《PNAS》論生物多樣性測量范式的根本轉(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，《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了一篇頗具影響力的綜述性論文，提出生物多樣性測量的九大變革方向。該文強調(diào)，當(dāng)前的生物多樣性危機下，亟需從傳統(tǒng)的單一物種觀測轉(zhuǎn)向集成AI、聲學(xué)監(jiān)測、eDNA和遙感技術(shù)的“透明生態(tài)系統(tǒng)”監(jiān)測。論文核心觀點認為，必須在計算科學(xué)家、分子生物學(xué)家與土著社區(qū)之間建立“激進的跨界協(xié)作”，以構(gòu)建一個能夠適應(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)。這反映了保護生物學(xué)從“現(xiàn)狀記錄”向“實時反饋與干預(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)。作者團隊重點呈現(xiàn)了對這一本質(zhì)上具有多面性和異質(zhì)性的概念及現(xiàn)象進行全球量化評估后的核心成果。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)及政策研究的國際專家，共同完成了一項具有里程碑意義的研究。該項研究于2026年3月4日正式發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，題為《實現(xiàn)生物多樣性測量根本性變革所需的九項改變》。這篇深度評述系統(tǒng)梳理了當(dāng)代監(jiān)測技術(shù)的跨越式演進，針對全球生態(tài)治理中長期存在的數(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)的行動路線圖。

在全球人類活動壓力持續(xù)增強的背景下，生物多樣性的急劇下降已不僅是生態(tài)議題，它成了威脅社會穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展的一個系統(tǒng)性的風(fēng)險。

薩瑟蘭團隊在文中強調(diào)，精準且可靠的生物多樣性測量是所有保護行動、恢復(fù)工程及可持續(xù)管理政策的邏輯起點。當(dāng)前，我們正處于一場由新興技術(shù)驅(qū)動的監(jiān)測革命之中，從公民科學(xué)的廣泛參與，到聲學(xué)監(jiān)測、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自然的認知。

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▲上圖：2024年的一次海洋生物多樣性監(jiān)測中，在航拍鏡頭下，鯨鯊覓食區(qū)附近的海面熱鬧非凡，一群長吻真海豚正在進行群體交配。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，而這場交配并不是一對一的——總共有四只雄海豚，輪番參與到和這只雌海豚的交配活動里，這是這種海洋生物獨特的繁衍習(xí)性的一個特點。?攝影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

監(jiān)測技術(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”態(tài)勢。全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)（Global Biodiversity Information Facility, GBIF）作為核心平臺，其管理記錄的增長速率已超過每年4.2億條。這一數(shù)據(jù)洪流，整合了博物館與標本館的數(shù)字化館藏、環(huán)境DNA采集、以及諸如eBird觀鳥平臺、以及iNaturalist等公民科學(xué)平臺的實時觀測。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)超過了110萬。這種社會化觀測模式+自動化技術(shù)的結(jié)合，使得對物種分布、種群趨勢以及棲息地變化的實時追蹤成為了可能。

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▲上圖：細心的朋友們可能會發(fā)現(xiàn)，3年之前，全球生物多樣性信息平臺（GBIF）是沒有eDNA數(shù)據(jù)類型的。但是前兩年開始，已經(jīng)開始納入并整合eDNA（環(huán)境DNA）數(shù)據(jù)，這是GBIF邁向未來、豐富其數(shù)據(jù)類型的非常重要的一步。其目標是，讓eDNA數(shù)據(jù)生產(chǎn)者能夠更輕松地將其數(shù)據(jù)集以標準化格式發(fā)布到GBIF，確保數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)、可訪問、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)點的一個會議后 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

在分子生物學(xué)領(lǐng)域，環(huán)境DNA（#eDNA）技術(shù)的成熟標志著生物監(jiān)測進入了“遺傳痕跡”時代。通過對水體、土壤甚至空氣樣本的檢測，科學(xué)家能夠識別出環(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古生命。文中引用了格陵蘭島兩百萬年前沉積物的研究實例，展示了eDNA在重現(xiàn)古代植被與大型哺乳動物（如乳齒象）景觀方面的驚人潛力。

