《PNAS》論生物多樣性測(cè)量范式的根本轉(zhuǎn)型 | 海潮天下·科學(xué)前沿

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出品 | 海潮天下

【海潮天下·導(dǎo)讀】2026年3月4日，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了一篇頗具影響力的綜述性論文，提出生物多樣性測(cè)量的九大變革方向。該文強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前的生物多樣性危機(jī)下，亟需從傳統(tǒng)的單一物種觀測(cè)轉(zhuǎn)向集成AI、聲學(xué)監(jiān)測(cè)、eDNA和遙感技術(shù)的“透明生態(tài)系統(tǒng)”監(jiān)測(cè)。論文核心觀點(diǎn)認(rèn)為，必須在計(jì)算科學(xué)家、分子生物學(xué)家與土著社區(qū)之間建立“激進(jìn)的跨界協(xié)作”，以構(gòu)建一個(gè)能夠適應(yīng)2030年后《昆明-蒙特利爾全球生物多樣性框架》（GBF）率信息系統(tǒng)。這反映了保護(hù)生物學(xué)從“現(xiàn)狀記錄”向“實(shí)時(shí)反饋與干預(yù)”的思潮轉(zhuǎn)變。

▲上圖：該文匯總了衡量全球生物多樣性現(xiàn)狀的一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)。作者團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)呈現(xiàn)了對(duì)這一本質(zhì)上具有多面性和異質(zhì)性的概念及現(xiàn)象進(jìn)行全球量化評(píng)估后的核心成果。論文出處：Sutherland J W ,Burgess D N ,Edwards V S , et al.(2026)

重塑全球生物多樣性信息系統(tǒng)

劍橋大學(xué)動(dòng)物學(xué)系的威廉·薩瑟蘭教授領(lǐng)銜，聯(lián)合內(nèi)爾·伯吉斯、斯科特·愛(ài)德華茲以及吉恩·羅賓遜等40余位涵蓋生態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)及政策研究的國(guó)際專家，共同完成了一項(xiàng)具有里程碑意義的研究。該項(xiàng)研究于2026年3月4日正式發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，題為《實(shí)現(xiàn)生物多樣性測(cè)量根本性變革所需的九項(xiàng)改變》。這篇深度評(píng)述系統(tǒng)梳理了當(dāng)代監(jiān)測(cè)技術(shù)的跨越式演進(jìn)，針對(duì)全球生態(tài)治理中長(zhǎng)期存在的數(shù)據(jù)碎片化、技術(shù)壁壘及倫理困境，提出了一套旨在重塑全球生物多樣性信息系統(tǒng)的行動(dòng)路線圖。

在全球人類活動(dòng)壓力持續(xù)增強(qiáng)的背景下，生物多樣性的急劇下降已不僅是生態(tài)議題，它成了威脅社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)系統(tǒng)性的風(fēng)險(xiǎn)。

薩瑟蘭團(tuán)隊(duì)在文中強(qiáng)調(diào)，精準(zhǔn)且可靠的生物多樣性測(cè)量是所有保護(hù)行動(dòng)、恢復(fù)工程及可持續(xù)管理政策的邏輯起點(diǎn)。當(dāng)前，我們正處于一場(chǎng)由新興技術(shù)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)測(cè)革命之中，從公民科學(xué)的廣泛參與，到聲學(xué)監(jiān)測(cè)、環(huán)境DNA（eDNA）、基因組學(xué)、高分辨率遙感、以及人工智能（AI）的深度融合，這些技術(shù)正在以前所未有的尺度和精度重塑人類對(duì)自然的認(rèn)知。

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▲上圖：2024年的一次海洋生物多樣性監(jiān)測(cè)中，在航拍鏡頭下，鯨鯊覓食區(qū)附近的海面熱鬧非凡，一群長(zhǎng)吻真海豚正在進(jìn)行群體交配。一只身形嬌小的雌海豚游在上方，身下有一只雄海豚肚皮朝上、身體翻轉(zhuǎn)著與之相伴，而這場(chǎng)交配并不是一對(duì)一的——總共有四只雄海豚，輪番參與到和這只雌海豚的交配活動(dòng)里，這是這種海洋生物獨(dú)特的繁衍習(xí)性的一個(gè)特點(diǎn)。?攝影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

