「環境DNA」で科学者は海中生物を調査できる

海洋生物の追跡は容易ではありません。海洋科学者は、網を水中に引きずり込み、探している魚やプランクトンを見つけたり、銛のような装置でクジラにタグを付けたり、消えないホワイトボードと手持ちのカウンターを持ってスキューバダイビングし、サンゴ礁に生息する魚の数を数えたりします。これが水中の生物を数える方法です。しかし、環境DNA（eDNA）と呼ばれる新しい技術により、科学者は水サンプルを採取してDNAを調べることができるようになり、時間と費用のかかるこの作業が簡素化されています。

海水一滴一滴には、何千もの微生物に加え、通過する魚や哺乳類が脱ぎ捨てた皮膚片、粘液、老廃物が含まれています。水中ドローンに搭載されたロボット実験室は、発見したDNAをフィルタリングして配列を決定するため、科学者やエンジニアは陸に戻ることなく海洋生物を特定できるようになりました。「サンプルを採取するのに大型船は必要ありません」と、全米各地の他の研究グループと共にこの新技術を開発しているモントレーベイ水族館研究所のクリス・スコリン所長は述べています。「この技術は持ち運び可能で小型化されているため、自律型水中ロボットでリアルタイムに操作できます。」

遠隔サンプリングにより、科学者はデータ収集のために嵐の中海に出航する必要がなくなり、3～4週間の航海で情報収集するのではなく、長期間にわたってサンプリングを行うことができます。また、魚を捕獲する必要もありません。ロボット車両は最近、太平洋の真ん中に集まるホホジロザメのDNAを追跡し、気候変動から逃れるために北へ向かうニュージャージー州沿岸の熱帯魚を追跡し、ニューヨーク港でサンプルをスクリーニングする際に養殖魚の遺伝子を発見しました。

この新技術は、USBメモリほどの大きさのオックスフォード・ナノポア・ミニオン・シーケンサーと、もう一つの最近の発明である海洋自律型無人探査機（AUV）の融合によって実現しました。AUVはもはや船や陸からの指令を必要としません。これらの装置は、水温、塩分濃度、プランクトンの光学特性といった環境信号を追跡することができます。まるで猟犬が脱獄囚の足跡を嗅ぎ分けるように。（研究者たちは、釣り人が魚群探知機を使うように、ソナーを使ってプランクトンを探します。）

スコリン氏の研究機関の同僚たちは、湖や淡水河川に設置して1時間ごとに水サンプルを採取・分析できる新しい装置も開発しました。これは、沿岸域の魚類個体群の「DNAマップ」を科学者に提供することを目的としています。彼らはカリフォルニア州サンタクルーズ郡の河川でこのeDNAサンプラーを試験的に使用し、産卵中のギンザケやニジマス、そして外来種のシマスズキやニュージーランドマッドスネイルの拡散状況を検出する予定です。この実験は来月終了し、科学者たちのデータは水産生物学者による手作業によるカウントと比較される予定です。

同様の自律サンプリング技術は、熱帯のサンゴ礁に生息するものを調べるために、いくつかの研究チームによって使用されている。科学者たちは、サンゴ礁を住処とする微小な生物を引き寄せるために多層構造物を設置している。NOAAの国立系統分類学研究所の所長でスミソニアン協会の非常勤学芸員も務めるアレン・コリンズ氏によると、サンゴ礁の生物多様性の大部分を占めるが、海洋生物の調査では通常は数えられない「隠蔽動物相」の多様性と密度を評価するのが目的だという。生態系の基盤となる微小な動物を理解することは、システム全体がどの程度うまく機能しているかを判断する鍵となる。重要でありながら見過ごされている動物、例えばある種のエビの減少は、食物連鎖の上位の動物に問題が生じる前兆となる可能性がある。

オーストラリアの海洋生物学者チームは最近、個体群多様性研究の一環として、インド洋のサンゴ礁で遠隔eDNAサンプラーを用いた。彼らの目的は、気候変動による気温上昇と海水酸性化の圧力に直面している種の新たな生息域を特定することだった。サンプラーを用いた結果、研究対象地域全体で376種の魚類と無脊椎動物が確認され、サンゴ礁ごとに異なる海洋生物の分布が確認された。

専門家によると、これらのeDNAサンプリング技術は急速に進歩しているものの、依然としていくつかの欠点がある。DNAは水中で数日で分解してしまうため、AUVで採取したサンプルは、最近通過した生物の遺伝子情報しか提供できない。沿岸部や都市近郊では、人間による汚染も発見されている。「最大の問題は、人間のDNAがほぼどこにでも存在することです」と、ロックフェラー大学の上級研究員で、eDNA技術を用いてニューヨーク港とニュージャージー州沿岸の海中生物の健康と多様性を評価してきたマーク・ストークル氏は語る。「そしてニューヨーク港では、人間が食用とする魚、つまりナイルティラピア、スズキ、バラマンディのDNAも採取しています。」

また、金魚のDNAもかなりの量発見されました。「金魚の個体数が多い可能性もある」とストークル氏は付け加えます。「しかし、人間が金魚を放流した可能性もある」

ストークル氏はニュージャージー州の生物学者らと協力し、海の様々な深さに1リットルの瓶を沈めて中の水を採取し、DNAに基づいて商業用魚種の数を数えている。これは1960年代から続いている商業用魚種の調査の一環で、資源管理者が地元漁師の漁獲制限を決定するのに役立つ情報だ。しかし、彼らは対象種に加えて、一部の魚種がフロリダとカロライナ沿岸の通常の生息域から北に移動していることを発見している。それらは気温上昇から逃れようとする環境難民なのだ。研究者らは、通常はチェサピーク湾に生息し、ニュージャージー州ではこれまで確認されていないメキシコ湾キングフィッシュと、メキシコ湾原産で北東部の海域では知られていないブラジル産カワハギのDNAを発見した。

ストークル氏は、いくつかのバグが解消されれば、人類が食料やエネルギーの供給をますます海洋に依存するようになる中で、eDNAサンプル採取は海洋生態系の健全性を評価するためのより迅速で安価な方法となるだろうと述べている。「風力発電所やパイプラインの建設、天然ガスや石油の採掘など、海洋での活動が増えているため、海洋をより綿密に監視する必要があります」と彼は言う。「これらはすべて経済的に有益かもしれませんが、私たちは環境にどのような影響を与えているのかを知りたいのです。」

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