【前言】“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編近日讀到了這項2023年8月17日發(fā)表于《Remote Sensing in Ecology and Conservation》上的研究文章，題為《結(jié)合環(huán)境DNA與遙感變量繪制大型河流魚類物種分布圖》。雖然不算太新（2023年發(fā)表的），但是很有意思。該研究團隊巧妙地融合了環(huán)境DNA（eDNA）宏條形碼技術(shù)與高分辨率遙感數(shù)據(jù)，并借助機器學(xué)習(xí)模型，成功繪制了瑞士和法國境內(nèi)羅訥河魚類物種的分布圖，其最大的亮點在于開創(chuàng)了一種快速、高效且精確地監(jiān)測大型河流生物多樣性的新方法，尤其是在缺乏傳統(tǒng)調(diào)查數(shù)據(jù)的區(qū)域，展現(xiàn)了遙感變量在近似魚類物種分布生態(tài)決定因素方面的巨大潛力，為未來的河流保護和管理提供了強有力的技術(shù)支撐。

一條河里到底有多少種魚？又是哪些魚，喜歡生活在什么地方？過去，我們要了解這些問題，往往得靠人下河去撈魚、數(shù)魚，還要分類、做記錄，真的是又辛苦又花時間。而現(xiàn)在，科學(xué)家們用一種新辦法，居然可以“從水里讀出魚的蹤跡”，甚至還可以用衛(wèi)星來“看魚”。這可不是科幻小說，而是真真實實發(fā)生在法國和瑞士之間那條叫“羅訥河”的大河上的最新科學(xué)研究。

這條河，全長800多公里，從阿爾卑斯山流出來，一直流到法國南部地中海，是歐洲重要的河流之一。河里不僅風(fēng)景美，還有很多種魚。可是近年來，隨著人類活動越來越多，比如修建水壩、城市擴張、氣候變暖，河里的生態(tài)系統(tǒng)也慢慢變了，很多地方的魚都少了，甚至有的地方都找不到以前常見的魚類了。

那么，怎么才能知道這些魚還在不在？它們搬家了嗎？還是環(huán)境變差了？科學(xué)家們就想出了個新招兒，把高科技用到了河流里。這次研究，他們主要用的是兩個工具：一個叫“環(huán)境DNA”（eDNA），一個叫“遙感衛(wèi)星”。

什么是環(huán)境DNA？********聽著怪，其實很簡單環(huán)境DNA這個詞，聽著有點嚇人，其實挺好懂。我們?nèi)祟?、動物在環(huán)境中活動時，身體總會掉點“東西”——比如皮膚細(xì)胞、毛發(fā)、排泄物等等。魚在水里游來游去，也會留下自己的痕跡，這些痕跡里就含有魚的DNA。科學(xué)家只要從水里取一點樣本，再用儀器一測，就能知道這片水里曾經(jīng)有什么魚出現(xiàn)過。

就像你走在沙灘上會留下腳印，魚在水里也會留下“DNA腳印”。所以，這種辦法非常適合監(jiān)測水里的生物，不用打撈、不傷害動物，也不會破壞環(huán)境。是不是很神奇？

在這項研究中，科學(xué)家就在羅訥河流域選了110個點取水樣。經(jīng)過分析，他們一共識別出了71種魚類，其中有29種是比較常見、數(shù)據(jù)比較完整的，于是就選它們來進一步做分布研究。

上圖：羅訥河在瑞士和法國境內(nèi)的環(huán)境DNA（eDNA）采樣點分布（背景地圖）。同時，插入的小地圖展示了三個采樣點（A、B、C）的遙感變量數(shù)值，包括營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）、樹冠高度和河流表面水溫（RST）。為了更清晰地展示，A、B、C三個點的比例尺不同，并且這三個變量使用了不同的顏色映射。圖源：Zong, Shuo, et al.（2024）

****魚的DNA有了，********那衛(wèi)星又是干嘛的？****你可能會好奇，查魚不是在水里做事嗎？衛(wèi)星離水那么遠，怎么幫得上忙？

原來，衛(wèi)星上的遙感儀器可以拍攝地面，還能測出水的溫度、顏色、透明度，甚至還能判斷水中有沒有很多浮游植物，是不是有營養(yǎng)過剩的問題。除了水本身，衛(wèi)星還能“看”到岸邊的植被覆蓋、地形坡度、城市分布等等。這些都是影響魚類生活的重要環(huán)境因素。

比方說，有些魚喜歡清澈的水，有些魚能適應(yīng)泥多的渾水；有的魚喜歡水冷一點，有的魚適合在溫暖的地方生活……這些信息，衛(wèi)星能幫我們抓個大概。

所以，科學(xué)家就把這些衛(wèi)星獲取的信息，和eDNA得到的“哪兒有哪種魚”的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，喂進電腦里，用一種叫“機器學(xué)習(xí)”的方法建模。簡單來說，就是讓電腦通過分析這些數(shù)據(jù)，學(xué)會哪些地方更可能有哪種魚。

他們用了三種不同的模型，分別是GLM（廣義線性模型）、GBM（梯度提升模型）和RF（隨機森林模型）。這幾個模型名字聽著復(fù)雜，其實可以理解成不同風(fēng)格的“人工智能”，它們都能從大量數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，最后再預(yù)測其他地方是不是也有相同的魚類。

