他們15次出海，沒抓一只海豚，卻用eDNA打開遠洋哺乳動物研究之門

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

一頭瓶鼻海豚（學名：Tursiops aduncus）。?攝影：王敏幹（John MK Wong）

海潮天下·導讀

一群海豚從遠洋經過后，海水里會留下什么？過去，科學家只能看到短暫的躍出水面的身影；現在，他們開始直接從海水中讀取這些動物留下的遺傳痕跡。2026年5月19，一項發表于《海洋科學前沿》的最新研究顯示，僅借助重復采集海水中的環境DNA，研究人員已能夠估算遠洋海豚種群的遺傳多樣性。

本文約3900字，閱讀約9分鐘

文 | 王海詩

出品 | 海潮天下

對于海洋哺乳動物研究來說，真正困難的對象，往往不是數量稀少的物種，而是那些“太多、太遠、移動太快”的動物。

長吻飛旋海豚（spinner dolphin）和斑海豚（spotted dolphin）就屬于這一類。它們廣泛分布于熱帶和亞熱帶遠洋海域，經常以數百甚至上千頭的大群活動，日均移動距離可達數十公里。研究船即便發現群體，也很難在開放海面長時間穩定跟蹤，更不用說逐個去搞到遺傳樣本了。過去幾十年里，海洋生物學家已經能夠比較準確地估算某些遠洋海豚的數量，卻始終缺少另一類更關鍵的數據：這些龐大種群內部，到底還保留著多少遺傳多樣性？

這個問題的重要性，并不亞于種群數量本身。一個物種即便看起來“很多”，也可能已經在遺傳層面變得脆弱。遺傳多樣性越低，種群對疾病、氣候異常、食物結構變化以及海洋環境波動的適應能力通常越弱。特別是對于壽命較長、世代更替緩慢的鯨豚類動物來說，一旦遺傳變異流失，恢復周期可能長達數十年、甚至是更久。

問題在于，傳統方法很難大規模獲得遠洋海豚的遺傳數據。

目前鯨豚遺傳研究最常見的方法，是利用活檢槍獲取皮膚和脂肪組織樣本。研究船接近海豚群后，研究人員通過特制采樣器從動物體表取下一小塊組織，再進行DNA分析。這種技術已經使用多年，數據自然是非常可靠的，但成本極高。一次遠洋調查往往需要大型船只、長時間航行和復雜的海況配合，而且能獲得的樣本數量始終有限。對于活動范圍橫跨整個洋區的海豚群體而言，這種方式很難形成持續、密集的遺傳監測。

近年來興起的環境DNA（#eDNA）技術，開始改變這一局面。

所有生物都會不斷向環境中釋放遺傳物質。魚類、鯨類和海豚在游動過程中，會持續脫落皮膚細胞、黏液、糞便以及其他微小生物碎片。這些物質中的DNA會短暫保留在海水中。過去十年間，eDNA已經被廣泛用于檢測物種存在與否。例如，只需要過濾幾升海水，研究人員就可能知道某片海域近期是否有鯨類經過。

但“知道某種動物出現過”，跟“分析種群遺傳結構”，是兩件完全不同的事。后者需要識別不同個體之間的遺傳差異。海水中的DNA高度碎片化，濃度又極低，長期以來，多數研究者認為它更適合做“物種檢測”，而不適合真正的種群遺傳分析。

2026年5月19日，發表于《海洋科學前沿》（Frontiers in Marine Science）的一項研究，則第一次較系統地證明：對于數量龐大的遠洋海豚種群，僅通過重復采集海水中的eDNA，已經有可能估算其遺傳多樣性。

▲上圖：海洋哺乳動物遇點分布圖。標注信息包含遇到的目標物種（Dbai代表短吻真海豚加州亞種，Ddel代表短吻真海豚，Ggri代表瑞氏海豚，Ttru代表瓶鼻海豚）以及樣本采集的月與日。圖中點位及對應標簽按目標物種進行色彩編碼。論文出處：Archer, Frederick I., et al.(2026)

海水里測出海豚“遺傳指紋”，eDNA竟還原出遠洋種群多樣性

這項研究由美國和新西蘭多個海洋研究機構合作完成，研究區域位于東熱帶太平洋。這里長期是全球海洋哺乳動物研究最密集的區域之一，也是長吻飛旋海豚和斑海豚的重要分布海域。