監(jiān)測(cè)技術(shù)的新疆界

數(shù)據(jù)的海量涌現(xiàn)

該研究首先揭示了當(dāng)前生物多樣性數(shù)據(jù)產(chǎn)出的“爆炸式增長(zhǎng)”態(tài)勢(shì)。全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)（Global Biodiversity Information Facility, GBIF）作為核心平臺(tái)，其管理記錄的增長(zhǎng)速率已超過(guò)每年4.2億條。這一數(shù)據(jù)洪流，整合了博物館與標(biāo)本館的數(shù)字化館藏、環(huán)境DNA采集、以及諸如eBird觀鳥(niǎo)平臺(tái)、以及iNaturalist等公民科學(xué)平臺(tái)的實(shí)時(shí)觀測(cè)。截至2025年6月，eBird記錄的觀察數(shù)據(jù)已突破20億條，參與人數(shù)超過(guò)了110萬(wàn)。這種社會(huì)化觀測(cè)模式+自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合，使得對(duì)物種分布、種群趨勢(shì)以及棲息地變化的實(shí)時(shí)追蹤成為了可能。

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▲上圖：細(xì)心的朋友們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，3年之前，全球生物多樣性信息平臺(tái)（GBIF）是沒(méi)有eDNA數(shù)據(jù)類型的。但是前兩年開(kāi)始，已經(jīng)開(kāi)始納入并整合eDNA（環(huán)境DNA）數(shù)據(jù)，這是GBIF邁向未來(lái)、豐富其數(shù)據(jù)類型的非常重要的一步。其目標(biāo)是，讓eDNA數(shù)據(jù)生產(chǎn)者能夠更輕松地將其數(shù)據(jù)集以標(biāo)準(zhǔn)化格式發(fā)布到GBIF，確保數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)、可訪問(wèn)、可互操作和可重用（FAIR原則）。目前，GBIF已經(jīng)建立了eDNA數(shù)據(jù)發(fā)布的最佳實(shí)踐指南，并創(chuàng)建了數(shù)據(jù)管理工具，幫助研究人員將其eDNA元數(shù)據(jù)和物種出現(xiàn)記錄轉(zhuǎn)換為GBIF支持的格式（如Darwin Core Archive）。上圖是GBIF的一些數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的宣傳單。?Linda Wong 攝于GBIF亞洲區(qū)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)會(huì)議后 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

在分子生物學(xué)領(lǐng)域，環(huán)境DNA（#eDNA）技術(shù)的成熟標(biāo)志著生物監(jiān)測(cè)進(jìn)入了“遺傳痕跡”時(shí)代。通過(guò)對(duì)水體、土壤甚至空氣樣本的檢測(cè)，科學(xué)家能夠識(shí)別出環(huán)境中存在的各種生物。這種技術(shù)不僅能用于監(jiān)測(cè)當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)，甚至能揭示深埋于永凍土、或湖泊沉積物中的遠(yuǎn)古生命。文中引用了格陵蘭島兩百萬(wàn)年前沉積物的研究實(shí)例，展示了eDNA在重現(xiàn)古代植被與大型哺乳動(dòng)物（如乳齒象）景觀方面的驚人潛力。

與此同時(shí)，諸如地球生物基因組計(jì)劃（Earth BioGenome Project, EBP）等宏大工程，正致力于在2031年前生成15萬(wàn)個(gè)物種的高質(zhì)量參考基因組，這將為理解遺傳多樣性、評(píng)估物種對(duì)氣候變化的韌性打下基礎(chǔ)。

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(圖文無(wú)關(guān))▲上圖：猛犸象（Mammuthus）的皮毛。這是它們適應(yīng)寒冷環(huán)境的重要特征之一，尤其在冰期的嚴(yán)寒氣候中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。猛犸象的皮毛密集且厚重，通常由長(zhǎng)而粗的外毛和一層短而濃密的絨毛組成，形成雙層防寒的結(jié)構(gòu)。外層毛發(fā)呈棕色或黃色，有助于抵御寒風(fēng)和低溫，而內(nèi)層的絨毛則為其提供了額外的保暖效果。猛犸象的皮毛除保持體溫，還能有效防止冰雪和濕氣滲透。此外，猛犸象的耳朵較小，進(jìn)一步減少了熱量的散失。這些適應(yīng)性特征幫助猛犸象在極寒的環(huán)境中生存，直到其在約4000年前的滅絕。?Linda Wong 攝于國(guó)家自然博物館 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

