存档的自然DNA采样器揭示德国生物多样性四十年来的跨生命之树变化

为解决长期标准化生物监测数据缺乏的问题，研究人员利用德国环境样本库(ESB)存档的树叶、海藻和贻贝样本，通过DNA宏条形码技术分析了1985-2022年间陆地、淡水和海洋生态系统的生物多样性变化。研究发现所有生态系统均呈现物种组成逐渐更替的普遍模式，其中陆地群落出现空间同质化，而淡水群落因外来物种入侵呈现空间分化。该研究为理解人类世生物多样性变化提供了创新性标准化时间序列数据。

　　

全球生态系统正经历着人类活动带来的前所未有的变化，生物多样性持续下降引发广泛关注。然而，由于缺乏标准化、长期且覆盖广泛类群的监测数据，科学家们对生物多样性变化的模式和驱动机制仍知之甚少。传统监测方法往往局限于少数类群和短期观察，难以捕捉人类世背景下复杂的生态响应。这一数据缺口严重制约了我们对生物多样性变化的理解和保护策略的制定。

德国特里尔大学（Trier University）的研究团队创新性地利用德国环境样本库(Environmental Specimen Bank, ESB)中存档近40年的标准化样本，包括树叶、海藻和贻贝等自然DNA采样器，通过高通量DNA宏条形码技术，首次系统重建了1985-2022年间德国陆地、淡水和海洋生态系统的生物多样性变化轨迹。这项开创性研究发表在《Nature Ecology & Evolution》上，为理解人类世生物多样性变化提供了前所未有的时间序列数据。

研究人员采用多组学方法，从ESB存档的550份样本中提取环境DNA(eDNA)，使用16S rDNA、COI、ITS1和18S rDNA等标记基因进行扩增测序，分析了细菌、真菌、藻类/原生生物和后生动物等类群的多样性变化。通过开发基于岛屿生物地理平衡理论(ETIB)的非中性群落动态模型，将观测结果与无干扰条件下的预期变化进行比较，系统评估了α多样性、时空β多样性和γ多样性的变化趋势。

自然DNA采样器跨生态系统恢复生物多样性

研究分析了来自9个陆地站点、9个淡水站点和3个海洋站点的样本，共鉴定出66,184个零半径操作分类单元(OTUs)，涵盖102个门751个目。树叶样本恢复了丰富的细菌(5,183 OTUs)、真菌(6,250 OTUs)和节肢动物(3,275 OTUs)群落；海藻样本记录了5,474个细菌OTUs和787个后生动物OTUs；而贻贝样本则保存了周围浮游生物的多样性印记。NMDS分析显示，不同采样点和宿主物种的群落组成具有显著特异性。

多样性变化的普遍模式

与普遍预期的局部多样性(α-diversity)下降不同，研究发现α多样性呈现稳定、上升或下降的多样化趋势：海洋原核生物多样性显著下降，而淡水原核生物则急剧增加；陆地生态系统多数群落呈现轻微上升趋势。最突出的发现是所有生态系统均表现出显著的群落组成随时间变化(temporal β-diversity)，其变化速率显著快于模型预期，表现为大量OTUs的局域灭绝与新类群迁入的平衡。这种更替是渐进式的，未出现突然的群落状态转变，且较高分类阶元的组成保持稳定。

空间格局的分化与同质化

研究观察到不同生态系统的空间β多样性呈现相反趋势：陆地冠层生态系统（包括原核生物、真菌和节肢动物）普遍出现空间同质化(biotic homogenization)，主要由广布类群扩散或局域特有种消失驱动；而淡水群落的原核生物和微真核生物则表现出空间分化，可能与不同河流系统入侵物种的差异有关。在Blowes等提出的概念框架中，大多数群落(9/15)符合△α>△y的同质化模式，其余(6/15)则显示空间分化。

这项研究突破了传统生物监测的时空和类群限制，揭示了人类世生物多样性变化的复杂图景。研究发现物种组成更替而非简单消失是生物多样性变化的主导模式，且这种变化具有生态系统特异性——陆地群落趋向同质化而淡水群落趋向异质化。这些发现挑战了生物多样性普遍下降的简单叙事，强调了长期标准化监测的重要性。环境样本库作为"自然档案馆"的价值在此研究中得到充分体现，为全球生物多样性变化研究提供了新范式。

该研究的创新性在于将环境样本库的存档样本转化为标准化时间序列数据，开发了评估群落动态的新模型，并首次在跨生态系统尺度上揭示了生物多样性变化的普遍模式。这些发现对理解人类世生态系统的响应机制、制定有针对性的保护策略具有重要指导意义，同时也为利用全球环境样本库网络开展更广泛的生物多样性研究奠定了基础。未来研究可进一步探索所发现类群的生态功能角色，并将该方法扩展到更广阔的地理范围。