海洋生物在很大程度上是隐藏的。监控生活在哪里的成本高昂 - 通常需要大船，大网，技术人员和充足的时间。使用所谓的环境DNA的新兴技术可以解决其中的一些限制，提供一种快速，经济的方法来确定水面下的物质。

鱼和其他动物以细胞，分泌物或排泄物的形式将DNA排入水中。大约10年前，欧洲的研究人员首次证明，少量的池塘水含有足够的自由浮动DNA来检测常驻动物。

研究人员随后找了水产品的eDNA在多个淡水系统，以及最近在规模更大和更复杂的海洋环境。虽然水生eDNA的原理已经确立，但我们才刚刚开始探索其在特定海洋环境中探测鱼类及其丰富程度的潜力。该技术承诺许多实际和科学应用，包括帮助设定可持续鱼类配额和评估对濒危物种的保护，以及评估海上风电场的影响。

谁在哈德逊，什么时候?

在我们的新研究中，我和我的同事测试了水生eDNA在纽约市哈德逊河河口探测鱼的能力。尽管是北美洲城市化程度最高的河口，但在过去几十年中，河水水质得到了显着改善，河口部分恢复了其作为许多鱼类栖息地的重要栖息地的作用。现在，在帝国大厦遗址内纽约港边界的大西洋鲱鱼大学饲养的座头鲸经常出现秋季出现，突出了当地水域的健康状况。

我们的研究是通过对水样进行DNA测试，首次记录海洋鱼类的春季迁移。我们在2016年1月至7月期间每周在两个城市地点收集一升(约一夸脱)水样。由于曼哈顿海岸线是装甲和高架，我们将绳子上的水桶扔到水中。冬季样品很少或没有鱼类eDNA。从4月份开始，检测到的鱼类数量稳步增加，初夏时每个样本约10至15种。eDNA的发现很大程度上与我们现有的鱼类运动知识相匹配，这是几十年来传统的围网调查所取得的成功。

我们的研究结果证明了水中eDNA的“金发姑娘”质量 - 似乎只需要适量的时间。如果它消失得太快，我们将无法检测到它。如果持续时间过长，我们就不会发现季节性差异，可能会发现许多淡水和开放海洋物种的DNA以及当地河口鱼类的DNA。研究表明，DNA会在数小时到数天内衰减，具体取决于温度，电流等。

总之，我们获得的eDNA与42种当地海洋鱼类相匹配，包括大部分(80%)当地丰富或常见的物种。此外，在我们检测到的物种中，观察到的丰富或常见物种比当地不常见的物种更常见。根据丰富程度检测到的物种eDNA与当地常见鱼类的传统观察相匹配，这对该方法来说是个好消息 - 它支持eDNA作为鱼类数量的指标。我们期望我们最终能够通过收集更大的体积，在河口和不同深度的其他地点探测所有当地物种。

除了当地的海洋物种外，我们还在少数样本中发现了当地稀有或缺乏的物种。大多数是我们吃的鱼 - 尼罗罗非鱼，大西洋鲑鱼，欧洲鲈鱼(“branzino”)。我们推测这些来自废水 - 即使哈德森更清洁，污水污染仍然存在。如果这就是DNA在这种情况下进入河口的方式，那么可以通过测试其废水来确定一个社区是否正在消耗受保护的物种。我们发现剩下的外来物种是淡水物种，令人惊讶的是，由于哈德逊河流域每天都有大量的淡水流入咸水河口。

分析裸露的DNA

我们的方案使用分子生物学实验室中的方法和设备标准，并遵循用于分析人类微生物组的相同程序。

收集后，我们通过一个小孔径(0.45微米)过滤器运行水样，该过滤器捕获悬浮物质，包括细胞和细胞碎片。我们从过滤器中提取DNA，并使用聚合酶链式反应(PCR)进行扩增。PCR就像“复制”特定的DNA序列，产生足够的拷贝以便于分析。

我们针对线粒体DNA - 线粒体内的遗传物质，即产生细胞能量的细胞器。线粒体DNA的存在浓度远高于核DNA，因此更易于检测。它在所有脊椎动物中也有相同的区域，这使我们更容易扩增多个物种。

我们标记了每个扩增的样本，合并样本并将它们发送给下一代测序。洛克菲勒大学的科学家和共同作者Zachary Charlop-Powers创建了生物信息管道，评估序列质量并生成每个样本中唯一序列和“读取数字”的列表。这是我们检测到每个独特序列的次数。

为了识别物种，将每个独特序列与公共数据库GenBank中的序列进行比较。我们的结果与读数与鱼数成正比是一致的，但是对于eDNA和鱼丰度的精确关系还需要做更多的工作。例如，一些鱼可能比其他鱼脱落更多的DNA。鱼类死亡率，水温，蛋和幼鱼与成年形态的影响也可以发挥作用。

就像电视犯罪节目一样，eDNA识别依赖于全面而准确的数据库。在一项试点研究中，我们确定了GenBank数据库中缺失的当地物种，或者序列不完整或不匹配。为了改进鉴定，我们对蒙茅斯大学，诱饵商店和鱼市场的科学收藏品中的18个样本进行了测序。这项工作主要由学生研究员和共同作者Lyubov Soboleva完成，她是纽约John Bowne高中的一名大四学生。我们将这些新序列存放在GenBank中，将数据库的覆盖范围扩大到我们当地物种的约80%。

我们专注于鱼类和其他脊椎动物。其他研究小组已经对无脊椎动物应用了水生eDNA方法。原则上，该技术可以评估特定栖息地中所有动物，植物和微生物生命的多样性。除了检测水生动物外，eDNA还可以反映附近流域的陆生动物。在我们的研究中，在纽约市水域检测到的最常见的野生动物是褐鼠，一种常见的城市居民。

未来的研究可能会使用自动驾驶汽车定期对远程和深部地点进行采样，帮助我们更好地了解和管理海洋生物的多样性。