在感知與識(shí)別技術(shù)方面，深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的圖像與聲學(xué)識(shí)別系統(tǒng)正走向規(guī)模化應(yīng)用。康奈爾大學(xué)開(kāi)發(fā)的鳥(niǎo)網(wǎng)（BirdNET）系統(tǒng)到2025年已能識(shí)別超過(guò)三千種鳥(niǎo)類，其準(zhǔn)確度足以復(fù)制人類觀察者的季節(jié)性探測(cè)模式。而在海洋環(huán)境中，分布式聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)正被用于追蹤鯨類、魚(yú)類的行為，甚至能發(fā)現(xiàn)科學(xué)界尚未描述的新物種。衛(wèi)星遙感技術(shù)則提供了宏觀的視覺(jué)支撐，歐洲航天局（ESA）的Sentinel-2衛(wèi)星以10米的分辨率、每5天的更新頻率，實(shí)時(shí)記錄著全球森林砍伐、土地利用變化以及紅樹(shù)林等沿海系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。

▲上圖：珠海淇澳島紅樹(shù)林濕地保護(hù)區(qū)的招潮蟹。該保護(hù)區(qū)位于伶仃洋畔，有大片茂密的紅樹(shù)林。這片濕地生態(tài)系統(tǒng)，為眾多鳥(niǎo)類、魚(yú)類和其他海洋生物提供了棲息和繁衍的場(chǎng)所，也發(fā)揮著防風(fēng)固浪、凈化水質(zhì)等重要的生態(tài)功能。?張效唯 攝影

九大根本性改變

盡管技術(shù)手段日新月異，但研究團(tuán)隊(duì)清醒地指出，單純的技術(shù)堆砌，恐并不能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為有效的保護(hù)成果。為了應(yīng)對(duì)全球生物多樣性危機(jī)，必須在監(jiān)測(cè)體系上實(shí)現(xiàn)九項(xiàng)根本性轉(zhuǎn)變。

第一，必須充分利用新技術(shù)整合多元數(shù)據(jù)源的能力。傳統(tǒng)的生物多樣性信息往往是孤立的，如單一的視覺(jué)觀察或聲學(xué)記錄。未來(lái)的監(jiān)測(cè)應(yīng)致力于構(gòu)建全景式模型，將衛(wèi)星遙感的宏觀視角與地面?zhèn)鞲衅鳌h(huán)境DNA及原住民知識(shí)（Indigenous Knowledge）的微觀視角深度耦合。研究特別提到了生成式人工智能在處理這些互不相干的數(shù)據(jù)源、揭示隱藏模式方面的巨大潛力，但也強(qiáng)調(diào)這種洞察力必須建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹罢嬷怠保℅round truth）驗(yàn)證之上。

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▲上圖：澳大利亞知名的生態(tài)學(xué)家和爬行動(dòng)物學(xué)家阿瑟·喬治（Arthur Georges）在2025年3月22日于武漢舉辦的第二十屆國(guó)際基因組學(xué)大會(huì)（ICG-20）上，他發(fā)表了題為《未來(lái)一瞥：組學(xué)技術(shù)解析環(huán)境變化下的快速進(jìn)化》的學(xué)術(shù)報(bào)告，探討組學(xué)技術(shù)如何助力理解生物在環(huán)境壓力下的快速適應(yīng)機(jī)制。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

第二，確立全球統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議已迫在眉睫。目前，不同國(guó)家、機(jī)構(gòu)及科研團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集方法上的不一致，嚴(yán)重阻礙了全球尺度的橫向?qū)Ρ扰c長(zhǎng)期趨勢(shì)評(píng)估。研究建議由國(guó)際組織牽頭，開(kāi)發(fā)一套分層的、模塊化的監(jiān)測(cè)框架，涵蓋從數(shù)據(jù)獲取、指標(biāo)計(jì)算到最終報(bào)告的全流程。這不僅包括遵循數(shù)據(jù)的公平性原則（FAIR，即易發(fā)現(xiàn)、可獲取、互操作、可重用），還需遵循針對(duì)原住民知識(shí)的關(guān)懷性原則（CARE，即集體利益、權(quán)威控制、責(zé)任、倫理）。

