【前言】“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编近日读到了这项2023年8月17日发表于《Remote Sensing in Ecology and Conservation》上的研究文章，题为《结合环境DNA与遥感变量绘制大型河流鱼类物种分布图》。虽然不算太新（2023年发表的），但是很有意思。该研究团队巧妙地融合了环境DNA（eDNA）宏条形码技术与高分辨率遥感数据，并借助机器学习模型，成功绘制了瑞士和法国境内罗讷河鱼类物种的分布图，其最大的亮点在于开创了一种快速、高效且精确地监测大型河流生物多样性的新方法，尤其是在缺乏传统调查数据的区域，展现了遥感变量在近似鱼类物种分布生态决定因素方面的巨大潜力，为未来的河流保护和管理提供了强有力的技术支撑。

一条河里到底有多少种鱼？又是哪些鱼，喜欢生活在什么地方？过去，我们要了解这些问题，往往得靠人下河去捞鱼、数鱼，还要分类、做记录，真的是又辛苦又花时间。而现在，科学家们用一种新办法，居然可以“从水里读出鱼的踪迹”，甚至还可以用卫星来“看鱼”。这可不是科幻小说，而是真真实实发生在法国和瑞士之间那条叫“罗讷河”的大河上的最新科学研究。

这条河，全长800多公里，从阿尔卑斯山流出来，一直流到法国南部地中海，是欧洲重要的河流之一。河里不仅风景美，还有很多种鱼。可是近年来，随着人类活动越来越多，比如修建水坝、城市扩张、气候变暖，河里的生态系统也慢慢变了，很多地方的鱼都少了，甚至有的地方都找不到以前常见的鱼类了。

那么，怎么才能知道这些鱼还在不在？它们搬家了吗？还是环境变差了？科学家们就想出了个新招儿，把高科技用到了河流里。这次研究，他们主要用的是两个工具：一个叫“环境DNA”（eDNA），一个叫“遥感卫星”。

什么是环境DNA？********听着怪，其实很简单环境DNA这个词，听着有点吓人，其实挺好懂。我们人类、动物在环境中活动时，身体总会掉点“东西”——比如皮肤细胞、毛发、排泄物等等。鱼在水里游来游去，也会留下自己的痕迹，这些痕迹里就含有鱼的DNA。科学家只要从水里取一点样本，再用仪器一测，就能知道这片水里曾经有什么鱼出现过。

就像你走在沙滩上会留下脚印，鱼在水里也会留下“DNA脚印”。所以，这种办法非常适合监测水里的生物，不用打捞、不伤害动物，也不会破坏环境。是不是很神奇？

在这项研究中，科学家就在罗讷河流域选了110个点取水样。经过分析，他们一共识别出了71种鱼类，其中有29种是比较常见、数据比较完整的，于是就选它们来进一步做分布研究。

上图：罗讷河在瑞士和法国境内的环境DNA（eDNA）采样点分布（背景地图）。同时，插入的小地图展示了三个采样点（A、B、C）的遥感变量数值，包括营养状态指数（TSI）、树冠高度和河流表面水温（RST）。为了更清晰地展示，A、B、C三个点的比例尺不同，并且这三个变量使用了不同的颜色映射。图源：Zong, Shuo, et al.（2024）

****鱼的DNA有了，********那卫星又是干嘛的？****你可能会好奇，查鱼不是在水里做事吗？卫星离水那么远，怎么帮得上忙？

原来，卫星上的遥感仪器可以拍摄地面，还能测出水的温度、颜色、透明度，甚至还能判断水中有没有很多浮游植物，是不是有营养过剩的问题。除了水本身，卫星还能“看”到岸边的植被覆盖、地形坡度、城市分布等等。这些都是影响鱼类生活的重要环境因素。

比方说，有些鱼喜欢清澈的水，有些鱼能适应泥多的浑水；有的鱼喜欢水冷一点，有的鱼适合在温暖的地方生活……这些信息，卫星能帮我们抓个大概。

所以，科学家就把这些卫星获取的信息，和eDNA得到的“哪儿有哪种鱼”的数据结合起来，喂进电脑里，用一种叫“机器学习”的方法建模。简单来说，就是让电脑通过分析这些数据，学会哪些地方更可能有哪种鱼。

他们用了三种不同的模型，分别是GLM（广义线性模型）、GBM（梯度提升模型）和RF（随机森林模型）。这几个模型名字听着复杂，其实可以理解成不同风格的“人工智能”，它们都能从大量数据中找出规律，最后再预测其他地方是不是也有相同的鱼类。

