世界上的冰川和格陵兰冰盖正在迅速融化。 南极洲的情况不太明朗，但科学家普遍认为该大陆正在失去冰。随着地球持续变暖，这些广阔而长期冰冻的区域将继续融化，并将水排入我们不断上升的海域。研究人员正在争先恐后地回答关键问题，例如弄清这些巨大冰盖融化的动力学。现在，一个科学家团队开发了一种研究该过程的新方法——通过使用合成 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氯化钠等盐来追踪包括融冰在内的水系统。但是，这种示踪剂有局限性，尤其是在格陵兰冰盖这样的地方。当研究人员将它们投放到某个位置时，一些染料和盐会按预期向下游流动。但其中一部分通常会在环境中的某个点卡住。这使得研究更加困难和耗时，因为染料和盐没有独特的特征；它们可能会与之前或未来的示踪剂剂量混合在一起。“我们没有太多独特的示踪剂，可以在同一位置使用，”加州大学戴维斯分校综合水文科学副教授海伦·达尔克说。“如果你有上次实验的[残留]痕迹，那真的会使情况复杂化。”
但是达尔克和她的加州大学戴维斯分校和康奈尔大学的团队意识到，他们可以制造独特的示踪剂——使用 DNA。“使用 DNA，你有如此多的碱基对组合，你可以真正制造数百万种不同的示踪剂，每一种都有唯一的标识符，”达尔克解释说。“你可以同时应用数百种，而且你仍然可以在时间和空间上区分它们。”对于示踪剂，她的团队开发了合成的单链 DNA 分子，长度约为 80 到 100 个“字母”，具有随机序列。这些 DNA 链被放入由可生物降解塑料制成的胶囊中，这种塑料与用于包裹人类吞服的药物的类型相同，但这里使用的胶囊是微观的，不大于大肠杆菌的大小。为了防止细菌或其他生物将示踪剂纳入其自身的 DNA 中，研究人员将序列保持相对较短，并测试数据库以确保他们没有使用来自其他微生物的已知序列。“这不是一个基因功能性代码，”达尔克本月在新奥尔良举行的美国地球物理联盟会议上对科学家们说，她在会上介绍了这项新技术。
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使用这种方法，科学家们会投放一大批示踪剂——数万亿个具有相同 DNA 序列的胶囊——以确保它们足够集中，以便在下游被发现。他们可能会在单个位置投放一批唯一的示踪剂，或将几批不同的唯一 DNA 示踪剂注入冰川或冰盖上的各个融化点。保护性胶囊不会快速溶解，因此研究人员可以对从冰川中流出的水进行采样，将其带到实验室并融化塑料胶囊，然后对样品中存在的 DNA 进行测序。有了这些信息，他们就可以弄清楚水的来源，以及水何时从融化点流出并到达冰川出口。这些数据可以帮助科学家估计其他重要因素，例如流动路径以及冰川容纳多少融水。
达尔克和其他专家表示，这类信息非常有价值。“我们仍然对冰川[和冰盖]中融水的流动方式存在基本问题，”达尔克说。“例如，地表融水湖正在形成并自发排水，但没有人对此提出合理的解释……或者这些水流向哪里。”她指出，虽然研究人员有时会通过称为“冰臼”的垂直竖井爬到冰川中，以查看地表水的流向，但他们只能走这么远。他们有被压碎的风险。
DNA 示踪剂可以超越这种限制，并使科学家的工作更安全。此外，由于示踪剂包含唯一的代码，研究人员不必像使用传统示踪剂那样等待注射它们。这有助于减少实验所需的时间和资源，并可以为冰川学家提供更准确的信息。“冰川在融化季节会发生变化，”达尔克说，她补充说，如果研究人员可以在更短的时间内投放他们的示踪剂，他们将获得更多关于冰川系统如何运作的一致数据。
到目前为止，达尔克和她的团队已经在瑞典北部的 Storglaciaren 冰川、阿拉斯加的 Wolverine 冰川以及纽约州的小溪中测试了他们的 DNA 示踪剂。他们还在加利福尼亚州内华达山脉山麓研究和推广中心的一座小山上以及实验室实验中尝试了这项技术。达尔克说，科学家们也可能可以使用这种方法来更好地理解与人类健康相关的问题——例如病原体和污染物如何通过水和土壤传播。根据达尔克的说法，目前一批 DNA 示踪剂的成本约为 23 美元。
阿拉斯加大学费尔班克斯分校的地球物理学教授雷金·霍克没有参与这项新工作，她说，这种工具可能对像她这样的研究人员有用。“这种示踪剂似乎非常有前景。它克服了其他示踪剂[如染料和盐]的许多问题。它是‘干净’的，不可见的，而且显然生产成本低廉，”霍克在回复《大众科学》的电子邮件中写道。“因此，它为研究冰川和冰盖中难以接近的水文系统提供了新的机会。”罗格斯大学地理学副教授阿萨·伦纳尔马表示同意。伦纳尔马也没有参与这项研究，她研究格陵兰冰盖的水文，特别是冰盖表面的河流以及从冰盖中流出的河流。“对于我们这些研究冰盖和冰川的人来说，我们关心的一个关键问题是水如何在冰中和冰下流动，”伦纳尔马说。“这项技术对于理解这个问题非常重要。”