****研究結(jié)果：有些魚愛干凈，有些魚喜歡“熱鬧”****模型跑出來之后，科學(xué)家就能看到一個個物種的“熱點圖”。也就是說，哪些地方適合某種魚，哪些地方不太適合。

比如，像刺魚、狗魚這些魚類，它們就偏愛冷一點、清一點、水流快的上游河段。這就跟人有的喜歡高山清泉，有的喜歡大城市一樣，魚的“性格”也不一樣。

而像鯉魚這種在中國也很常見的魚，它們更能忍受水溫高、透明度低的水域，喜歡下游一些相對“熱鬧”的地方。

除此之外，地形坡度、水中的葉綠素含量、水體透明度、初級生產(chǎn)力（也就是浮游植物多不多）等因素，對魚的分布也有很大影響。這些信息原來科學(xué)家們只能靠經(jīng)驗、慢慢摸索；現(xiàn)在有了遙感和eDNA，就能一次性地快速搞清楚。

整個河流的魚類分布，********有個“從源頭到?？凇钡拇笠?guī)律科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，整個羅訥河魚類分布有一個明顯的“空間梯度”——從源頭往下游走，物種組成也在發(fā)生變化。上游水清流急，魚的種類相對少一些，但多是耐寒、喜歡氧氣足的魚；到了中下游，水慢了，溫度升了，魚的種類也多起來。

這種規(guī)律，其實在中國的長江、黃河、珠江等大河里也可能存在。只是過去我們沒有這樣大規(guī)模結(jié)合eDNA和遙感的研究方式，現(xiàn)在總算有了一種全新的手段。

環(huán)境DNA（eDNA）在水生物多樣性監(jiān)測中扮演著日益重要的角色。eDNA技術(shù)能夠以非侵入式的方式快速、高效地檢測水域中存在的各種生物，從微生物到魚類等大型生物，“盡收羅網(wǎng)”。相較于傳統(tǒng)的捕撈、觀察等方法，eDNA具有更高的靈敏度，能夠發(fā)現(xiàn)稀有或難以捉摸的物種，并能同時監(jiān)測多個物種，從而更全面地評估水生生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和生物多樣性，為保護工作提供關(guān)鍵信息。?Linda Wong | 綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）（CC BY-SA 4.0）

****這項研究和老百姓有啥關(guān)系呢？****讀者可能會說，這么多數(shù)據(jù)、模型、圖表，聽起來挺厲害的，可跟我有啥關(guān)系？

其實關(guān)系可大了。我們現(xiàn)在正面對一個全球性的難題：很多淡水魚類正面臨滅絕風(fēng)險。根據(jù)聯(lián)合國的數(shù)據(jù)，全球有三分之一的淡水魚類面臨滅絕威脅，而它們很多是我們食物鏈的重要一環(huán)。更不用說，魚類的存在也能反映出水質(zhì)好不好、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)不穩(wěn)定。

有了這種新方法，政府/環(huán)境部門就可以用更高效、更便宜的方式來監(jiān)測河流健康，不需要年年組織大規(guī)模人力下河搞調(diào)查，只要定期取點水樣，加上衛(wèi)星數(shù)據(jù)，就能了解整個流域的生態(tài)狀態(tài)。

而我們普通人也可以從中受益，比如——我們吃的魚是不是來自健康的水體？我們的水源地有沒有問題？哪里適合發(fā)展生態(tài)旅游、觀魚、釣魚？……甚至還可以在城市河道治理、濕地恢復(fù)中提供參考。

**未來，或許成為一張“活的河流地圖”**最讓人激動的是，這項研究展示了一種可能性——也許未來我們真的可以擁有一張“活的河流地圖”。這張地圖，不光是地形地貌，更重要的是記錄著各種魚類、植物、微生物的分布和變化，就像給整個河流裝上了“生態(tài)體溫計”。

而且，這種方法也不光適合羅訥河，還可以推廣到中國的長江、黃河，甚至到湖泊、濕地、海岸。只要水里有DNA，就有可能被“讀”出來；只要天上有衛(wèi)星，就可以看到地面的變化。

如此一來，科學(xué)家已經(jīng)不再只是“拿網(wǎng)撈魚”的人了，而是像偵探一樣，用各種技術(shù)線索，還原水下世界的真實面貌。也許以后，我們只需一瓶水、一張圖，就能知道一個地方生態(tài)好不好，有沒有“魚來魚往”的生命活力。

說到底，這項研究讓我們重新認(rèn)識了“水”的神奇。水不僅能滋養(yǎng)萬物，它還像一本記事本，悄悄地記下了所有經(jīng)過這里的“生命故事”。魚游過去留下DNA，人類也留下了自己的痕跡——只是我們過去看不見、聽不到。現(xiàn)在，科學(xué)家用新的方法，幫我們“聽見”了這些聲音，“看見”了這些痕跡。

其實，eDNA的應(yīng)用不僅是水生生物。就拿昆蟲來說，過去，研究人員通常需要直接捕捉昆蟲才能獲取它們的DNA進行物種鑒定或生態(tài)研究；而有研究表明，這類昆蟲在與野生花卉互動后，會將自身的環(huán)境DNA（eDNA）遺留在花朵上。當(dāng)昆蟲在花朵上停留、覓食花蜜或花粉，或者僅僅是爬行時，它們身體的某些細(xì)胞、分泌物（如唾液、排泄物）、脫落的毛發(fā)或表皮等都可能附著在花朵的結(jié)構(gòu)上，例如花瓣、花蕊等。這些物質(zhì)中就包含了該昆蟲的DNA。上圖是一株射干植物上的野蜜蜂。?Linda Wong | 綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

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文 | 王海詩（Amphitrite Wong）

審核 | Richard

排版 | 綠葉

參考資料略