通过对河流和湖泊的 DNA 分析，可以揭示其生物多样性的新秘密
淡水生态系统是自然界的命脉，然而它们正面临一场无声的危机。世界野生动物基金会2022 年的一份报告显示，自 1970 年以来，全球淡水脊椎动物数量惊人地下降了 83%，这一速度远远超过任何其他栖息地。自然退化的程度令人担忧，但生态系统非常复杂，人类活动的影响也同样复杂。因此，故事往往更加微妙。
我们的研究表明，分析环境 DNA（eDNA）——生物在生死过程中留下的 DNA——可以揭开淡水溪流、河流和湖泊中隐藏的秘密。这为更有效地监测这些至关重要的生态系统带来了希望。
虽然鱼类和鸟类通常备受关注，但淡水生物多样性却是一个隐藏的大都市，充满了鲜为人知的居民。肉眼可见的蜉蝣和蠓等大型无脊椎动物在健康的生态系统中发挥着至关重要的作用。几十年来，它们一直受到监测，可以让我们更全面地了解淡水栖息地如何应对人类的压力。
世界各地也面临不同程度的人类活动威胁。例如，上个世纪，欧洲的河流水质得到了极大改善，这主要归功于卫生条件的改善、去工业化和监管的改善，最终导致大型无脊椎动物生物多样性的恢复。
但好消息仅此而已。自 2010 年以来，淡水生物多样性的改善已停滞不前。与此同时，旧的环境压力正在被新的压力所取代，从气候变化到过时的污水系统释放的新兴污染物。
可以说，了解淡水生态系统的健康状况从未如此重要。要有效地做到这一点，就需要对现有的物种进行广泛监测。这只有通过将新技术（包括分析来自粪便、粘液和组织碎片等各种来源的 eDNA）与传统监测计划相结合才能实现。
当前监测生物多样性的方法
当前淡水生物多样性监测主要集中在相对较窄的动物群体——鱼类和大型无脊椎动物。
通常用“电捕鱼”来监测鱼类，即电流通过水，暂时击晕鱼。浮到水面的鱼都会被识别和计数。
大型无脊椎动物主要通过“踢网采样”来收集，即一个人站在河里，踢起沉积物，然后用网捕获顺流漂浮的东西。
这两种方法都有局限性。使用电捕鱼时，由于河流之间的电导率不同，很难在采样过程中保持电流一致。较大的鱼也更容易受到电击，因此可能会错过较小的鱼，从而导致偏差。
通过踢网采样，某些河流基质可以产生更好的效果，而有些物种则更善于避开或从网中溜走。
这两种方法，有些站点可能根本不适合。站点之间的标准化可能很困难，因此结果可能取决于采样员的经验。这些方法也耗时费力，最重要的是具有破坏性。
环境DNA
另一方面，可以从水样中过滤出 eDNA ，从过滤器中提取，分析感兴趣的分类群，然后在称为“metabarcoding”的过程中进行测序。这使我们能够将结果与数据库进行交叉引用，从而识别 DNA 所来自的生物体。
使用 eDNA 有很多优势。这项工作很容易实现标准化和自动化。样本采集简单，不需要专业知识，允许公民科学家参与。可以识别更广泛的生物，包括大量较小的生物。最重要的是，它不会干扰环境。
但环境DNA分析并非没有局限性。与可能对单个鱼进行计数的传统方法不同，环境DNA无法区分幼年鲑鱼和产卵的成年鲑鱼。它还缺乏使用传统分析方法建立的丰富的数十年数据集。这可能使使用环境DNA结果来指导当前的保护政策变得困难。
还有人担心，在河流中，你只能检测到从上游几公里外运输过来的生物的 eDNA，这阻止你了解整个河流流域中物种信号来自何处。这将使 eDNA 成为了解生物多样性变化的糟糕工具。
然而，我们最近的研究表明事实并非如此。我们在一年中从北威尔士的康威河的 14 个地点和 19 个时间点采集了 798 个水样。我们还从英格兰、瑞士和美国的河流中采集了样本。我们的研究表明，不同生物在河中脱落的 DNA 不会传播很远。大多数 DNA 太微弱，在下游一公里处就无法检测到。
这是个好消息——因为从一条河流中采集到的每个环境 DNA 样本都代表了相对较小的一部分，这使我们能够检测河流集水区内生物分布的变化。有了这些信息，研究人员可以开始找出导致生物多样性下降的原因，即使是在淡水生态系统的局部地区，然后找出如何阻止它。
随着 eDNA 分析的普及，像我们这样的科学家正在努力弥合研究与现实世界保护之间的差距。UKDNA工作组等计划促进了合作，使我们能够与政府机构和环境利益相关者分享知识。通过构建全面的数据集来捕捉空间和时间上的生物多样性变化，我们可以揭开 eDNA 中隐藏的秘密。
这些新发现是制定有效管理解决方案的关键，并将确保我们珍贵的淡水生态系统拥有更美好的未来。
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