科学家们如何使用DNA来监视鲸鱼并找到灭绝的鱼类

2014年，玛丽亚·普弗莱格(Mariah Pfleger)自愿从阿拉巴马州的莫比尔河流域(Mobile River Basin)筛选水样时，她并没有期待解决生物学中最令人沮丧的失踪鱼类病例之一。Pfleger当时是一名研究生，现在是Oceana的一名科学家，他同意帮助一位朋友追踪一只生活在阿拉巴马州的鲟鱼的证据 - 这是一种自2009年以来未见过的鱼。不过，Pfleger不会去寻找活鲟鱼，而是寻找它的基因。

“环境DNA”或eDNA是一种新兴技术，可让科学家从他们留下的微小组织中识别水生动物。早期采用者说，现场研究的标准装备 - 昂贵的船只，船员，水肺潜水员和标本罐 - 有朝一日可能被遗传学家和一升水取代。

喜欢烤饼干

阿拉巴马鲟鱼是一种赤褐色的，一公斤(2到3磅)的鱼，具有坚硬的盔甲状鳞片。鲟鱼家族中最稀有的成员，它是鱼子酱市场的牺牲品，以及切断其河流栖息地的水坝。

2009年，研究人员失去了与唯一已知的阿拉巴马州生活鲟鱼的接触，当时这只鱼是男性，他的跟踪标签破了或丢失了。尽管Pfleger所说的“极端”搜索努力，但自那时以来，他的物种中没有其他成员被发现。

Pfleger的任务是找出是否有任何看不见的鲟鱼甚至可以从其历史范围内的地点抽取水中的鳞片，粘液或排泄物。

对于每个样本，Pfleger经历了一个多步骤过程，导致可能数千种物种的基因浆液。Pfleger说，这个过程非常耗时，但并不难：“如果你能烤饼干，你可以做遗传学。”

遗传鬼

为了判断这些碎片是否属于阿拉巴马鲟，Pfleger然后应用了一种“引物” - 一种仅与单一物种的DNA结合的化合物。一开始，它进展缓慢。

“我跑了几百个样本，没有任何事情发生，”Pfleger说。“有多种原因令人伤心：鲟鱼很伤心，而且我不得不连续工作多个小时。这在道德上是失败的。”

但失败转向胜利。有一天，一些DNA被证实对长期失踪的鲟鱼呈阳性反应。对数据库的检查确认了匹配。在此之后，又有17项结果回归正面 - 令人担心阿拉巴马州的鲟鱼已经灭绝。

Pfleger说，由于每个样本都与特定地点相关联，因此鲟鱼搜索方现在可以缩小搜索范围。最终目标是让官员捕获足够的鱼以在圈养中繁殖它们 - 也许是为了识别和清除最具破坏性的水坝。

至于eDNA，Pfleger得到了高度赞扬：“它是目前最酷的生物工具。”

一升的海洋

到目前为止，eDNA已经在河流中取得了最大的成功。由于海洋环境巨大而复杂，这种技术的海洋应用已经落后。但加利福尼亚州蒙特雷海洋解决方案中心的研究人员正在开始改变这种状况。

2014年，一支团队转向蒙特利湾水族馆，观察eDNA是否能识别出450万升(100万加仑)开放式海洋水族箱中游泳的物种。在对1升水箱中的遗传物质进行测序后，他们将水族馆的鱼，鲨鱼和海龟列表与它们产生的相比较。

“事实证明，我们能够成功识别所有的骨鱼，”海洋解决方案中心的科学主任拉里克劳德说。“我们使用的第一个探头几乎看到了坦克中的所有东西。”

一年后，该团队在一个不太受控制的环境中对eDNA进行了测试：蒙特利湾。他们与训练有素的潜水员进行了对比 - 目前最好的方法是计算海洋动物及其丰富的海水样本。环境DNA再次以绚丽的色彩传递。

“令人瞩目的是，只有一种鱼类，潜水员看到DNA没有捡到，”克劳德说。“DNA摄入的脊椎动物数量几乎是潜水员记录的两倍。”

eDNA样本因栖息地类型而显着不同 - 这是一个“相当令人惊讶”的结果，因为有些地点仅相隔60米(200英尺)。“事实证明，你在eDNA样本中看到的有机体是你期望在这些栖息地生存的有机体，”克劳德说。克劳德补充说，由于DNA在海洋中在一两天内降解，每个样本可能代表一个准确的，有时间限制的位置快照：“给定空间和时间，这可能是一种非常高分辨率的技术。”

更好，更快，更便宜

虽然克劳德承认eDNA“有很多需要解决的问题”，但他预测未来将发生重大变化。

克劳德指出，在过去的10年里，eDNA测序的成本已经下降了几个数量级。进一步下滑可能使eDNA成为现金拮据的政府机构和环保组织的改变者。

并且因为样本中DNA链的数量与物种的丰度成正比，进一步的改进可能使eDNA成为一个重要的工具，不仅可以告诉动物是否存在，而且还有多少个体 - 对管理者有很大的帮助需要跟踪濒临灭绝的鲸鱼或具有商业价值的鱼类。

“我们认为它可能具有破坏性，”克劳德说。“这与我们之前使用的任何方法完全不同。”