研究人員製造了一台DNA”時光機”，分析了丹麥一個湖泊在過去一個世紀中的環境變化，結果顯示，由於污染物和氣候變化，生物多樣性嚴重喪失。雖然生態有所恢復，但該湖泊原有的生物多樣性無法完全恢復。

人工智慧分析表明，污染程度、極端天氣事件和氣溫升高破壞了淡水湖的生物多樣性。科學家首次驗證了他們的DNA”時間機器”概念，揭示了淡水湖一個世紀以來的環境變化–包括氣溫升高和污染，導致生物多樣性可能不可逆轉地喪失。

他們的方法是將人工智慧應用於基於DNA的生物多樣性、氣候變量和污染，可以幫助監管機構保護地球現有的生物多樣性水平，甚至改善它們。

伯明罕大學的研究人員與法蘭克福歌德大學合作，利用丹麥一個湖底的沉積物重建了一個有100 年歷史的生物多樣性、化學污染和氣候變遷水平庫。這個湖的水質變化歷史有據可查，是測試生物多樣性時間機器的完美自然實驗。

湖岸上的採樣船。資料來源：伯明翰大學

專家們於11月7日在eLife雜誌上發表了他們的研究成果，揭示了沉積物中蘊藏著生物和環境信號的連續記錄，這些信號隨著時間的推移發生了變化–從工業革命開始時的（半）原始環境一直到現在。

研究小組利用環境DNA（植物、動物和細菌留下的遺傳物質）來建構整個淡水群落的圖像。在人工智慧的輔助下，他們結合氣候和污染數據分析了這些訊息，找出了湖中物種歷史性消失的原因。

首席研究員、伯明翰大學進化系統生物學和環境垚學教授、艾倫-圖靈研究所研究員路易莎-奧爾西尼解釋說：”我們從湖底提取了沉積物岩芯，利用沉積物中的生物數據，就像一台時間機器–回溯過去，以每年的分辨率建立上個世紀生物多樣性的詳細圖景。透過將生物數據與氣候變遷數據和污染程度進行分析，我們可以找出對生物多樣性影響最大的因素。”

顯示研究工作的圖表。圖片來源：Niamh Eastwood 和Luisa Orsini 教授

“保護每個物種而不影響人類生產是不切實際的，但利用人工智慧，我們可以優先保護能夠提供生態系統服務的物種。同時，我們還能識別最主要的污染物，指導對具有最大不利影響的化合物進行監管。這些行動不僅可以幫助我們保護現有的生物多樣性，而且有可能改善生物多樣性的恢復。生物多樣性維持著許多生態系統服務，我們都從中受益。保護生物多樣性意味著保護這些服務”。

研究人員發現，殺蟲劑和殺菌劑等污染物以及最低氣溫的升高（升高1.2-1.5度）對生物多樣性水平造成的破壞最大。

不過，沉積物中的DNA 也表明，在過去20 年中，該湖已開始恢復。隨著湖泊週邊地區農業用地的減少，水質也有所改善。然而，雖然整體生物多樣性有所增加，但群落卻與（半）原始階段不同。這一點令人擔憂，因為不同的物種可以提供不同的生態系統服務，因此，它們無法返回特定地點會阻礙特定服務的恢復。

第一作者、伯明罕大學博士生尼婭姆-伊斯特伍德（Niamh Eastwood）說：「污染和水溫升高造成的生物多樣性損失可能是不可逆轉的。100 年前湖中發現的物種已經消失，但它們不可能全部回歸。即使湖水正在恢復，也不可能恢復到原來的原始狀態。這項研究表明，如果我們不能保護生物多樣性，很多生物多樣性可能會永遠消失”。

共同第一作者、伯明翰大學環境生物資訊學助理教授周家瑞博士說：”我們的整體模型可以幫助我們預測在’一切照舊’和其他污染情況下生物多樣性的可能損失。我們已經證明了基於人工智慧的方法在了解生物多樣性喪失的歷史驅動因素方面的價值。隨著新數據的出現，可以使用更複雜的人工智慧模型來進一步改進我們對生物多樣性喪失原因的預測。”

下一步，研究人員將把單一湖泊的初步研究擴展到英格蘭和威爾斯的湖泊。這項新的研究將幫助他們了解他們觀察到的模式有多大的可複製性，從而了解他們如何能夠推廣他們在污染和氣候變遷對湖泊生物多樣性影響方面的發現。