湖底沉积物揭示百年生态系统环境变迁

科学家们首次对DNA时间机器进行了概念验证，以揭示淡水湖一个世纪以来的生态环境变化。他们将人工智能模型应用于基于DNA的生物多样性、气候变化和污染研究，可以帮助监管机构保护地球现有的生物多样性水平，甚至促进其恢复。

近期，在伯明翰大学与法兰克福歌德大学的合作中，研究人员利用丹麦湖底的沉积物构建了横跨100年历史、包含生物多样性、化学污染和气候变化水平相关信息的资料库。该湖泊的水质变化历史有据可查，使其成通过DNA时间机器验证生物多样性水平的完美实验对象。

研究人员于11月7日在《eLife》上发表了他们的研究结果：湖底沉积物保存着随着时间推移而变化的生物和环境信号的连续记录，时间横跨从工业革命开始直到现在。

该团队利用环境DNA（植物、动物和细菌留下的遗传物质）构建了整个淡水湖泊的生态系统信息。在人工智能的协助下，研究人员结合气候和污染数据分析了这些信息，以解释湖中物种消失的原因。

首席研究员、伯明翰大学进化系统生物学和环境组学教授、艾伦图灵研究所研究员Luisa Orsini解释说：“我们从湖底取出了沉积物，并使用其内含的生物数据，就像使用时间机器穿梭回到过去，以每年为一个周期构建了该湖泊自上个世纪以来生物多样性变化的详细图景。通过分析生物与气候变化数据和污染水平，我们可以确定对生物多样性影响最大的因素。“

研究人员打捞湖底沉积物并通过AI模型对生物数据进行分析

“在不影响人类生产的情况下保护每个物种是不现实的，但利用人工智能，我们可以优先保护提供生态系统服务的物种。同时，我们可以识别最重要的污染物，指导对产生最不利影响化合物的监管。这些举措可以帮助我们保护现有的生物多样性，还有助于生物多样性的恢复。生物多样性维持着生态系统服务，我们都受益于此。”研究人员发现，杀虫剂和杀菌剂等污染物以及最低气温的升高（1.2-1.5度）对生物多样性水平造成的损害最大。

沉积物中的DNA也表明，在过去20年里，该湖的生态系统已经开始恢复。随着湖周边地区农业用地的减少，水质有所改善。然而，尽管总体生物多样性有所增加，但生物群落与工业革命时的原始阶段不同。这是十分令人担忧的，因为不同的物种提供不同的生态系统服务，它们的消失也会中止特定生态系统服务的恢复。

主要作者、伯明翰大学博士生Niamh Eastwood表示：“这种污染和水温升高造成的生物多样性丧失可能是不可逆转的。100年前的湖中物种已经无法全部恢复，即使湖泊的生态系统正在恢复，也不可能恢复到原始状态。这项研究表明，如果我们不保护生物多样性，损失将是不可逆转的。”

共同主要作者、伯明翰大学环境生物信息学助理教授Jiarui Zhou博士表示：“过去的经验显示，AI模型可以帮助我们预测在污染发生情况下生物多样性可能的丧失情况，我们已经证明了人工智能对了解生物多样性丧失背后因素的价值。随着新数据的不断增加，我们有望使用更复杂的人工智能模型让预测更加精准。”

接下来，研究人员还将对英格兰和威尔士地区的湖泊开展调查，进一步研究该AI模型的可复制性，并对公众宣传污染和气候变化对湖泊生物多样性的影响。

参考文献：

Jiarui Zhou,Niamh Eastwood, Romain Derelle, et al. 100 years of anthropogenic impact causes changes in freshwater functional biodiversity.eLife,2023;12DOI: 10.7554/eLife.86576

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