挪威斯瓦尔巴特群岛，融化的冰川上出现了一挂瀑布。
供图：Art Wolfe/Getty Images
世界上的冰川和格陵兰岛的冰盖正在以很快的速度融化。南极洲冰川融化的现况尚不明确，但是科学家们普遍认为覆盖在大陆上的冰正在消融。随着这个星球持续变暖，这些广袤的长期冰封的地区将继续解冻，并将融冰注入到海平面不断上升的海洋之中。研究人员们正急切地回答关键问题，比如弄清楚参与这些巨大冰层融化时的动力。最近，一个科学家团队开发了一种新方法来研究这个过程——用合成DNA来追踪融化的冰。
水文学家和冰川学家传统上使用荧光染料或盐（如氯化钠）跟踪水体系，包括融化冰。但是这样的追踪剂有一定的局限性，特别是在格陵兰冰盖这样的地方。当研究人员将追踪剂放在某个位置时，一些染料和盐将按预期向下游移动。但是他们中的一部分经常被困在环境中的某个地方。这使得研究更加困难和更费时间，因为染料和盐没有独一无二的特征，它们还可能与之前的或者未来的追踪剂混淆起来，加州大学戴维斯分校水文综合科学副教授Helen Dahlke说：“我们没有那么多独特的追踪剂能够保证在同一地点持续使用而不重复”，“如果之前的实验有遗漏的追踪剂，那会变得很棘手”。
不过，Dahlke和她来自加州大学戴维斯分校和康奈尔大学的团队意识到：他们可以用DNA来制造独特的追踪剂。“使用DNA，你有许多不同的碱基对组合，你可以真正生成数百万个不同的追踪剂，每种都有唯一的标记。”Dahlke解释道，“我们可以同时使用数百个追踪剂，而且能在时间和空间上区分它们”。对此，她的团队研发了人工合成的单链DNA分子，长度在80-100个碱基的随机序列。
这些DNA链被包裹在由生物可降解塑料制成的胶囊中，与被用来包装人类吞咽药物的胶囊属同类型，只是这里使用的胶囊是微型的，不超过一个大肠杆菌的大小。为了防止细菌或者其他生物将追踪剂整合到自己的DNA中，研究人员保持序列相对较短，并在数据库中测试以确保它们不会使用来自其他微生物的已知序列。Dahlke本月在新奥尔良举行的美国地球物理联盟会议上向科学家们表示：这不是一个具有遗传功能的序列。
科学家们可以使用这种方法投放大批追踪剂——具有相同DNA序列的数万亿个胶囊——以确保他们在下游有足够的聚集量以便被发现。他们可能在一个单独的地点投放一批独特的追踪剂，或者将几批带有不同标记的追踪剂注入到冰川或冰盖上的融化点。这些保护性的胶囊不会快速溶解，因此研究人员可以从冰川中采集水样，再到实验室中熔掉塑料胶囊外壳，然后对水样中的DNA进行测序。通过这些信息他们可以弄清水的来源，以及何时从融化点流出，何时到达冰川的出口。这样的数据可以帮助科学家们评估其他重要因素，如水流途径以及冰川的融化程度。
这种信息是非常有价值的，Dahlke和其他专家说道。“我们仍然对冰川（冰盖）融水如何流动存有一些基础性问题”Dahlke说，“例如，地表融化水湖泊的形成和自发排水，没人能提出一个好的解释说明成因……或者水去哪里了”。她指出，研究人员有时会冒着被掩埋的风险，通过叫“moulins”的竖井爬入冰川中，他们只能走这么远，看看地表水流向哪里。
DNA追踪剂可以摆脱这种限制，也使得科学家的工作更加安全。此外，由于追踪剂包含独特的代码，研究人员不必像他们在使用传统追踪剂时那样等待注入。这可以帮助减少实验所需的时间和资源，并且为冰川学家提供更准确的信息。“冰川在融化季节会演变。”Dahlke补充说，如果研究人员能在短时间内投放追踪剂，他们就能够得到更符合冰川系统如何工作的相关数据。
目前为止，Dahlke和她的团队已经在瑞典北部的一个名为Storglaciaren的冰川上，阿拉斯加的Wolverine冰川和纽约州的小溪上测试了他们的DNA追踪剂。他们还在加利福尼亚的Sierra Foothill研究与推广中心的一座小山上尝试了这项技术，并在实验室中进行了测试。Dahlke说，科学家也可能使用这种方法来更好地理解与人类健康有关的问题，例如病原体和污染物如何通过水和土壤传播。据Dahlke介绍，目前一批DNA追踪剂的成本大约为23美元。
阿拉斯加大学费尔班克斯分校的地球物理学教授Regine Hock没有参与这项新工作，但她表示，这一新工具对于像她这样的研究人员非常有用。“这些追踪剂具有巨大的前景，它克服了许多其他追踪剂（如盐和染料）存在的问题，它是‘干净的’，不可见的，而且生产成本低”。Hock在回应给《科学美国人》杂志提问的邮件中写道。“因此，它为研究大多数难以人为触及的冰川和冰盖的水文系统提供了新的机会”，罗格斯大学的地理学副教授Asa Rennermalm对此表示赞同。Rennermalm也没有参与这项研究，他研究了格陵兰冰盖的水文特性，特别是冰盖表面的水流以及流出冰盖的水流。“那些研究冰川和冰盖的人关注的一个关键问题是：水是如何流到冰下的，”Rennermalm说，“这项技术对于理解这个问题可能十分重要”。
翻译：高政圆
审校：董子晨曦
原文来自 环球科学
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