文章僅限註冊會員閱讀
close

遺留雪地中的線索:環境 DNA

0

撰文 / Joanne Shih

引言

「氣候變遷是真的,是現在正在發生的,更是地球上所有物種面臨最急迫的威脅。」2016 年第 88 屆奧斯卡金像獎最佳男主角得主李奧納多(Leonardo DiCaprio),發表獲獎感言時,語重心長地呼籲大眾正視環自然境議題。

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

生物學家發現,人類可能正在造成地球史上的第六次滅絕「全新世滅絕事件(Holocene extinction)」,估計在二十世紀,將會以每年 14 萬物種消失的速度進行,我們在發展文明生活的同時,卻對環境及地球上的其他物種造成許多負面影響,如何兼顧社會、經濟以及自然萬物的運行,應用最新的基因工程技術,進行物種監測、評估與管理,最終達到地球資源與生物的平衡與永續發展。GeneOnline 這次專欄將探討基因科技在生態保衛戰間的重要角色:

環境中的蛛絲馬「基」

犯罪現場中,警探與鑑識人員四處採集指紋、毛髮等線索,分析犯人遺留下來的遺傳物質,試圖利用蛛絲馬跡還原案件真相;生態與保育學家就像是生物界的鑑識人員,環境保護與保育一直以來都是相當重要的議題,以最為人關注的保育動物北極熊為例,陸地上體型最大的肉食性動物,更是生態環境系統的指標性動物,由於氣候變遷導致動物的棲地稅減,族群的生命也一點一滴地消逝,因此研究人員應用各種技術與資源,嘗試紀錄並追蹤動物個體及族群的數量,分析動物與環境間的互動關係,希望能藉此找出保護大自然珍貴物種的對策。

然而,在極區進行生態研究並非容易的事,北極熊雖有龐大的身軀,不過天然的雪白外衣讓牠們隱身在極地中,使研究與保育人員難以觀察與定位,過去是以直昇機進行觀測,在上空進行麻醉後裝設無線電頸圈,同時採集動物的組織樣本進行分析,但這樣的方式不但對動物造成緊迫,而且獲得的資訊仍不足以了解生物習性以及族群的動態;科學家也曾使用其他非侵入性的監測方式(non-invasive monitoring),分析動物遺留在環境中的毛髮與糞便,但是在雪地中尋找生物樣本更如大海撈針,因此限制許多研究的發展。

animal-483860_960_720

延伸閱讀:量身打造癌症醫療 果蠅幕後推手

一勺雪一杯水 記錄著物種的動態

生物體脫落的物質如毛髮、皮屑或排泄物帶有細胞,而細胞中貯存著遺傳物質,傳統是直接取得生物樣本進行分析,而今科學家不需直接取得檢體,而是採集土壤、水甚至是空氣,利用特殊的分離萃取技術,即可得到供研究使用的遺傳物質,我們稱之為環境 DNA(Environmantal DNA,eDNA);法國生技公司 SPYGEN 與世界自然基金會(World Wild Fund for Nature,WWF)聯手致力於改良物種追蹤的方式,於 2014 年正式發表一項令人振奮的技術,科學家收集雪地中北極熊足跡的雪,從中分離出北極熊的 DNA,更偵測到海豹與海鷗的遺傳物質,記錄著這些生物曾同時出現在環境中。

環境 DNA 應用於保育的發展史

最初分析 eDNA 的技術是由微生物學(microbiology)開始發展,應用於海洋生態學研究,科學家取一杯海水或是收集海洋沉積物,分析其中的遺傳物質,而得知居住在環境中的物種種類,將海底微生物的生態圈研究透徹,讓人們窺見肉眼不可見的世界;微生物學界已行之有年的技術,生物學家與動物學家卻在近年才漸漸開始用於巨觀生物界(macrobial communities)的研究,因為以微生物學的角度,科學家藉此探索廣大的未知物種,然而,巨觀的生物圈並不需要藉由這種方式「探索」,再加上 eDNA 與物種之間的關聯仍存有許多不確定性,環境樣本中存有大量混雜的物種,早期尚無法有效率地純化出特定物種的遺傳物質,也因此最初並沒有被廣泛接受。

隨著基因鑑定與純化的技術不斷革新,將過去許多實驗室中的理論,改進並發展出相似的技術廣泛用於巨觀的生物界,最先是用於偵測與管理外來物種,相較於傳統的方式,eDNA 的採集與識別更快速、簡便,而且不需耗費大量的人力與經費,不僅助長生態研究的規模,現在科學家更整合生物追蹤技術,將基因定序所建立的龐大資料庫,與動物活動的監測記錄結合,除了辨識動物個體的生物資訊,更進一步勾勒出動物之間的親緣關係、族群結構等更大規模的生態訊息。

從最初微生物學的應用,至今拓展到更廣闊的生物界,過程中突破了許多障礙,不論在基礎科學、保育或環境政策等各領域,都帶來相當正面的發展,不過目前 eDNA 的分析技術仍有許多層面需要改善,必需確保數據資料能夠真確的反映實際現象,科學家們期待這極具潛力的技術發展更臻成熟後,能夠為生態環境創造更多福祉。

延伸閱讀:破解細菌抗藥性基因 仔豬腸道藏線索

參考文獻
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

Share.

Leave A Reply