凡走過必留下痕跡:科學家如何藉eDNA技術保護海洋物種?

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環境也有「DNA」?eDNA 的發展不僅降低生態普查所需的時間及人力成本,也讓公民科學得以推廣,在生態系統受到人為氣候變遷衝擊的今天,eDNA成為生態保育的一大助力。

說到DNA,大家可能想到的是八點檔中的「一言不合就驗DNA」,一根頭髮就可以知道主角的親生父母到底是誰,但你知道嗎?類似概念也能拿來監測環境變化,科學家已經使用這項「eDNA(environmental DNA,環境DNA)」技術長達幾十年了,eDNA不僅可以幫助了解當地生物多樣性、是否有外來種入侵等,甚至對生態保育也有所貢獻。

eDNA(環境DNA)技術已經發展長達幾十年,透過eDNA技術可以幫助了解當地的生物多樣性。照片來源:Sangharsh Lohakare/Unsplash

俗話說「凡走過必留下痕跡」,就像我們在生活中會掉落頭髮皮屑、留下汗水,生物也會遺留一些組織細胞、體液或排遺(例如糞便)等。 eDNA指的是從環境樣本,例如土壤、水、空氣、沉積物等,從這些生物經過、生存過的環境中收集而來的DNA,而非直接從生物體內取樣。不論是仍被包覆在細胞裡的,或是細胞被分解後吸附於環境中的DNA,都能夠算是eDNA。

什麼是eDNA? 另類的「弱水三千,只取一瓢飲」

 

根據聯合國政府氣候變遷專門委員會(IPCC)2022 年發布的第六次評估報告(AR6),在氣候變遷下,「生物多樣性的保育及監測」是降低生態系統風險及增加韌性的關鍵課題之一。為什麼eDNA可以對生態保育有所助益呢?

 

傳統普查生物的分佈大多以目視、陷阱捕捉或是回放調查為主。科學家需要像偵探一樣追查線索,不放過任何蛛絲馬跡。然而,稀有動物的追蹤需要投入許多人力和時間,才可能獲得可用的資料。

 

隨著DNA定序技術迅速發展,以及基因組資料庫的累積,讓eDNA成為生物普查監測有力的工具。就像是解碼一樣,如果想知道一個地方有哪些生物生活,只需要抓一把土壤、舀一瓢水,帶回實驗室裡抽取其中的DNA,便能從片段中了解其中的訊息。

 

接著,只要再利用聚合酶鏈式反應或其他引子擴增,把訊息放大後進行定序,並與資料庫比對鑑定,便可以確定哪些生物存在過,得以藉此了解當地的生物多樣性及物種組成。不只肉眼可見的動物,微生物相也可以透過eDNA來調查。科學家可以運用較少的調查時間和人力,得到更精細的結果。

 

一起來收集eDNA,人人都是公民科學家

近十幾年來,eDNA已被廣泛應用在生物調查中,對淡水及海水生態系的研究有很大的幫助。例如,美國俄勒岡州立大學的漁業暨野生動物研究團隊發現,在水中飄浮的鮭魚體表黏液可能可以用來監測阿拉斯加鮭魚數量。

美國俄勒岡州立大學的研究團隊發現,在水中飄浮的鮭魚體表黏液eDNA可以幫助監測阿拉斯加鮭魚數量。照片來源:Jonny Armstrong/Wikimedia Commons

由於阿拉斯加鮭魚會從海洋洄游到出生地產卵,但部分地點地處偏遠,若要架設設備、聘請專家人工統計魚群數量,不僅成本可觀,且得到的樣本只有一小部分。研究團隊發現,若納入水流量紀錄,在調查站收集的eDNA樣本與人工統計的數量呈正相關,證實了eDNA是推估鮭魚洄流數量的可行方法。近年來由於氣候變遷,鮭魚開始出現在加拿大的北極區,科學家們也正利用eDNA追蹤牠們的蹤跡。

雖然eDNA背後的科學原理複雜,但收集和測試樣本步驟卻相對簡單,也間接推動公民科學的發展。如美國康乃爾大學與波因頓中學的「FishTracker」合作計畫,讓科學課程的中學生們到瀑布自然保護區內收集水樣及其他環境樣本,再送回康乃爾大學進行分析。這個研究計畫目的是監測紐約州的外來種入侵,以及找出瀕危魚類物種,除了科學目標之外,還希望能透過學生、居民的環境監測參與,讓人們親身感受生活環境的變化。

海水的eDNA能幫助監測鯨豚和了解海洋生物多樣性。例如,2021年由台灣海洋保育署、台灣大學海洋中心和農委會水產試驗所合作執行的海洋生態系調查,便是利用eDNA樣本分析台灣海峽的魚類物種數。

2022年由聯合國教科文組織發起海洋世界遺址的eDNA探險(Environmental DNA Expeditions),是一個全球性的公民科學計畫。該計畫邀請當地高中生和居民一同成為公民科學家,在世界上最獨特的25個海洋生態系進行採樣,為當地的生物多樣性提供資料,其中包含IUCN紅皮書上的易危及瀕危物種。此外,eDNA也能結合海洋暖化的預測情境,推估氣候變遷對海洋生物多樣性可能造成的衝擊。

聯合國教科文組織發起全球性的公民科學計畫「Environmental DNA Expeditions」,邀請各地居民在世界海洋遺址地收集eDNA樣本。照片來源:Justin Gilligan/UNESCO官網(CC BY-SA 3.0 IGO)

 

eDNA的現在與未來

eDNA最大的好處在於降低傳統生物調查所需的時間與成本,並且能夠跨越時間、空間進行大規模生物多樣性調查及比較。因此除了海洋保育,還能運用在古生物學、生態學甚至流行病學上,例如:Covid-19便是研究人員從患者病房收集空氣樣本,再成功從樣本中分離出病毒序列,進而確認空氣是主要的傳播途徑。

雖然eDNA在許多領域都有很大的發展潛力,不過仍受到許多限制,像是在不同環境條件下會降解的時間不同、海水中的洋流會影響空間判斷等等。eDNA更適合用作其他調查方法的補充資料,也需要更多基礎研究進一步探索eDNA技術。此外,因eDNA需要與資料庫比對,如何將eDNA採樣與定序方式標準化,並開放更多結果數據,也是增加這些數據效益的一大挑戰。

參考資料

 

 

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