这些吸食海水的机器人利用漂流基因制作海洋客人日志

与泥土上的足迹不同，海洋中动物留下的足迹更难发现。这对于不想被跟踪的生物来说是件好事，但对于想要研究某些生物在哪里以及它们如何在不断变化的水生世界中移动的研究人员来说却不方便。

然而，困难并不意味着不可能。事实上，通过测量环境 DNA（或称 eDNA，稍后会详细介绍）的分布，科学家无需使用相机或通过水听器即可识别哪些动物访问过特定区域。来自蒙特利湾水族馆研究所和美国国家海洋和大气管理局的海洋科学家团队在上周发表于《环境 DNA》杂志的一项新研究中证明，他们可以有效地部署一批专用机器人来收集此类证据。

这种自主的 eDNA 收集技术可能对研究气候变化对海洋动物行为影响的科学家以及关注濒危和入侵物种的科学家有用。

所有生物都会通过粘液、废物和脱落的死皮细胞散落遗传物质的痕迹。一些有机物像海洋雪一样落入水柱中。收集的海水样本中可能存在大量这样的自由漂浮物质，这些物质就是所谓的环境 DNA（或 eDNA）。不同物种具有独特的特定遗传密码，当对这些样本进行测序时，这些基因片段可以像条形码一样用于扫描特定动物群的存在 - 这一过程也称为 eDNA 元条形码。即使是鱼鳞也可以提供有关经过该地区的生物的宝贵遗传信息。

[相关：科学家正在追踪具有自由漂浮 DNA 的深海生物]

根据 MBARI 的新闻稿，专为追踪这些 eDNA 而设计的机器人是一种远程自主水下航行器，配备了“环境样本处理器”，可充当一种“罐中实验室”。当机器人独自穿越数英里无边无际的海洋时，它可以吸取和筛选经过的海水，以寻找动物、病毒和微生物留下的遗传残留物。在平台内部，化学物质会分解悬浮在样本中的有机碎片，释放蛋白质和 DNA 链。ESP 平台有一个转盘，可以在一次部署中收集、处理和保存多达 60 个海水样本。

“我们可以提取 DNA，并使用类似于法医技术的技术来获取 DNA 序列并将其放入数据库中，”MBARI 高级研究技术员、论文作者 Kobun Truelove 说道。“但它不是嫌疑人的法医数据库，而是生活在海洋环境中的动物的生物数据库，我们会尝试将 DNA 序列与之匹配。”

为了进行这项研究，机器人、MBARI 的三艘研究船和 NOAA 渔业船 Reuben Lasker 在 2017 年和 2018 年期间在北加州蒙特利湾国家海洋保护区海岸完成了三次探险，在相隔约半英里的相似地点、水深和时间收集配对样本。目的是将机器人收集的样本结果与船舶收集的样本结果进行比较。

如果没有机器人，人类船员和科学家就必须不断地将瓶子从船边扔进水中。瓶子将被放入预设的深度，然后打开并立即关闭以吸水并将其带回船上。使用包含 ESP 平台的机器人自动收集和处理 eDNA 可以提供一种方法来扩大这种方法的海洋生物多样性监测范围，并将其覆盖范围扩大到历史上研究不足或船只前往成本昂贵的偏远海洋地区。

[相关：这些自由漂浮的机器人可以监测海洋的健康状况]

样本通过船舶和机器人采集后，会运回实验室进行处理，Truelove 称，这种技术是一种“更广泛的多样性 PCR”，可以复制基因并将其与已知物种的基因进行比较。研究小组使用一种 PCR 来筛查各种细菌，然后使用可以筛查无脊椎动物、海藻和脊椎动物（从凤尾鱼到蓝鲸）的 PCR 沿着食物链向上筛查。对广泛的物种和科进行采样而不是寻找特定的生物，可以更全面地了解生态系统的现状。通过测量海洋生物多样性（现存的生物群落以及每种生物的数量），科学家可以预测不同物种如何应对生态系统的变化以及这种变化可能如何影响食物网。

总体而言，机器人和船上方法都观察到了相同的大规模模式，除了某些鱼类和无脊椎动物的数量略有不同。造成这种差异的原因之一可能是即使相隔几米，海洋环境也不同。另一个原因可能是每种技术取水的方式不同。船上的瓶子可以在眨眼间取 5 到 10 升水，而车辆需要一个小时才能取一升。“在这段时间内，它取到的水可能略有不同，”Truelove 说。

除了节省船员和船舶运营成本外，机器人还能做船舶无法做到的事情。例如，这些机器人可以在水流中随波漂流，同时采集水样。“我们接下来的研究之一是，当机器人在蒙特利湾的强流中漂流时，环境 DNA 的信号会是什么样子，看看我们在水流中发现的物种模式与水流外相比是否存在差异，”Truelove 说。“对于大型船舶来说，这很难做到——在那样的水流中有效漂流并持续采样。”

目前，机器人在收集完 60 个样本后仍需返回实验室进行基因分析，但团队正在努力实现整个分子实验室的自动化，并将其小型化，以适应其中一辆自动驾驶汽车，Truelove 说道。“我们现在正在努力在未来几年内，让从样本采集到 DNA 测序和数据分析的所有工作都能在汽车上完成。”