隱藏在環境中的DNA：解碼生態奧秘的新篇章

在伊利湖的中央，漂浮著一座豪華的水療中心。這裡不僅有桑拿、蒸汽房，甚至還有一間充滿雪花的冰室。樓上則是奢華的休息區、巨大的圖書館、由知名藝術家策劃的藝術收藏，以及擁有落地窗的全景演講廳。乘客們在專業侍酒師的陪伴下，享受著精緻的餐飲體驗。然而，在這艘維京遊輪的下一層，卻隱藏著一座最先進的實驗室，配備了高科技裝置，甚至還有兩艘價值數百萬美元的潛水艇，能夠將乘客帶到水下300公尺深處。科學家團隊正在即時分析水樣，追蹤浮游生物的基因指紋，探索環境DNA（eDNA）的奧秘。

環境DNA是指漂浮在水中、空氣中或殘留在土壤中的微小基因片段。每當生物經過某個環境時，都會留下這些微小的基因痕跡。雖然科學家在幾十年前就發現了這些基因片段的蹤跡，但隨著強大的基因定序技術的發展，現在他們能夠透過eDNA來描繪食物網、揭示瀕危物種的蹤跡，甚至偵測人類與野生動物衝突區域中的潛在掠食者。

然而，這項技術面臨一個挑戰：它產生的資料量過於龐大，科學家們難以全面分析。為此，研究人員正致力於將人工智慧（AI）與尖端定序技術結合，以快速識別生態系統中生物種類和數量的變化。最終，這些資訊將提供地球運作的即時檢視，並幫助我們更快地適應生態變化。

「AI能夠以其他技術無法企及的方式提取資訊，」美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）太平洋海洋環境實驗室的海洋分子生態學計畫負責人Zachary Gold表示。「更快、更好、更精準的資料讓我們能夠實現過去無法想像的事情。」

環境DNA的概念最早於1980年代提出，但直到2000年代，快速且精準的DNA定序機才變得普及且價格合理，使得eDNA分析成為可能。如今，次世代定序技術（NGS）讓科學家能夠在一天內完成人類基因組的定序，並從單一水樣中識別出數千種物種。然而，分析這些資料並得出有意義的結論需要大量的計算資源，且可能耗費科學家數年的時間。

AI的引入將徹底改變這一過程。「研究人員可能需要花費數月時間來分析資料，找出其中的關鍵資訊，但AI可以在幾秒內完成這項工作，」Gold解釋道。

維京遊輪之所以開始研究eDNA，部分原因是受到疫情的影響。最初，該公司被要求進行COVID-19的PCR檢測，但隨著這一要求的取消，船上的裝置被重新用於即時水樣檢測。2020年，維京與NOAA合作，科學家們加入了2022年的大湖區探險，並在這艘長達205公尺的遊輪上分析浮游植物，提供生態系統的即時快照。

浮游植物是海洋食物網的基礎，並透過光合作用產生地球上一半的氧氣。研究人員發現，浮游植物種類的變化是生物多樣性和海洋健康的關鍵指標，這些變化可能對整個食物網產生連鎖反應，帶來潛在的災難性後果。

透過eDNA分析，科學家可以揭示物種之間的演化關係，並預測氣候變化對不同物種的影響。「透過回顧過去，我們可以試圖理解未來，」法國國家海洋科學與技術研究所的超級電腦工程師Benoit Morin表示。

為了充分發揮eDNA分析的潛力，AI技術需要進一步完善並整合到研究中。例如，AI已經被用於從大量資料中發現新物種，甚至重新發現了瀕危的De Winton金鼴鼠，這種生物在80多年後才透過eDNA技術被重新找到。

然而，AI在eDNA分析中的應用仍面臨挑戰。科學家需要建立一個包含物種DNA條碼的參考資料庫，才能讓AI有效地識別物種。「我們需要一個參考資料庫來進行物種識別，但問題是我們目前還沒有，」法國高等研究實踐學院的數學工程師Letizia Lamperti表示。

儘管如此，Gold對未來充滿信心。「如果我們投入足夠的資源，這項技術可以在短時間內準備就緒，」他說。「我們只需要將現有的工具對準正確的方向。」

如果投資和資源持續增加，Gold估計我們將在15年內實現這一目標。但他樂觀地認為，這一時間可能會更短。「許多事情並不困難，我們只需要善用現有的工具，並將它們對準正確的方向，」Gold總結道。