第三，新舊技術(shù)的協(xié)同標(biāo)定是確保歷史連續(xù)性的關(guān)鍵。當(dāng)監(jiān)測(cè)手段從傳統(tǒng)的人工樣帶調(diào)查轉(zhuǎn)向全自動(dòng)的傳感器識(shí)別時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的跳躍可能導(dǎo)致誤判生態(tài)趨勢(shì)。作者團(tuán)隊(duì)指出，必須在新舊方法更迭期間，于重疊區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期的并行運(yùn)行（Cross-calibration），通過(guò)數(shù)學(xué)標(biāo)定將歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)代高通量數(shù)據(jù)整合進(jìn)統(tǒng)一的時(shí)間序列中。

第四，彌補(bǔ)全球地理與分類學(xué)的數(shù)據(jù)缺口，以確保公正治理。目前的數(shù)據(jù)積累存在顯著的“魅力生物偏好”，鳥(niǎo)類占據(jù)了GBIF數(shù)據(jù)的絕對(duì)主體，而對(duì)于熱帶地區(qū)、深海生態(tài)系統(tǒng)、土壤微生物以及絕大多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物（Dark biodiversity，即黑暗生物多樣性），人類的認(rèn)知依然處于匱乏狀態(tài)。這種數(shù)據(jù)偏見(jiàn)直接影響了保護(hù)政策的制定，導(dǎo)致許多高度瀕危、但缺乏數(shù)據(jù)的物種被排除在決策視野之外。

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第五，針對(duì)人工智能帶來(lái)的信息安全挑戰(zhàn)，建立受保護(hù)的“活數(shù)據(jù)庫(kù)”。隨著AI技術(shù)的普及，海量的虛假信息（AI幻覺(jué)）或偽造數(shù)據(jù)可能污染科學(xué)文獻(xiàn)、污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。現(xiàn)有的處理流程似乎難以有效應(yīng)對(duì)這一難題。作為黃金標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)綜述耗費(fèi)巨大，然而許多綜述已在不知不覺(jué)中引用了被撤回的文獻(xiàn)，且在獲知撤稿信息一年后，仍有89%的引用未得到更正。隨著人工智能偽造材料數(shù)量的激增，這一問(wèn)題將進(jìn)一步惡化。該研究團(tuán)隊(duì)提議，應(yīng)該建立一個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合的、動(dòng)態(tài)更新的證據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)，以確保研究結(jié)果的科學(xué)完整性，通過(guò)自動(dòng)化篩選+專家審核相結(jié)合的方式，維護(hù)一個(gè)持續(xù)更新的、經(jīng)實(shí)證檢驗(yàn)的證據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)，以防范虛假科研成果干擾生態(tài)評(píng)估。

第六，必須在科研文化中重新評(píng)估數(shù)據(jù)生產(chǎn)者的價(jià)值。長(zhǎng)期以來(lái)，野外實(shí)地調(diào)查和數(shù)據(jù)采集被視為“低價(jià)值勞動(dòng)”。研究呼吁，應(yīng)當(dāng)通過(guò)數(shù)字對(duì)象標(biāo)識(shí)符（DOI）引用、聯(lián)合署名權(quán)以及專項(xiàng)資金支持，給予一線監(jiān)測(cè)者、公民科學(xué)家及原住民社區(qū)應(yīng)有的學(xué)術(shù)與經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，避免出現(xiàn)“使用者獲益、生產(chǎn)者無(wú)名”的掠奪式模型。

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▲上圖：eDNA技術(shù)為生物多樣性保護(hù)和土地治理提供了一種強(qiáng)有力的非侵入式工具，盡管它并非萬(wàn)能，但其在追蹤野生動(dòng)物蹤跡方面的潛力巨大。近日發(fā)表的了另外一項(xiàng)研究在加拿大魁北克的Abitibiwinni Aki（即Abitibiwinni原住民的祖先土地）進(jìn)行，研究團(tuán)隊(duì)與Abitibiwinni第一民族的成員共同開(kāi)發(fā)了eDNA采樣協(xié)議，并對(duì)不同采樣方法和底物進(jìn)行比較，特別關(guān)注雪、塵土和水等不同采樣介質(zhì)對(duì)陸生物種的檢測(cè)能力。實(shí)驗(yàn)的對(duì)象為三種具有文化和生態(tài)重要性的鹿科物種——駝鹿（Alces americanus）、白尾鹿（Odocoileus virginianus）和馴鹿（Rangifer tarandus）。圖源：Paul Asman and Jill Lenoble