與此同時，諸如地球生物基因組計劃（Earth BioGenome Project, EBP）等宏大工程，正致力于在2031年前生成15萬個物種的高質(zhì)量參考基因組，這將為理解遺傳多樣性、評估物種對氣候變化的韌性打下基礎(chǔ)。

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(圖文無關(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 攝于國家自然博物館 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

在感知與識別技術(shù)方面，深度學(xué)習(xí)驅(qū)動的圖像與聲學(xué)識別系統(tǒng)正走向規(guī)模化應(yīng)用。康奈爾大學(xué)開發(fā)的鳥網(wǎng)（BirdNET）系統(tǒng)到2025年已能識別超過三千種鳥類，其準確度足以復(fù)制人類觀察者的季節(jié)性探測模式。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，實時記錄著全球森林砍伐、土地利用變化以及紅樹林等沿海系統(tǒng)的動態(tài)。

▲上圖：珠海淇澳島紅樹林濕地保護區(qū)的招潮蟹。該保護區(qū)位于伶仃洋畔，有大片茂密的紅樹林。這片濕地生態(tài)系統(tǒng)，為眾多鳥類、魚類和其他海洋生物提供了棲息和繁衍的場所，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，但研究團隊清醒地指出，單純的技術(shù)堆砌，恐并不能自動轉(zhuǎn)化為有效的保護成果。為了應(yīng)對全球生物多樣性危機，必須在監(jiān)測體系上實現(xiàn)九項根本性轉(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，如單一的視覺觀察或聲學(xué)記錄。未來的監(jiān)測應(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（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，但也強調(diào)這種洞察力必須建立在嚴謹?shù)摹罢嬷怠保℅round truth）驗證之上。

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2026年全球生物多樣性保護的15個新風(fēng)向

▲上圖：澳大利亞知名的生態(tài)學(xué)家和爬行動物學(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際基因組學(xué)大會（ICG-20）上，他發(fā)表了題為《未來一瞥：組學(xué)技術(shù)解析環(huán)境變化下的快速進化》的學(xué)術(shù)報告，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)機制。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

第二，確立全球統(tǒng)一的監(jiān)測標準與協(xié)議已迫在眉睫。目前，不同國家、機構(gòu)及科研團隊在數(shù)據(jù)采集方法上的不一致，嚴重阻礙了全球尺度的橫向?qū)Ρ扰c長期趨勢評估。研究建議由國際組織牽頭，開發(fā)一套分層的、模塊化的監(jiān)測框架，涵蓋從數(shù)據(jù)獲取、指標計算到最終報告的全流程。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），還需遵循針對原住民知識的關(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)同標定是確保歷史連續(xù)性的關(guān)鍵。當(dāng)監(jiān)測手段從傳統(tǒng)的人工樣帶調(diào)查轉(zhuǎn)向全自動的傳感器識別時，觀測數(shù)據(jù)的跳躍可能導(dǎo)致誤判生態(tài)趨勢。作者團隊指出，必須在新舊方法更迭期間，于重疊區(qū)域進行長期的并行運行（Cross-calibration），通過數(shù)學(xué)標定將歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)代高通量數(shù)據(jù)整合進統(tǒng)一的時間序列中。

第四，彌補全球地理與分類學(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”，鳥類占據(jù)了GBIF數(shù)據(jù)的絕對主體，而對于熱帶地區(qū)、深海生態(tài)系統(tǒng)、土壤微生物以及絕大多數(shù)無脊椎動物（Dark biodiversity，即黑暗生物多樣性），人類的認知依然處于匱乏狀態(tài)。這種數(shù)據(jù)偏見直接影響了保護政策的制定，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，針對人工智能帶來的信息安全挑戰(zhàn)，建立受保護的“活數(shù)據(jù)庫”。隨著AI技術(shù)的普及，海量的虛假信息（AI幻覺）或偽造數(shù)據(jù)可能污染科學(xué)文獻、污染監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)有的處理流程似乎難以有效應(yīng)對這一難題。作為黃金標準的系統(tǒng)綜述耗費巨大，然而許多綜述已在不知不覺中引用了被撤回的文獻，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，這一問題將進一步惡化。該研究團隊提議，應(yīng)該建立一個機構(gòu)聯(lián)合的、動態(tài)更新的證據(jù)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)，以確保研究結(jié)果的科學(xué)完整性，通過自動化篩選+專家審核相結(jié)合的方式，維護一個持續(xù)更新的、經(jīng)實證檢驗的證據(jù)數(shù)據(jù)庫，以防范虛假科研成果干擾生態(tài)評估。