研究團隊并沒有采用復雜的新型設備。他們的方法從表面看甚至相當“樸素”——在海豚群活動區域附近重復采集海水，然后，對過濾后的DNA進行高通量測序。

真正困難的部分在后面。

海洋中的DNA并不是整齊保存的完整遺傳鏈條，它像被海流不斷打碎、稀釋和擴散的分子碎屑。陽光中的紫外線會導致DNA降解，微生物會進一步分解遺傳物質，海流則會不斷改變DNA空間分布……所以，研究人員首先必須確認，海水里的遺傳信號到底是不是來自眼前這群海豚，而不是幾小時前、甚至幾十公里外其他動物留下的殘余信息。

這個論文中特別強調了采樣策略的重要性。該研究團隊沒有依賴單一樣本；他們進行了大量重復采集，并在海豚群移動過程中持續獲取海水樣本。他們隨后將這些eDNA結果，與過去通過傳統組織活檢建立的遺傳數據庫進行比較。

分析重點集中在線粒體DNA單倍型（haplotype）上。在線粒體DNA中，不同個體會存在穩定遺傳差異，這些差異構成不同單倍型。單倍型數量越豐富，通常意味著種群遺傳多樣性越高。過去，研究這類指標往往需要大量組織樣本，而這次，研究人員嘗試直接從海水中重建這種遺傳結構。

結果比許多人預期得更穩定。

該研究發現，重復eDNA采樣能夠持續檢測到多個已知單倍型，而且隨著樣本數量增加，新檢測到的單倍型數量會逐漸趨于平緩。這一點非常關鍵。種群遺傳學中有一個經典現象：當采樣逐漸接近真實種群結構時，新增樣本帶來的“新遺傳類型”會越來越少，最終進入平臺期。研究團隊利用稀釋曲線分析后發現，海水中的eDNA也呈現出這種特征。

換句話說，海洋中的DNA信號，并非隨機噪音，而確實在反映真實種群內部的遺傳組成。

▲上圖：各環境DNA樣本（實心符號）與參考數據集（空心符號）中四種目標物種的擴增子序列變體（ASV）總豐富度（橫軸）與有效ASV數量（縱軸）對比圖。目標物種縮寫包括：Dbai代表短吻真海豚加州亞種，Ddel代表短吻真海豚，Ggri代表瑞氏海豚，Ttru代表瓶鼻海豚。圖中圓點表示基于全長序列計算的指標，菱形則表示基于截取至相同長度的序列計算的指標。論文出處：Archer, Frederick I., et al.(2026)

值得注意的是，這種方法對大型遠洋種群尤其有效。

如果某片海域只有零散個體，eDNA濃度可能不足以支撐遺傳分析；但對于長吻飛旋海豚、斑海豚這種經常形成高密度群體的動物，海水中的DNA信號會顯著增強。研究人員在論文中指出，海豚群體在海面頻繁躍出、換氣和集群游動時，會持續向局部海域釋放大量遺傳物質，這使得短時間內的eDNA采樣能夠積累足夠數據。

這意味著，過去很多只能依賴高成本船舶調查完成的工作，未來可能轉向更高頻、更低干擾的監測方式。

▲【視頻】感覺一下，長吻真海豚(航拍部分)與瓶鼻海豚(水底攝影部分)的游泳姿態。?攝影：王敏幹（John MK Wong） | 海潮天下（Marine Biodiversity）(視頻與本研究無關）

事實上，海洋保護領域長期存在一個明顯的數據斷層。

人們對于鯨類和海豚的研究，往往集中于數量統計、聲學監測和遷徙路線，但對種群遺傳變化的長期連續監測卻相對薄弱。原因并不復雜，畢竟遺傳調查太昂貴，也太耗時間。很多遠洋種群可能幾十年都沒有更新過系統遺傳數據。

而遺傳結構的變化，恰恰可能比數量下降出現得更早。例如，一個種群在經歷歷史性捕撈后，表面數量可能恢復，但如果恢復過程只依賴少量幸存個體，其遺傳基礎實際上會變窄。對于海洋哺乳動物來說，這種“隱性退化”很難通過傳統生態調查發現。

東熱帶太平洋的海豚就是典型案例。20世紀后半葉，大規模圍網金槍魚漁業曾導致大量海豚誤捕死亡。雖然部分種群后來數量有所恢復，但一些研究始終懷疑，其遺傳結構可能已經發生長期改變。可惜的是，由于缺乏連續基因數據，這類問題一直難以被完整驗證。

▲上圖：一對寬吻海豚（Tursiops truncatus）。它們廣泛分布于全球溫帶及熱帶海域，其分類地位在過去幾十年中經歷過多次調整，目前的學名確認了其在該屬中的核心地位。?趙宇 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

eDNA的意義，某種程度上正在于它改變了監測頻率。

過去一次遠洋遺傳調查，可能需要幾年時間籌備；未來，研究船、無人艇、固定浮標，甚至商業航運船舶，都有可能成為eDNA采樣平臺。只要定期過濾海水、并保存樣本，理論上就能夠形成長期遺傳監測網絡。

