无人机在生物多样性前沿研究中采集DNA碎片
机器人科学与遗传科学联合运用于一项技术，此举可能改变我们对地球生物多样性的认知。一个位于苏黎世的团队正在角逐一项价值数百万美元的大奖，他们在试验一种革命性的方法，运用无人机进行环境DNA分析。
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苏黎世动物园的红狐猴已习惯了人类的喧闹声，但清晨人类的来访对它们来说尚属稀奇。因为它们居住的温室还要两个小时才会对游客开放。在雨林馆中心位置，它们用有些疑惑的眼神观察着树冠走道上的一群人。
这支团队并非来观察热带动植物，他们操作着电子设备和滑轮，目的是从环境中采集DNA，这个过程融合了机器人技术和遗传技术。
这个试验日后将在动物园之外的环境中进行复制。瑞士苏黎世联邦理工学院的遗传学教授克里斯蒂·迪娜(Kristy Deiner)解释说：“生物多样性正在以我们无法控制的速度迅速流失，部分原因在于我们在关键时刻缺乏相应的工具和数据。”
她的团队正在测试的这项技术，旨在加速生物多样性数据的收集，迪娜解释说。我们离开观察平台，进入茂盛的植被，走向一群学生。他们正在搭建一个便携实验室，而在几米外，一个水泵正在从一个池塘里抽水。
这个微型实验室可以对环境DNA进行测序，每个生物排出的遗传物质能在各个地方找到：水、空气、土壤、树枝，甚至在你阅读这篇文章的设备屏幕上。环境DNA分析是一种迅速兴起的研究方法，它开辟了一些新的可能性，而这些可能性在几年前是无法想象的。当时，如果要列举出某个地方存在的物种，必须由能够识别它们的生物学家亲自去实地考察。
如今，从一小管水样或者一条划过树枝的粘带上，我们可以提取的信息已经远超过一支生物学家团队在丛林里扎营数日所能收集到的信息。
疫情催生新解决方案
过去十年里，迪娜一直致力于提高环境DNA分析方法和工具的效率。苏黎世动物园池塘旁边的这个微型实验室就是她的工作成果。它可以在样本采集地直接对遗传物质进行测序，几小时内就能出结果，无需将样本送至其他地方，这降低了样本被调查区域外的遗传物质污染的风险。
迪娜表示：“新冠疫情加速了这项技术的发展，当时病毒检测实验室如雨后春笋般涌现出来。”
“过去四年里，为了思考如何在能源等资源有限的地方进行检测，人们做出了许多创新。”她解释道。
但样本采集问题依然存在，而这正是机器人能够发挥作用的领域。
利用无人机和探头采集环境DNA
遗传学和机器人学的交叉领域并不多见。然而，当苏黎世联邦理工学院的机器人学教授斯特凡诺·明切夫(Stefano Mintchev)得知美国非盈利机构XPRIZE基金会举办的一项竞赛时，他立即联系了同事克里斯蒂·迪娜。两年前，他们共同组建了瑞士联邦理工学院BiodivX团队，并报名参与了这场竞赛，竞赛团队需要在尽可能短的时间内检测和识别出尽可能多的物种。
迪娜懂得如何分析环境DNA，而明切夫则擅长在实地采集样本。为了准备这次竞赛，研究团队对无人机进行了改装，安装了可以从空气中过滤环境DNA的设备，以及一个可以连接水泵或特殊探头的滑轮。
探头会降至树木和灌木中间，采集叶片和枝条上沉积的遗传物质，然后无人机将样本带回微型实验室。
这个想法听起来简单，但实施起来并非易事。“我们必须在探头的设计和控制算法上做很多优化工作，以防止探头被树枝挂住，”明切夫解释道。测量缆线张力的传感器可以触发解脱动作，如果失败，可主动激活缆线与机身分离机制。
所有这些工作都是在为竞赛的半决赛做准备，半决赛于6月初在新加坡的一片100公顷的热带雨林区(约两个高尔夫球场大小)举行。如果团队成功晋级(结果预计在7月底公布*)，他们将参加2024年在南美或非洲热带雨林中举行的决赛。总奖金高达1’000万美元(约合人民币7’260万元)，其中500万美元将颁发给冠军团队。
为了做好准备，瑞士联邦理工学院团队必须在热带植被上测试其特制设备。幸运的是，瑞士也有一片雨林，它位于苏黎世动物园的马苏阿拉雨林馆(Masoala Hall)。在这座宽敞的温室里，除了红狐猴外，还生活着约40种动物和500种植物。
苏黎世动物园的研究主管莱拉·戴维斯(Leyla Davis)表示：“开展研究是现代动物园的职责之一。”她还指出：“我们与各理工学院和大学合作开展其中的一部分研究。”马苏阿拉雨林馆中的每一种脊椎动物都已被编入目录，这使得瑞士联邦理工学院的研究团队能够近乎实时地验证所收集的DNA是否与馆内的物种相匹配。
尚待揭秘的百万物种
不论瑞士联邦理工学院团队在XPRIZE雨林竞赛中的表现如何，他们正在开发的研究方法和工具，无疑会在许多领域具有应用价值。比如在农业领域，这些方法能快速检测出害虫。
“无人机让我们能够进入那些过于茂密、偏远或者危险的区域，其他方式往往难以触及，”专门研究环境DNA的多伦多约克大学生物学家伊丽莎白·克莱尔(Elizabeth Clare)说，“这个技术能用于解析遗传物质如何在空气中流动和分层。”但她同时也表示，将这种技术自动化以实现更大规模的应用，将是最大的挑战，因为“无人机操作仍然需要高度专业化的技能”。
然而，对于可能的新发现，瑞士联邦理工学院团队感到无比激动。在大自然中，生物学家常常会发现尚未在数据库中记录的遗传物质，因此无法将其与已知物种对应。但是当他们分析环境DNA时，会发现特定的序列在不同地方多次出现，这时他们可以推断这些序列可能属于科学界尚未知晓的新物种。
科学家们估计地球上有超过800万种物种(其中大约四分之一已被编目)，但这仅仅是基于历史上科学发现新物种的速度所做出的推测。“现在，我们有了一种新的方法，可以验证这个推测是否准确。这是我们探索世界的新篇章，”迪娜微笑着说，“这让我想起了几个世纪前的航海家们，他们驾船航行发现新大陆。如今，我们也有了新的‘航船’，可以乘其驶向未知领域。”
*7月24日，苏黎世联邦理工学院宣布，由Deiner和Mintchev组成的ETH biodivX团队成为进入XPRIZE雨林决赛的六支决赛团队之一。
(译自意大利语：瑞士资讯中文部，编辑：Sabrina Weiss)
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