世界上的冰川和格陵蘭冰蓋正在迅速融化。 南極洲的情況不太明朗，但科學家普遍認為該大陸正在失去冰。隨著地球持續變暖，這些廣闊而長期冰凍的區域將繼續融化，並將水排入我們不斷上升的海域。研究人員正在爭先恐後地回答關鍵問題，例如弄清這些巨大冰蓋融化的動力學。現在，一個科學家團隊開發了一種研究該過程的新方法——透過使用合成 DNA 來追蹤融化的冰。
水文學家和冰川學家傳統上使用熒光染料或氯化鈉等鹽來追蹤包括融冰在內的水系統。但是，這種示蹤劑有侷限性，尤其是在格陵蘭冰蓋這樣的地方。當研究人員將它們投放到某個位置時，一些染料和鹽會按預期向下遊流動。但其中一部分通常會在環境中的某個點卡住。這使得研究更加困難和耗時，因為染料和鹽沒有獨特的特徵；它們可能會與之前或未來的示蹤劑劑量混合在一起。“我們沒有太多獨特的示蹤劑，可以在同一位置使用，”加州大學戴維斯分校綜合水文科學副教授海倫·達爾克說。“如果你有上次實驗的[殘留]痕跡，那真的會使情況複雜化。”
但是達爾克和她的加州大學戴維斯分校和康奈爾大學的團隊意識到，他們可以製造獨特的示蹤劑——使用 DNA。“使用 DNA，你有如此多的鹼基對組合，你可以真正製造數百萬種不同的示蹤劑，每一種都有唯一的識別符號，”達爾克解釋說。“你可以同時應用數百種，而且你仍然可以在時間和空間上區分它們。”對於示蹤劑，她的團隊開發了合成的單鏈 DNA 分子，長度約為 80 到 100 個“字母”，具有隨機序列。這些 DNA 鏈被放入由可生物降解塑膠製成的膠囊中，這種塑膠與用於包裹人類吞服的藥物的型別相同，但這裡使用的膠囊是微觀的，不大於大腸桿菌的大小。為了防止細菌或其他生物將示蹤劑納入其自身的 DNA 中，研究人員將序列保持相對較短，並測試資料庫以確保他們沒有使用來自其他微生物的已知序列。“這不是一個基因功能性程式碼，”達爾克本月在新奧爾良舉行的美國地球物理聯盟會議上對科學家們說，她在會上介紹了這項新技術。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
使用這種方法，科學家們會投放一大批示蹤劑——數萬億個具有相同 DNA 序列的膠囊——以確保它們足夠集中，以便在下游被發現。他們可能會在單個位置投放一批唯一的示蹤劑，或將幾批不同的唯一 DNA 示蹤劑注入冰川或冰蓋上的各個融化點。保護性膠囊不會快速溶解，因此研究人員可以對從冰川中流出的水進行取樣，將其帶到實驗室並融化塑膠膠囊，然後對樣品中存在的 DNA 進行測序。有了這些資訊，他們就可以弄清楚水的來源，以及水何時從融化點流出併到達冰川出口。這些資料可以幫助科學家估計其他重要因素，例如流動路徑以及冰川容納多少融水。
達爾克和其他專家表示，這類資訊非常有價值。“我們仍然對冰川[和冰蓋]中融水的流動方式存在基本問題，”達爾克說。“例如，地表融水湖正在形成並自發排水，但沒有人對此提出合理的解釋……或者這些水流向哪裡。”她指出，雖然研究人員有時會透過稱為“冰臼”的垂直豎井爬到冰川中，以檢視地表水的流向，但他們只能走這麼遠。他們有被壓碎的風險。
DNA 示蹤劑可以超越這種限制，並使科學家的工作更安全。此外，由於示蹤劑包含唯一的程式碼，研究人員不必像使用傳統示蹤劑那樣等待注射它們。這有助於減少實驗所需的時間和資源，並可以為冰川學家提供更準確的資訊。“冰川在融化季節會發生變化，”達爾克說，她補充說，如果研究人員可以在更短的時間內投放他們的示蹤劑，他們將獲得更多關於冰川系統如何運作的一致資料。
到目前為止，達爾克和她的團隊已經在瑞典北部的 Storglaciaren 冰川、阿拉斯加的 Wolverine 冰川以及紐約州的小溪中測試了他們的 DNA 示蹤劑。他們還在加利福尼亞州內華達山脈山麓研究和推廣中心的一座小山上以及實驗室實驗中嘗試了這項技術。達爾克說，科學家們也可能可以使用這種方法來更好地理解與人類健康相關的問題——例如病原體和汙染物如何透過水和土壤傳播。根據達爾克的說法，目前一批 DNA 示蹤劑的成本約為 23 美元。
阿拉斯加大學費爾班克斯分校的地球物理學教授雷金·霍克沒有參與這項新工作，她說，這種工具可能對像她這樣的研究人員有用。“這種示蹤劑似乎非常有前景。它克服了其他示蹤劑[如染料和鹽]的許多問題。它是‘乾淨’的，不可見的，而且顯然生產成本低廉，”霍克在回覆《大眾科學》的電子郵件中寫道。“因此，它為研究冰川和冰蓋中難以接近的水文系統提供了新的機會。”羅格斯大學地理學副教授阿薩·倫納爾馬錶示同意。倫納爾馬也沒有參與這項研究，她研究格陵蘭冰蓋的水文，特別是冰蓋表面的河流以及從冰蓋中流出的河流。“對於我們這些研究冰蓋和冰川的人來說，我們關心的一個關鍵問題是水如何在冰中和冰下流動，”倫納爾馬說。“這項技術對於理解這個問題非常重要。”