這種變化背后，其實是海洋生態研究方法論的一次轉向。

傳統海洋生物學高度依賴“接觸動物”——捕撈、標記、活檢、衛星追蹤。而eDNA提供的是另一種路徑，不再直接依賴動物本身，只需分析它們留在環境中的分子痕跡。

這種思路正在迅速擴展。

過去幾年里，科學家已經開始利用eDNA監測鯊魚遷移、深海魚類分布、珊瑚礁生物群落，甚至嘗試通過空氣中的DNA分析洞穴和森林中的動物組成。海洋哺乳動物由于活動范圍廣、個體難接近，一直被認為是eDNA最具潛力的應用方向之一。

▲上圖：短吻真海豚，屬真海豚屬。拍攝于2004年7月9日，圖片來源：美國國家海洋和大氣管理局國家海洋漁業局

局限性

不過，這項技術距離完全成熟，仍有不少現實限制。

首先，海洋環境中的DNA傳播機制仍不夠清楚。研究人員目前無法精確判斷，一個海水樣本中的DNA究竟來自多遠范圍。海流可能在數小時內把遺傳物質帶離原位置，也可能在局部形成聚集。其次，eDNA更容易檢測高頻遺傳類型，而一些低頻、稀有單倍型可能仍會遺漏。

此外，目前研究主要基于線粒體DNA。線粒體只代表母系遺傳信息，能夠提供的是種群多樣性的部分圖景，而非完整基因組結構。真正深入的適應性進化研究，仍需要核DNA乃至全基因組數據支持。

但即便如此，這項研究仍然標志著一個明顯變化：海洋中的遺傳信息，開始從“難以獲取的生物樣本”，逐漸變成一種可以被持續讀取的環境信號。

對于長期生活在遠洋深處的海豚而言，海面上的浪花會很快消失，但海豚留下的分子痕跡，還會在海水中停留一段時間。如今，科學家學會了低干擾、連續性去讀取這些痕跡。

▲上圖：長吻真海豚（學名：Delphinus capensis）。該影像由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）西南漁業科學中心于2003年8月4日拍攝

海潮君·寫在最后

這個研究的一個核心價值在于，它把eDNA從“物種存在檢測工具”推進到了“種群遺傳信息近似估計工具”。在東熱帶太平洋這樣高密度遠洋海豚系統中，采用重復海水采樣恢復線粒體單倍型多樣性、并與傳統活檢數據庫進行對照驗證，來說明環境DNA在特定條件下確實可以攜帶可用于群體遺傳分析的信息，而不僅是二元的“有or無信號”。比較可貴的是，它用稀釋曲線證明了一個方法學上的關鍵特征，亦即，隨著采樣次數增加，新增遺傳類型逐漸趨于飽和，這一點與經典種群遺傳采樣行為一致，增強了結果的統計可信度。

但客觀講，它的局限也是顯而易見的。這種方法高度依賴“高密度、可重復接觸水體的目標物種”。二是主要依賴線粒體DNA單倍型，可能對近交水平、適應性變異、或基因流方向的解析能力是有限的，偏“粗尺度多樣性指標”一些，而不是完整種群基因組重建。另外，海水中的DNA可能受到海流輸運影響，導致采樣信號并不是嚴格對應“當時當地的個體集合”，存在潛在偏差來源。

eDNA不是在替代傳統遺傳學采樣，而是在迫使遺傳學從“個體觀測系統”向“環境觀測系統”遷移，而這一遷移目前幾乎沒有成熟的理論框架與統計語言來完全支撐。未來真正的突破可能不在于提高測序精度，更有意義的可能是想想怎么去構建一套能夠描述“環境中遺傳物質生成→輸運→消失”的狀態空間模型，讓觀測數據可以被反演為種群層面的結構參數。

本文參考資料
Archer FI, Steel D, Southall BL, Fregosi S, Calambokidis J, Durban JW, Fearnbach H and Baker CS (2026) Estimating genetic diversity of abundant oceanic dolphins through repeated environmental DNA sampling. Front. Mar. Sci. 13:1756593. doi: 10.3389/fmars.2026.1756593
https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2026.1756593/full

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資訊源 | Archer, Frederick I., et al.(2026)

文 | 王海詩

排版 | 盧曉雨

時間 | 2026年6月

聯系小編 | editor@oceanbiodiversity.cn

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