地方，eDNA也有很大的潜力。就拿 渔业、深海研究 来讲，笔者预计，eDNA技术将为渔业和生态系统评估带来一场革命。在那些数据匮乏的地区或针对那些难以常规调查的物种（比如几千米的深海），eDNA技术更是将发挥无可替代的作用。通过对水体中的DNA片段进行分析，未来可以更便捷、高效地获取大量生物多样性数据，从而为渔业资源的可持续利用和生态系统的保护提供科学依据。

5600米深海多金属结核矿，2023年由曼塔号带回。©️ 绿会融媒·海洋与湿地工作组

在 生态系统恢复 方面，环境DNA技术也提供了宝贵的支持。许多生态系统因为人类活动或自然灾害而受到破坏，需要进行恢复和重建。eDNA技术可以帮助科学家监测恢复区域的生物多样性变化，评估恢复措施的效果。例如，在进行植被恢复时，研究人员可以通过分析恢复区域的土壤样本中的eDNA，了解恢复区域内的植物种类及其丰度，从而确保恢复措施的有效性。此外，eDNA技术还可以用于监测恢复区域中的动物种类，确保动物栖息地的恢复和保护。

上图：路边的野菊花——线叶旋覆花（Inula linariifolia Turcz.）上，飞来飞去的是一只黑带食蚜蝇（Episyrphus balteatus）。©绿会融媒·「海洋与湿地」（OceanWetlands）

另外，eDNA技术在 环境司法 中扮演着越来越重要的角色。2023年地球生物基因组计划（EBP）主席来华时，曾经与笔者对此有过讨论—— eNDA在环境司法中应用前景广阔 。它能以高度的灵敏度和准确性检测到环境中的微量DNA，从而为非法狩猎、野生动物制品走私等案件提供科学证据。例如，在野生动物制品中检测到濒危物种的eDNA，可以证明该制品来源非法。在污染水体中检测到多种水生生物的eDNA消失，可以佐证这片水体生态系统遭到严重破坏。笔者估计，不久的未来，eDNA证据在法庭上的认可度越来越高。笔者希望看到最高法、最高检在这方面积极运用新技术，推出一些典型的案例来。

目前，许多一些科研机构和保护组织已经开始在多个领域应用环境DNA技术。比如说，在对大熊猫栖息地的保护中，科学家利用eDNA技术对栖息地的生物多样性进行监测，以确保大熊猫及其栖息地的安全。在对濒危植物的保护中，eDNA技术同样发挥了重要作用。

尽管环境DNA技术在生物多样性保护中展现了巨大的潜力，但在我国的应用中仍面临一些挑战。第一就是eDNA技术的成本和技术门槛较高，这可能限制了其在一些偏远地区的应用；而且，不同研究机构和地区的eDNA数据可能存在差异，这可能影响数据的共享和比较。环境DNA技术的应用需要与其他生态监测方法相结合，才好有效的发挥作用。 不过最大的问题还是， eDNA分析往往依赖于高质量的参考数据库，但许多物种的DNA序列信息并不完整。

据笔者观测，在我国目前eDNA分析的标准化程度还不够高，不同研究机构采用的方法和标准存在差异，这影响了数据的可比性和共享。从数据库上看，缺乏一个全国性的eDNA数据库，限制了数据的整合和共享。另外，eDNA技术需要具备分子生物学和生态学背景的人才，这方面也是需要着力的。不过，这些都是可以克服的。

北京中关村大街上的标志性建筑——双螺旋DNA结构。这象征着生命科学研究和产业在这里蓬勃开展。Linda摄影 ©️ 绿会融媒·海洋与湿地工作组

虽然存在这些挑战，环境DNA技术的前景依然广阔。笔者对于eDNA技术在我国生物多样性调查与保护领域的应用前景还是感到无比振奋的。eDNA技术无疑为我们提供了一种全新的、更有效率的生物多样性监测手段，有望将中国的生物多样性保护推向一个新的高度。

而且，作为一种新兴的生物监测工具，其在生物多样性研究和保护中的应用，还具有显著的成本效益。换句话说，就是——eDNA的应用能够大大降低生物多样性投融资的难度。我们知道，当前【昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架】（GBF）资金缺口巨大，如果推广这一技术，不仅能提供精准的生态数据，而且能大幅度降低了生物多样性监测和评估的投融资需求。

笔者写本文的一个重要驱动力，是希望看到我国把国家层面的eDNA战略布局提上议程。

细心的「海洋与湿地」（OceanWetlands）读者可能注意到，2024年6月份，美国白宫科技政策办公室发布了【美国国家水域环境DNA战略】，明确了标准化、系统化和广泛共享eDNA数据与方法的必要性，也就是从国家机器的角度来推进这个事情。笔者认为，这是一个非常重要的战略，对我国制定国家层面的eDNA战略具有重要的借鉴意义。建议有关部门加快研究、推进相关工作，以跨部门、跨领域的合作，来推动eDNA技术在我国不同环境和生态系统中的应用，提升对生物多样性的监测和保护能力。

参见海湿往期报道：

【美国国家水环境DNA战略】正式发布， 10大联邦机构携手共促生物多样性监测

美国eDNA战略：生物多样性监测的革命性技术，如何全面改变自然资源管理？

THE END

海

湿

文 | 王芊佳

编辑 | Samantha

排版 | 绿叶