第七，尊重并深度融合原住民與地方知識(shí)（Indigenous and local knowledge）。原住民社區(qū)管理著全球大量的生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)，其世代相傳的生態(tài)觀察具有極高的科學(xué)價(jià)值。諸如北極地區(qū)的PISUNA計(jì)劃（Piniakkanik Sumiiffinni Nalunaarsuineq）已經(jīng)證明，在尊重原住民知情權(quán)、主權(quán)的前提下，將傳統(tǒng)知識(shí)與科學(xué)監(jiān)測(cè)結(jié)合，能產(chǎn)生遠(yuǎn)超單一手段的治理成效。

第八，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠直接量化保護(hù)行動(dòng)的成效。監(jiān)測(cè)的最終目的不應(yīng)僅僅是記錄物種的消亡，而應(yīng)成為評(píng)估政策有效性的反饋環(huán)。未來(lái)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)應(yīng)從一開(kāi)始就納入對(duì)保護(hù)措施（如退耕還林、建立禁獵區(qū)）的績(jī)效評(píng)估，為證據(jù)支撐的決策（Evidence-based decision-making）提供數(shù)據(jù)閉環(huán)。

第九，增強(qiáng)全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)韌性。面對(duì)地緣政治變動(dòng)、資金波動(dòng)以及技術(shù)迭代，全球性的生物多樣性監(jiān)測(cè)平臺(tái)必須具備抵御社會(huì)與技術(shù)波動(dòng)的能力，確保關(guān)鍵的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)槎唐谝蛩囟袛唷?/p>

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)直接量化保護(hù)行動(dòng)的成效。監(jiān)測(cè)的最終目的不只是記錄物種的消亡，而應(yīng)成為評(píng)估政策有效性的反饋環(huán)。未來(lái)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)應(yīng)從一開(kāi)始就納入對(duì)保護(hù)措施的績(jī)效評(píng)估，為基于證據(jù)的決策提供數(shù)據(jù)閉環(huán)。此外，面對(duì)地緣政治變動(dòng)、資金波動(dòng)以及技術(shù)迭代，亟需增強(qiáng)全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)韌性，全球性的生物多樣性監(jiān)測(cè)平臺(tái)必須具備抵御社會(huì)與技術(shù)波動(dòng)的能力，確保關(guān)鍵的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不會(huì)中斷。

該研究團(tuán)隊(duì)指出，實(shí)現(xiàn)生物多樣性監(jiān)測(cè)的徹底變革，需要一場(chǎng)廣泛的跨界協(xié)作。這就不只是生態(tài)學(xué)家的分內(nèi)事了，計(jì)算機(jī)科學(xué)家、硬件工程師、分子生物學(xué)家、社會(huì)學(xué)家、原住民領(lǐng)袖以及政策制定者都需要參與其中。當(dāng)這種嚴(yán)謹(jǐn)、透明且具備復(fù)原力的信息系統(tǒng)真正建立，并能夠?qū)崟r(shí)反映全球生物多樣性框架等國(guó)際公約的進(jìn)展時(shí)，人類才真正擁有了扭轉(zhuǎn)生物多樣性喪失趨勢(shì)的可靠工具。這一變革將為地球生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)底座。

海

潮

生物多樣性監(jiān)測(cè)·趨勢(shì)

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資訊源 | PNAS

文 | 王海詩(shī)

編輯 | 海潮君

排版 | 盧曉雨

時(shí)間 | 2026年4月

#eDNA

【參考資料】

感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
W.J. Sutherland,N.D. Burgess,S.V. Edwards,J.P.G. Jones,P.S. Soltis,D. Tilman,J.M. Allen,H.T. Andrianandrasana,C.J. Armour,T. August,K.S. Bawa,S. Bailey,T. Birch,P.H. Boersch-Supan,J. Cavender-Bares,M. Blaxter,R. Chaplin-Kramer,B.H. Daru,A. De Palma,[...] & G.E. Robinson, Nine changes needed to deliver a radical transformation in biodiversity measurement, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (10) e2519345123, https://doi.org/10.1073/pnas.2519345123 (2026).
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519345123

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