第六，必須在科研文化中重新評估數(shù)據(jù)生產(chǎn)者的價值。長期以來，野外實地調(diào)查和數(shù)據(jù)采集被視為“低價值勞動”。研究呼吁，應(yīng)當(dāng)通過數(shù)字對象標識符（DOI）引用、聯(lián)合署名權(quán)以及專項資金支持，給予一線監(jiān)測者、公民科學(xué)家及原住民社區(qū)應(yīng)有的學(xué)術(shù)與經(jīng)濟激勵，避免出現(xiàn)“使用者獲益、生產(chǎn)者無名”的掠奪式模型。

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▲上圖：eDNA技術(shù)為生物多樣性保護和土地治理提供了一種強有力的非侵入式工具，盡管它并非萬能，但其在追蹤野生動物蹤跡方面的潛力巨大。近日發(fā)表的了另外一項研究在加拿大魁北克的Abitibiwinni Aki（即Abitibiwinni原住民的祖先土地）進行，研究團隊與Abitibiwinni第一民族的成員共同開發(fā)了eDNA采樣協(xié)議，并對不同采樣方法和底物進行比較，特別關(guān)注雪、塵土和水等不同采樣介質(zhì)對陸生物種的檢測能力。實驗的對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（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地區(qū)，其世代相傳的生態(tài)觀察具有極高的科學(xué)價值。諸如北極地區(qū)的PISUNA計劃（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)知識與科學(xué)監(jiān)測結(jié)合，能產(chǎn)生遠超單一手段的治理成效。

第八，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠直接量化保護行動的成效。監(jiān)測的最終目的不應(yīng)僅僅是記錄物種的消亡，而應(yīng)成為評估政策有效性的反饋環(huán)。未來的監(jiān)測設(shè)計應(yīng)從一開始就納入對保護措施（如退耕還林、建立禁獵區(qū)）的績效評估，為證據(jù)支撐的決策（Evidence-based decision-making）提供數(shù)據(jù)閉環(huán)。

第九，增強全球監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)韌性。面對地緣政治變動、資金波動以及技術(shù)迭代，全球性的生物多樣性監(jiān)測平臺必須具備抵御社會與技術(shù)波動的能力，確保關(guān)鍵的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)不會因為短期因素而中斷。

監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)直接量化保護行動的成效。監(jiān)測的最終目的不只是記錄物種的消亡，而應(yīng)成為評估政策有效性的反饋環(huán)。未來的監(jiān)測設(shè)計應(yīng)從一開始就納入對保護措施的績效評估，為基于證據(jù)的決策提供數(shù)據(jù)閉環(huán)。此外，面對地緣政治變動、資金波動以及技術(shù)迭代，亟需增強全球監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)韌性，全球性的生物多樣性監(jiān)測平臺必須具備抵御社會與技術(shù)波動的能力，確保關(guān)鍵的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)不會中斷。

該研究團隊指出，實現(xiàn)生物多樣性監(jiān)測的徹底變革，需要一場廣泛的跨界協(xié)作。這就不只是生態(tài)學(xué)家的分內(nèi)事了，計算機科學(xué)家、硬件工程師、分子生物學(xué)家、社會學(xué)家、原住民領(lǐng)袖以及政策制定者都需要參與其中。當(dāng)這種嚴謹、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反映全球生物多樣性框架等國際公約的進展時，人類才真正擁有了扭轉(zhuǎn)生物多樣性喪失趨勢的可靠工具。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·趨勢

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資訊源 | PNAS

文 | 王海詩

編輯 | 海潮君

排版 | 盧曉雨

時間 | 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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