****研究结果：有些鱼爱干净，有些鱼喜欢“热闹”****模型跑出来之后，科学家就能看到一个个物种的“热点图”。也就是说，哪些地方适合某种鱼，哪些地方不太适合。

比如，像刺鱼、狗鱼这些鱼类，它们就偏爱冷一点、清一点、水流快的上游河段。这就跟人有的喜欢高山清泉，有的喜欢大城市一样，鱼的“性格”也不一样。

而像鲤鱼这种在中国也很常见的鱼，它们更能忍受水温高、透明度低的水域，喜欢下游一些相对“热闹”的地方。

除此之外，地形坡度、水中的叶绿素含量、水体透明度、初级生产力（也就是浮游植物多不多）等因素，对鱼的分布也有很大影响。这些信息原来科学家们只能靠经验、慢慢摸索；现在有了遥感和eDNA，就能一次性地快速搞清楚。

整个河流的鱼类分布，********有个“从源头到海口”的大规律科学家还发现，整个罗讷河鱼类分布有一个明显的“空间梯度”——从源头往下游走，物种组成也在发生变化。上游水清流急，鱼的种类相对少一些，但多是耐寒、喜欢氧气足的鱼；到了中下游，水慢了，温度升了，鱼的种类也多起来。

这种规律，其实在中国的长江、黄河、珠江等大河里也可能存在。只是过去我们没有这样大规模结合eDNA和遥感的研究方式，现在总算有了一种全新的手段。

环境DNA（eDNA）在水生物多样性监测中扮演着日益重要的角色。eDNA技术能够以非侵入式的方式快速、高效地检测水域中存在的各种生物，从微生物到鱼类等大型生物，“尽收罗网”。相较于传统的捕捞、观察等方法，eDNA具有更高的灵敏度，能够发现稀有或难以捉摸的物种，并能同时监测多个物种，从而更全面地评估水生生态系统的健康状况和生物多样性，为保护工作提供关键信息。©Linda Wong | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）（CC BY-SA 4.0）

****这项研究和老百姓有啥关系呢？****读者可能会说，这么多数据、模型、图表，听起来挺厉害的，可跟我有啥关系？

其实关系可大了。我们现在正面对一个全球性的难题：很多淡水鱼类正面临灭绝风险。根据联合国的数据，全球有三分之一的淡水鱼类面临灭绝威胁，而它们很多是我们食物链的重要一环。更不用说，鱼类的存在也能反映出水质好不好、生态系统稳不稳定。

有了这种新方法，政府/环境部门就可以用更高效、更便宜的方式来监测河流健康，不需要年年组织大规模人力下河搞调查，只要定期取点水样，加上卫星数据，就能了解整个流域的生态状态。

而我们普通人也可以从中受益，比如——我们吃的鱼是不是来自健康的水体？我们的水源地有没有问题？哪里适合发展生态旅游、观鱼、钓鱼？……甚至还可以在城市河道治理、湿地恢复中提供参考。

**未来，或许成为一张“活的河流地图”**最让人激动的是，这项研究展示了一种可能性——也许未来我们真的可以拥有一张“活的河流地图”。这张地图，不光是地形地貌，更重要的是记录着各种鱼类、植物、微生物的分布和变化，就像给整个河流装上了“生态体温计”。

而且，这种方法也不光适合罗讷河，还可以推广到中国的长江、黄河，甚至到湖泊、湿地、海岸。只要水里有DNA，就有可能被“读”出来；只要天上有卫星，就可以看到地面的变化。

如此一来，科学家已经不再只是“拿网捞鱼”的人了，而是像侦探一样，用各种技术线索，还原水下世界的真实面貌。也许以后，我们只需一瓶水、一张图，就能知道一个地方生态好不好，有没有“鱼来鱼往”的生命活力。

说到底，这项研究让我们重新认识了“水”的神奇。水不仅能滋养万物，它还像一本记事本，悄悄地记下了所有经过这里的“生命故事”。鱼游过去留下DNA，人类也留下了自己的痕迹——只是我们过去看不见、听不到。现在，科学家用新的方法，帮我们“听见”了这些声音，“看见”了这些痕迹。

其实，eDNA的应用不仅是水生生物。就拿昆虫来说，过去，研究人员通常需要直接捕捉昆虫才能获取它们的DNA进行物种鉴定或生态研究；而有研究表明，这类昆虫在与野生花卉互动后，会将自身的环境DNA（eDNA）遗留在花朵上。当昆虫在花朵上停留、觅食花蜜或花粉，或者仅仅是爬行时，它们身体的某些细胞、分泌物（如唾液、排泄物）、脱落的毛发或表皮等都可能附着在花朵的结构上，例如花瓣、花蕊等。这些物质中就包含了该昆虫的DNA。上图是一株射干植物上的野蜜蜂。©Linda Wong | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

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文 | 王海诗（Amphitrite Wong）

审核 | Richard

排版 | 绿叶

参考资料略

来源: 海洋与湿地