無人機在生物多樣性尖端研究中採集DNA碎片
機器人科學與遺傳科學聯合運用於一項技術，此舉可能改變我們對地球生物多樣性的認知。一個位於蘇黎世的團隊正在角逐一項價值數百萬美元的大獎，他們在試驗一種革命性的方法，運用無人機進行環境DNA分析。
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蘇黎世動物園的紅狐猴已習慣了人類的喧鬧聲，但清晨人類的來訪對牠們來說尚屬稀奇。因為牠們居住的溫室還要兩個小時才會對遊客開放。在雨林館中心位置，牠們用有些疑惑的眼神觀察著樹冠走道上的一群人。
這支團隊並非來觀察熱帶動植物，他們操作著電子設備和滑輪，目的是從環境中採集DNA，這個過程融合了機器人技術和遺傳技術。
這個試驗日後將在動物園之外的環境中進行複製。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的遺傳學教授克里斯蒂·迪娜(Kristy Deiner)解釋說：“生物多樣性正在以我們無法控制的速度迅速流失，部分原因在於我們在關鍵時刻缺乏相應的工具和數據。”
她的團隊正在測試的這項技術，旨在加速生物多樣性數據的收集，迪娜解釋說。我們離開觀察平台，進入茂盛的植被，走向一群學生。他們正在搭建一個便攜實驗室，而在幾米外，一個水泵正在從一個池塘裡抽水。
這個微型實驗室可以對環境DNA進行測序，每個生物排出的遺傳物質能在各個地方找到：水、空氣、土壤、樹枝，甚至在你閱讀這篇文章的設備屏幕上。環境DNA分析是一種迅速興起的研究方法，開闢了一些新的可能性，而這些可能性在幾年前是無法想像的。當時，如果要列舉出某個地方存在的物種，必須由能夠識別牠們的生物學家親自去實地考察。
如今，從一小管水樣或者一條劃過樹枝的粘帶上，我們可以提取的資訊已經遠超過一支生物學家團隊在叢林裡扎營數日所能收集到的資訊。
疫情催生新解決方案
過去十年裡，迪娜一直致力於提高環境DNA分析方法和工具的效率。蘇黎世動物園池塘旁邊的這個微型實驗室就是她的工作成果。此實驗室可以在樣本採集地直接對遺傳物質進行測序，幾小時內就能出結果，無需將樣本送至其他地方，這降低了樣本被調查區域外的遺傳物質污染的風險。
迪娜表示：“疫情加速了這項技術的發展，當時病毒檢測實驗室如雨後春筍般湧現出來。”
“過去四年裡，為了思考如何在能源等資源有限的地方進行檢測，人們做出了許多創新。”她解釋道。
但樣本採集問題依然存在，而這正是機器人能夠發揮作用的領域。
利用無人機和探頭採集環境DNA
遺傳學和機器人學的交叉領域並不多見。然而，當蘇黎世聯邦理工學院的機器人學教授斯特凡諾·明切夫(Stefano Mintchev)得知美國非盈利機構XPRIZE基金會舉辦的一項競賽時，他立即聯繫了同事克里斯蒂·迪娜。兩年前，他們共同建立了瑞士聯邦理工學院BiodivX團隊，並報名參與了這場競賽，競賽團隊需要在盡可能短的時間內檢測和識別出盡可能多的物種。
迪娜懂得如何分析環境DNA，而明切夫則擅長在實地採集樣本。為了準備這次競賽，研究團隊對無人機進行了改裝，安裝了可以從空氣中過濾環境DNA的設備，以及一個可以連接水泵或特殊探頭的滑輪。
探頭會降至樹木和灌木中間，採集葉片和枝條上沉積的遺傳物質，然後無人機將樣本帶回微型實驗室。
這個想法聽起來簡單，但實施起來並非易事。 “我們必須在探頭的設計和控制算法上做很多優化工作，以防止探頭被樹枝掛住，”明切夫解釋道。測量纜線張力的傳感器可以觸發解脫動作，如果失敗，可主動啟動纜線與機身分離機制。
所有這些工作都是在為競賽的半決賽做準備，半決賽於6月初在新加坡的一片100公頃的熱帶雨林區(約兩個高爾夫球場大小)舉行。如果團隊成功晉級(結果預計在7月底公佈)，他們將參加2024年在南美或非洲熱帶雨林中舉行的決賽。總獎金高達1’000萬美元，其中500萬美元將頒發給冠軍團隊。
為了做好準備，瑞士聯邦理工學院團隊必須在熱帶植被上測試其特製設備。幸運的是，瑞士也有一片雨林，它位於蘇黎世動物園的馬蘇阿拉雨林館(Masoala Hall)。在這座寬敞的溫室裡，除了紅狐猴外，還生活著約40種動物和500種植物。
蘇黎世動物園的研究主管萊拉·戴維斯(Leyla Davis)表示：“開展研究是現代動物園的職責之一。”她還指出：“我們與各理工學院和大學合作開展其中的一部分研究。”馬蘇阿拉雨林館中的每一種脊椎動物都已被編入目錄，這使得瑞士聯邦理工學院的研究團隊能夠近乎實時地驗證所收集的DNA是否與館內的物種相匹配。
尚待揭秘的百萬物種
不論瑞士聯邦理工學院團隊在XPRIZE雨林競賽中的表現如何，他們正在開發的研究方法和工具，無疑會在許多領域具有應用價值。比如在農業領域，這些方法能快速檢測出害蟲。
“無人機讓我們能夠進入那些過於茂密、偏遠或者危險的區域，其他方式往往難以觸及，”專門研究環境DNA的多倫多約克大學生物學家伊麗莎白·克萊爾(Elizabeth Clare)說，“這個技術能用於解析遺傳物質如何在空氣中流動和分層。”但她同時也表示，將這種技術自動化以實現更大規模的應用，將是最大的挑戰，因為“無人機操作仍然需要高度專業化的技能”。
然而，對於可能的新發現，瑞士聯邦理工學院團隊感到無比激動。在大自然中，生物學家常常會發現尚未在數據庫中記錄的遺傳物質，因此無法將其與已知物種對應。但是當他們分析環境DNA時，會發現特定的序列在不同地方多次出現，這時他們可以推斷這些序列可能屬於科學界尚未知曉的新物種。
科學家們估計地球上有超過800萬種物種(其中大約四分之一已被編目)，但這僅僅是基於歷史上科學發現新物種的速度所做出的推測。 “現在，我們有了一種新的方法，可以驗證這個推測是否準確。這是我們探索世界的新篇章，”迪娜微笑著說，“這讓我想起了幾個世紀前的航海家們，他們駕船航行發現新大陸。如今，我們也有了新的‘航船’，可以乘其駛向未知領域。”
(譯自意大利語：瑞士資訊中文部，編輯：Sabrina Weiss)
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