海洋研究的新前沿：eDNA 和成像如何彻底改变深海生物多样性研究
由于取样方法和数据收集技术的创新，海洋生态系统的研究取得了重大进展，尤其是那些位于深海海山等偏远且具有挑战性的环境中的研究。Takuyo-Daigo 海山是位于太平洋的一个著名水下地貌，已成为研究人员研究深海生物多样性（尤其是其鱼类群落）的焦点。
为了全面了解这些生态系统中的生态过程，科学家们采用了两种尖端技术：环境 DNA (eDNA) 分析和成像技术。这些方法通过提供高效、非侵入性的方式来对生物多样性进行分类、研究物种相互作用和监测环境变化，而不会干扰正在研究的生态系统，从而彻底改变了海洋生物学。
事实证明，使用环境 DNA 和成像技术可以有效评估生物多样性、追踪物种分布以及应对深海采矿等人为威胁。
Takuyo-Daigo海山的深海生态系统
位于太平洋北缘的Takuyo-Daigo 海山是一座孤立的海底山脉，以其独特的地质和生物学特征而闻名。海山是海洋中重要的生物多样性热点，为各种物种提供栖息地，包括深海鱼类、底栖生物和无脊椎动物。这些水下生态系统受到洋流、温度梯度和上升区等复杂海洋条件的影响，这些因素促成了海山周围独特的生物多样性。
Takuyo-Daigo 海山因其丰富的生物多样性而引人注目，其中包括许多适应深海极端条件的鱼类。然而，与其他海山生态系统一样，Takuyo-Daigo 海山也容易受到深海采矿、气候变化和污染等人为威胁。尽管它具有生态重要性，但由于在深海环境中进行研究的挑战，人们对这些生态系统中的大部分生物多样性仍然了解甚少。
然而，基线数据对于监测生态系统的变化至关重要，尤其是在深海采矿等新兴威胁面前。基线数据使研究人员能够建立一个参考点，以此来衡量未来的生态变化。就 Takuyo-Daigo 海山而言，了解鱼类群落及其与其他物种的相互作用以及生态系统的整体健康状况对于评估未来开采活动的潜在影响至关重要。
环境 DNA (eDNA) 和成像
环境 DNA (eDNA) 是指生物通过蜕皮、排泄废物或死亡等过程释放到环境中的遗传物质。通过分析水或沉积物样本，科学家无需直接观察或捕获即可检测出某个区域内物种的存在。近年来，eDNA 已成为评估陆地和海洋环境生物多样性的有力工具。
eDNA 的主要优势在于它能够检测出那些难以通过拖网或水下调查等传统方法观察或采样的物种。在深海生态系统中，物种通常稀有、难以捉摸或分布在难以到达的地区，eDNA 提供了一种非侵入性且经济高效的大面积调查方法。此外，eDNA 还可以检测从大型鱼类到微小浮游生物等各种生物，从而更全面地了解生态系统的生物多样性。
除了 eDNA，配备高分辨率摄像头的遥控潜水器 (ROV) 和自主水下航行器 (AUV) 等成像技术已成为研究深海生态系统不可或缺的工具。这些技术使研究人员能够实时捕捉鱼类群落和其他海洋生物在其自然栖息地中的画面，从而为物种行为、种群密度和相互作用提供宝贵见解。
成像技术（包括声纳和视频调查）对于了解海山栖息地的物理特征（例如岩石露头、深海喷口和沉积物覆盖区域）特别有用。通过将图像数据与 eDNA 样本相结合，研究人员可以交叉验证研究结果，并更全面地了解 Takuyo-Daigo 海山周围的生物多样性。
调查深海鱼类生物多样性
对 Takuyo-Daigo 海山深海鱼类群落的研究的主要目标是使用 eDNA 和成像技术的组合来评估该地区的生物多样性。通过比较这两种方法，研究人员旨在评估它们的有效性并确定它们如何相互补充以捕获全谱物种。鉴于人们对深海采矿的兴趣日益浓厚，这项研究具有特别重要的意义，因为它为评估此类活动的潜在生态影响建立了一个基线。
该研究的一个关键方面是比较不同的环境 DNA 采样方法。研究人员从海水和海绵样本中收集环境 DNA，这些样本被用作被动采样器，用于捕获鱼类和其他海洋生物脱落的 DNA。海水样本是收集环境 DNA 的常用方法，但由于海绵具有过滤和生物累积特性，因此海绵提供了另一种采样周围环境的方法。
海水和海绵样本的比较表明，海绵样本可能是一种更有效的鱼类 DNA 检测方法，特别是对于那些在开放水域中数量较少或难以检测的物种。然而，海水样本也提供了关于在水中更灵活和分散的物种的宝贵信息。结果强调了不同采样技术的互补性，并表明可能需要结合多种方法来进行全面的生物多样性评估。
研究人员利用环境 DNA 和成像技术，在拓洋-大子海山周围的海域发现了各种各样的鱼类。其中包括常见和稀有物种，其中一些物种此前从未在该地区出现过。能够检测到通过传统方法很少见到的难以捉摸的物种，进一步凸显了环境 DNA 在研究深海生物多样性方面的价值。
同时，成像调查通过环境 DNA 为检测到的物种提供了视觉确认，从而可以更准确地估计种群密度和观察行为。环境 DNA 和成像之间的这种协同作用有助于更深入地了解海山周围的鱼类群落，为更广泛的深海生态学领域做出贡献。
DNA (eDNA) 和成像局限性
虽然eDNA和成像的结合已被证明可以有效评估生物多样性，但研究人员在深海环境中工作时必须考虑一些挑战和局限性。
使用 eDNA 进行深海生物多样性研究的主要挑战之一是污染的可能性。由于 eDNA 可以通过水流长距离传播，因此确保样本中检测到的 DNA 准确归因于研究区域中的物种至关重要。此外，水温、盐度和其他生物的存在等环境因素会影响 eDNA 的降解和持久性，从而使解释变得复杂。
另一个限制是，eDNA 无法提供物种丰度的信息，因为它只能检测遗传物质的存在与否。因此，研究人员需要使用其他定量方法（如成像或传统采样技术）来补充 eDNA 数据，以估计物种丰度。
虽然成像提供了宝贵的视觉数据，但成像设备的深度和范围存在局限性。例如，高分辨率相机在深海环境中可能难以获得清晰的视野，因为深海环境中光线较弱，浑浊的海水会阻碍清晰的成像。此外，成像还受到所用 ROV 或 AUV 的尺寸和机动性的限制，它们可能无法有效覆盖海山的广阔区域。
尽管存在这些挑战，但成像技术的进步，例如改进的声纳系统和更强大的相机，有望在未来提高视觉调查的有效性。
思考
深海环境中的 eDNA 特征在不同季节、海洋条件和深度下如何在空间和时间上变化？
在物种检测和生物多样性评估方面，基于 eDNA 的方法与传统技术（例如通过 ROV 或拖网直接观察）相比如何？
参考文献：Akira Iguchi, Miyuki Nishijima, Eri Ikeuchi, Hiroyuki Yokooka, Hideki Sugishima, Kazumasa Ikeda, Ryuichi Miwa, Yoshiro Sekido, Nozomu Iwasaki, Masahiro Suzumura, Ayumi Tsukasaki, Yuichiro Tanaka, Shogo Kato, Jumpei Minatoya, Nobuyuki Okamoto, Taiga Kunishima, Yuji Ise & Atsushi Suzuki, Utilizing environmental DNA and imaging to study the deep-sea fish community of Takuyo-Daigo Seamount. npj Biodiversity volume 3, Article number: 14 (2024) ,doi. s44185-024-00042-w
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