叙尔特岛外礁(Sylt Outer Reef)的海洋保护区具有异乎寻常的高生物多样性水平。到目前为止，对环境研究人员来说，评估类似叙尔特岛外礁等海洋保护区的生物多样性是一个非常艰苦的过程:需投下各种尺寸的网捕捉不同大小的海洋物种；使用箱式取样器从海底提取样本，使用水下相机拍摄海底照片并制作视频。

生物学家Silke Laakmann博士及其团队利用漂浮在海洋中的生物碎片，如细胞、粘液、鳞片、毛发、残骸等，来分析这些碎片所包含的遗传物质，可以为海洋群落生物多样性的评估提供更多见解，即环境DNA（eDNA）。

（图片：研究小组在海上收集含有环境DNA的水样。图源:HIFMB|Kingsly Chuo Beng）

如何仅用水样评估生物多样性

在奥尔登堡大学的亥姆霍兹功能海洋生物多样性研究所(HIFMB)，Laakmann博士及其团队正致力于实现仅使用水样对海洋生物多样性水平进行可靠评估的主要目标。

近年来，eDNA分析已成为环境科学中一种强大的新工具。该方法具有巨大的潜力，因为它可以一次性分析整个群落，无论该群落规模有多大，并为生物多样性提供各种新的见解。与传统的海洋生物取样方法相比，它还减少了对环境的影响，这一优势在海洋保护区尤其重要。

在由奥尔登堡生物多样性专家和HIFMB主任Helmut Hillebrand教授博士领导的合作CREATE项目中，eDNA在分析海洋保护区的生物多样性以及它们之间的联系方面发挥着核心作用。作为该项目的一部分，研究团队目前编制了北海（大西洋）的eDNA档案，旨在记录生物多样性的现状和未来环境变化的影响。

从显微镜到基因

Laakmann博士团队的研究人员在过去四年里一直在为此奠定基础:“最近，生物多样性研究发生了转变，从你可能称之为物种识别的经典形态学方法转向了分子方法，”研究人员解释说。换句话说，也就是从显微镜到基因。但研究人员也表示，自己曾花大量时间在分类实验室里，在显微镜下根据生物体的外部形态来识别它们。

为了将新的遗传方法建立为环境监测的常规过程，目前正在与传统方法进行比较。Laakmann博士和她的团队主要关注北海（大西洋）和波罗的海的浮游生物，他们已经收集了3000多个样本，这些样本将保存在HIFMB作进一步研究。

为了全面了解生物多样性水平，科学家们通常使用三种不同的方法。用传统的方式（又长又薄的网）收集浮游生物。然后这些样本被分成两半，一半在显微镜下进行常规鉴定，或者进行半自动成像分析。另一半被均质化，然后进行基因分析。第三种方法是eDNA分析，即从不同深度的水样中提取遗传物质。

用于物种鉴定的分子生物学方法在一定程度上类似于COVID检测实验室的PCR检测方法，都是将基因的特征区域进行扩增和测序分析。

环境科学主要集中在一个名为COI(细胞色素c氧化酶亚基I)的基因片段上。“这种特殊基因片段的序列在每种动物物种中都是独一无二的，在巨大的数据库中，研究人员使用它们的COI基因的遗传密码对物种进行盘点。就像超市里的产品通过包装上的条形码来识别一样，在数据库中登记过的每种动物物种都可以通过其遗传密码来识别。”

当并行分析环境样本中的大量遗传物质时——这一过程会产生数千种不同的 DNA序列——这被称为“元条形码。在过去的四年里，研究人员已经开发出一种处理eDNA的特殊工具包。“我们感兴趣的问题是: 为了在一个地区捕获尽可能多的物种，我们需要多少水？我们需要多久采集一次样本？过滤器应该是什么样的？我们应该使用什么数据库？”研究团队指出，eDNA元条形码确实能够识别生活在北海的所有无脊椎动物和鱼类。

为了检查像叙尔特岛外礁(Sylt Outer Reef)这样的大型海洋保护区是否存在特定物种，从几个不同的地方采集水样可能是有意义的。在一项对海底生物的研究中，研究团队在海洋保护区进行长期观察。在这里，他们将DNA分析与沉积物样本和水下照片结合起来。另一方面，在特别活跃的海洋地区，为了记录所有存在的物种，可能需要连续几天在同一地点反复采集水样。

但研究人员也强调，即使在未来，也不能仅仅依赖基因方法，而应将传统方法和新方法结合起来。这是两全其美的做法。在显微镜下识别动物可以与生物体建立联系，如果只研究抽象的基因序列，这一因素就会缺失。

鸡、牛、野猪或老鼠等陆地动物也不断出现在物种列表中，这可能由于来自鸡和牛等养殖动物的遗传物质进入河流导致。

研究人员还不时会遇到所谓的“神秘物种”——基因上是新的，但外表上与其他已知物种相似的物种。此外，基因测序方法增加了发现稀有或濒危物种的可能性，包括海洋哺乳动物。研究人员强调说:“我们发现的物种比以前发现的要多。”所有这些因素都显示了eDNA在打开以前隐藏的生物多样性领域方面的巨大潜力。

原文参看：https://phys.org/news/2023-01-biodiversity-samples.html

编译：Sara 审核：Daisy