遗留雪地中的线索:环境 DNA

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撰文 / Joanne Shih

引言

“气候变迁是真的,是现在正在发生的,更是地球上所有物种面临最急迫的威胁。”2016 年第 88 届奥斯卡金像奖最佳男主角得主李奥纳多(Leonardo DiCaprio),发表获奖感言时,语重心长地呼吁大众正视环自然境议题。

“Climate change is real. It is happening right now. It is the most urgent threat facing our entire species.” — Leonardo DiCaprio

生物学家发现,人类可能正在造成地球史上的第六次灭绝“全新世灭绝事件(Holocene extinction)”,估计在二十世纪,将会以每年 14 万物种消失的速度进行,我们在发展文明生活的同时,却对环境及地球上的其他物种造成许多负面影响,如何兼顾社会、经济以及自然万物的运行,应用最新的基因工程技术,进行物种监测、评估与管理,最终达到地球资源与生物的平衡与永续发展。GeneOnline 这次专栏将探讨基因科技在生态保卫战间的重要角色:

环境中的蛛丝马“基”

犯罪现场中,警探与鉴识人员四处采集指纹、毛发等线索,分析犯人遗留下来的遗传物质,试图利用蛛丝马迹还原案件真相;生态与保育学家就像是生物界的鉴识人员,环境保护与保育一直以来都是相当重要的议题,以最为人关注的保育动物北极熊为例,陆地上体型最大的肉食性动物,更是生态环境系统的指标性动物,由于气候变迁导致动物的栖地税减,族群的生命也一点一滴地消逝,因此研究人员应用各种技术与资源,尝试纪录并追踪动物个体及族群的数量,分析动物与环境间的互动关系,希望能借此找出保护大自然珍贵物种的对策。

然而,在极区进行生态研究并非容易的事,北极熊虽有庞大的身躯,不过天然的雪白外衣让牠们隐身在极地中,使研究与保育人员难以观察与定位,过去是以直升机进行观测,在上空进行麻醉后装设无线电颈圈,同时采集动物的组织样本进行分析,但这样的方式不但对动物造成紧迫,而且获得的资讯仍不足以了解生物习性以及族群的动态;科学家也曾使用其他非侵入性的监测方式(non-invasive monitoring),分析动物遗留在环境中的毛发与粪便,但是在雪地中寻找生物样本更如大海捞针,因此限制许多研究的发展。

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一勺雪一杯水 记录著物种的动态

生物体脱落的物质如毛发、皮屑或排泄物带有细胞,而细胞中贮存著遗传物质,传统是直接取得生物样本进行分析,而今科学家不需直接取得检体,而是采集土壤、水甚至是空气,利用特殊的分离萃取技术,即可得到供研究使用的遗传物质,我们称之为环境 DNA(Environmantal DNA,eDNA);法国生技公司 SPYGEN 与世界自然基金会(World Wild Fund for Nature,WWF)联手致力于改良物种追踪的方式,于 2014 年正式发表一项令人振奋的技术,科学家收集雪地中北极熊足迹的雪,从中分离出北极熊的 DNA,更侦测到海豹与海鸥的遗传物质,记录著这些生物曾同时出现在环境中。

环境 DNA 应用于保育的发展史

最初分析 eDNA 的技术是由微生物学(microbiology)开始发展,应用于海洋生态学研究,科学家取一杯海水或是收集海洋沉积物,分析其中的遗传物质,而得知居住在环境中的物种种类,将海底微生物的生态圈研究透彻,让人们窥见肉眼不可见的世界;微生物学界已行之有年的技术,生物学家与动物学家却在近年才渐渐开始用于巨观生物界(macrobial communities)的研究,因为以微生物学的角度,科学家借此探索广大的未知物种,然而,巨观的生物圈并不需要借由这种方式“探索”,再加上 eDNA 与物种之间的关联仍存有许多不确定性,环境样本中存有大量混杂的物种,早期尚无法有效率地纯化出特定物种的遗传物质,也因此最初并没有被广泛接受。

随着基因鉴定与纯化的技术不断革新,将过去许多实验室中的理论,改进并发展出相似的技术广泛用于巨观的生物界,最先是用于侦测与管理外来物种,相较于传统的方式,eDNA 的采集与识别更快速、简便,而且不需耗费大量的人力与经费,不仅助长生态研究的规模,现在科学家更整合生物追踪技术,将基因定序所建立的庞大数据库,与动物活动的监测记录结合,除了辨识动物个体的生物资讯,更进一步勾勒出动物之间的亲缘关系、族群结构等更大规模的生态讯息。

从最初微生物学的应用,至今拓展到更广阔的生物界,过程中突破了许多障碍,不论在基础科学、保育或环境政策等各领域,都带来相当正面的发展,不过目前 eDNA 的分析技术仍有许多层面需要改善,必需确保数据资料能够真确的反映实际现象,科学家们期待这极具潜力的技术发展更臻成熟后,能够为生态环境创造更多福祉。

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参考文献
The ecology of environmental DNA and implications for conservation genetics. Conserv Genet (2016) 17:1–17
Making environmental DNA count. Molecular Ecology Resources (2016) 16, 10–12
SPYGEN: http://www.spygen.com
CVT News: Scientists study polar bears through DNA from footprints in snow

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