屎壳郎立大功：它们胃中的DNA帮助科学家调查原始森林的生物多样性
屎壳郎立大功：它们胃中的DNA帮助科学家调查原始森林的生物多样性
在秘鲁马努生物圈保护区，科学家们正在利用一种意想不到的生物——蜣螂，来研究这片地球上生物多样性最丰富的地区的物种组成。通过分析蜣螂胃中的DNA，研究人员不仅能够识别出保护区内的各种动植物，还能了解它们的生态关系和行为习性。
秘鲁的马努生物圈保护区（Manu Biosphere Reserve）是世界上最大的雨林保护区，也是地球上生物多样性最丰富的地区之一。马努是受联合国教科文组织保护的地区，面积相当于美国康涅狄格州和特拉华州的总和，覆盖了亚马孙河流域与安第斯山脉交汇之处。这一地理组合形成了一系列独特的生态系统，每年科学家都能发现先前未知的新物种。而偏远的地理位置保护了当地生物多样性，但同时也增加了科学家想要一探究竟的难度。
在茂密的丛林中捕捉想要研究的野生动物，这一做法不切实际，尤其还考虑到研究人员不得不在马努保护区内长途跋涉，穿越森林和水道。这样的提议成本昂贵，也让被捉住的动物不可避免地面临风险。而且，要抓住稀有的濒危动物更是难上加难，也给动物带来巨大风险。
然而，抓点蜣螂难度没那么高。它们很容易抓，运输起来也很便利，最重要的是，它们的身体上或身体内携带者许多动物的 DNA。因为生物学家想要研究的任何动物都会在森林留下踪迹和排泄物，而蜣螂作为森林“清道夫”，恰好以此为生。
收集 DNA 的屎壳郎
雨林中遍布甲虫，而且亚历桑德罗·洛佩拉-托罗（Alejandro Lopera-Toro）团队所研究的对象并非濒危物种。研究确实需要杀死一些甲虫，但整体上对生态系统的影响微乎其微。
秘鲁生物学家，同时也是团队成员的帕特里夏·雷耶斯（Patricia Reyes）说：“影响取决于每一物种的丰度和繁殖周期。甲虫种群数量的减少可能影响到它们的天敌，例如鸟类、爬行动物以及其他昆虫。森林健康取决于蜣螂分解有机物、传播种子的能力。尽管目前我们还没在生态系统中发现任何影响，我们仍然限制甲虫个体的采集数量，明确了禁止采集的敏感区域。我们提倡可持续性的采集方法，以缓解未来的可能影响。”
研究人员对捕捉蜣螂采集 DNA 的工作做了一些调整。为研究它们而特制的陷阱会让虫子掉入化学溶液中，这些溶液能杀死蜣螂，并保存它们的尸体直到被研究人员收集起来。然而，一些陷阱会污染甲虫的胃部内容物，让 DNA 变得毫无用处。而洛佩拉-托罗的陷阱能让虫子一直活着，保护好甲虫辛辛苦苦采集到的精细DNA链。他和团队也进森林，亲手收集活虫，认真记录下收集到每一只的时间和地点。从 2022 年 7 月开始，团队从上至下，在不同纬度的马努保护区生态系统中收集蜣螂（俗称屎壳郎），海拔从 500 米至 3500 米不等。
除了从蜣螂那里获取DNA，研究人员还用它们来展开代谢研究。来源：Elena Chaboteaux
马努生物站团队使用纳米孔技术来对虫子胃部发现的 DNA 测序，目的在于发现当地生存的动物类型。他们专门找蜣螂，因为这种甲虫觅食的栖息地取决于大型动物遗留下的粪便。而纳米孔 minION 测序仪的主要优势在于它能在现场就分离出 DNA 长链。“纳米孔长读增强了物种识别能力，无论你是在野外还是在实验室，实时数据分析可立刻得出结果。”纳米孔官方网站如此描述道。
生物学家朱丽安娜·莫拉雷斯（Juliana Morales）承认纳米孔测序的误差仍然很高，但是这一新技术不断改良，误差正在持续减少。对马努生物站团队来说，他们愿意承受误差的代价，毕竟仪器能在雨林中使用。因为他们不只专门研究某一特定物种，而是要建立当地物种数据库，所以并不需要正确测序每一个核苷酸数据来识别物种。尽管如此，要区分普通绒毛猴和黄尾绒毛猴，还是需要足够长的 DNA 链。
虽然研究人员喜欢使用纳米孔 minION 为 DNA 现场测序，但如果收集了超过几十种样本待分析时，他们就会将样本发送到加拿大安大略省的圭尔夫大学（University of Guelph）。从秘鲁丛林将样本寄送到加拿大，无疑是一场物流噩梦，但洛佩拉-托罗却表示值得一送。“圭尔夫大学每天能够处理上百份 DNA 样本。而在马努保护区的实验室，我们如果一天能处理完十份，这都是算运气好的了。”
在最近一批 76 份样本中，他们分析了来自蜣螂 11 个属 27 个种的胃部内容物。从这 76 份样本中，他们确认有吼猴、蜘蛛猴、赤短角鹿、夜猴、西貒、负鼠、棕胸林鹑以及两种犰狳的 DNA。奇怪的是，蜣螂还吃了约十几种水果，有一只还吸食了热带植物合果芋（syngonium）的花粉。
分析结果意义重大。“吃了美洲虎粪便的蜣螂不仅会告诉我们美洲虎的 DNA，还会告诉我们这只美洲虎它吃了什么。”洛佩拉-托罗解释说，“如果美洲虎杀死了一只西貒，并吃下了猎物 80% 的身体，那么蜣螂就会吃掉其他 20% 的部分。如果它们踩过美洲虎的脚印或留在地上的唾液，那蜣螂身上就有美洲虎 DNA 的踪迹。我们分析蜣螂胃部内容物以及身体上的情况，通过研究掌握了无数选择、机会，也能回答很多问题。我们能看到丛林中发生的更大现实图景。”
丛林中的技术
雨林并非是使用像 DNA 测序这类技术的理想场所。仅仅是潮湿的环境就能损坏大部分仪器，如果再加上赤道炎热的气候，更是雪上加霜。甚至是那些相对简单的技术，例如录音设备，在雨林中也会受到不小的影响。
鸟类学家里德·鲁梅尔特（Reid Rumelt）使用声学监测设备记录鸟类的鸣叫声，研究马努的生态多样性。2023 年，即便在电池盒和电路板周围包上橡胶垫圈并粘上胶带作为预防措施，他的设备仍失灵过好几次。一些记录仪“无法打开，另外两个无法将数据写入 SD 卡中”。但鲁梅尔特也说秘鲁马努地区非同寻常的生物多样性值得他想方设法克服技术难题。
生物学家帕特里夏·雷耶斯从蜣螂的食物中获取DNA。来源：Heather Jasper
在马努生物站，实验室使用便携式葡萄酒冰箱来存放摄像设备，在不使用的时候保持设备处于低温、干燥状态。而保护更大型的设备，例如电脑，难度就大多了。目前，他们将电脑存放在大塑料袋中，里面装着能吸收水分的硅胶袋。而纳米孔 MinION 测序仪的另一优点就是它们很小巧，能直接放到小冰箱里。
其他困难在于电力不稳定，起伏波动，网络连接有限。“丛林挑战着我们高效使用技术的能力。”雷耶斯说，“然而，推进科学研究、保护这些重要的生态系统，非常有必要。有创意的解决方案和对环境的不断适应，对克服这里的种种障碍至关重要。丛林丰富的自然资源本身就成为了非常吸引人的天然实验室，科学技术在此汇集，以求新发现。”这些发现吸引来了世界各地的科学家。
绘制雨林动物家谱
美国研究人员阿德里安·福赛斯（Adrian Forsyth）是创建并驱动秘鲁此类研究背后的重要科学家。他是安德斯亚马逊基金（Andes Amazon Fund）的创始人，在哈佛大学获得了热带生态学博士学位。洛佩拉-托罗在哥伦比亚哈维里亚那天主教大学（Pontificia Universidad Javeriana in Bogotá）读书时认识了福赛斯，后来跟随他去了秘鲁。在博士后研究阶段，洛佩拉-托罗在马努地区发现了超过190种蜣螂物种，是哥伦比亚、厄瓜多尔地区内蜣螂种类的两倍，也比非洲任何地方的蜣螂物种数都多。
一旦马努生物站的研究人员拥有更大的DNA样本数据库，他们便能跟踪森林中所有类型的动物。例如，通过在数据库中搜索赤短角鹿（一类小型鹿种），他们能看到发现赤短角鹿DNA的日期和地理位置。更重要的是，他们将拥有赤短角鹿的摄食数据，使用DNA确定该个体在这片区域其他赤短角鹿家族中的位置。
虽然世界各地针对蜣螂展开着众多研究，但马努的研究独一无二。马努是少数几个使用纳米孔 minION 设备来测序蜣螂胃部内 DNA 数据的地区。鉴于马努广泛的生物多样性，这里可能也是尝试建立在雨林内生存的所有物种数据库的最佳场所。