空气中充满DNA

# 空气中充满DNA——科学家正如何利用它 Source: https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2?error=cookies_not_supported&code=254ff892-9a74-46de-a490-dc42c7c586a7 Ryan Kelly 对空气中不可见的漂浮物感到惊叹。 “这完全令人难以置信，”在华盛顿大学（University of Washington）西雅图分校研究环境DNA（eDNA）的 Kelly 说道。“我们每时每刻都被以 DNA 和 RNA 形式存在的包围着。” 罕见鸟类的检出彰显了“环境DNA”的潜力 (https://www.nature.com/articles/d41586-019-03522-3) 科学家早已从水和土壤中提取 DNA，但直到最近才开始将空气视为遗传信息的来源。在过去十年左右的时间里，研究人员一直在摸索如何测量空气中的 DNA，研究其丰度，并利用它来构建生态系统生物组成与健康的画像 (https://www.nature.com/articles/d41586-023-01850-z)。空气中的 DNA 已被用于监测特定物种 (https://www.nature.com/articles/d41586-019-03522-3)，并作为检测入侵物种或生物武器袭击的手段进行测试。它还在被测试为一种评估生态保护工作成效的方法。 这项技术有望“通过一项极其快速、甚至可在野外操作并通过云端分析的单一检测，将全球所有的生物多样性联系在一起”，佛罗里达大学（University of Florida）圣奥古斯丁分校专注于野生动物疾病基因组学研究的 David Duffy 表示。 但仍有许多细节亟待明确，例如 DNA 在空气中降解的速度及其传播距离。部分从空气中提取的遗传物质来源于人类，多位科学家担心，当该技术用于生态保育研究时，可能会无意中泄露人群的种族信息或某人是否携带遗传疾病基因——甚至可能被用于识别个体身份。 ## 弥漫的DNA云 挠挠头，你就会将富含 DNA 的细胞物质释放到空气中。在那里，它会与其他无数来源的 DNA 混合：你自己和他人的呼吸、脱落的皮屑、头发碎片、羽毛、排泄物、花粉和孢子，以及病毒和微藻等微生物。这些 DNA 可能包含长达数万碱基对的片段，随后会在空气中游荡几天，通常附着在灰尘颗粒上。其传播距离可从几米延伸至数千公里。 尽管目前已从水体 (https://www.nature.com/articles/d41586-024-00520-y)、积雪和土壤中常规采集 eDNA 以获取生物多样性信息或追踪污染物与病毒，但科学家通常并未监测除花粉和孢子以外的空气 DNA 源——后者是专为随风飘散而设计的强韧载体。 但在 2010 年代初，多位生态学家开始思考，除了包裹在那些随风飞舞的囊状物中的 DNA 外，空气中是否还隐藏着其他有价值的遗传痕迹。2013 年，伦敦自然历史博物馆（Natural History Museum）的生态学家 Matt Clark 与英国诺里奇埃尔姆研究所（Earlham Institute）的 Richard Leggett 在温室内及外部采集了空气样本。 “我们只是好奇能不能测出点什么，”Clark 说。“结果我们确实测出了几十种——甚至是上百种生物信号。” 与此同时，在得克萨斯理工大学（Texas Tech University）拉伯克校区，生态学家 Matthew Barnes 利用专门为采集水体 eDNA 开发的技术分析空气样本，发现其中充满了来自叶片和花朵的 DNA，以及一些并非专门依靠风力传播的花粉类型。他由此意识到了利用空气解析整个植物群落潜力的重要性1 (https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2?error=cookies_not_supported&code=254ff892-9a74-46de-a490-dc42c7c586a7#ref-CR1)。 但在英国剑桥附近发现老虎 DNA 的事件，才真正让更广泛的科学界意识到空气 DNA 的潜力。加拿大多伦多约克大学（York University）的 Elizabeth Clare 和伦敦大学学院（University College London）的 Joanne Littlefair 希望确认能否在空气中探测到动物 DNA。他们在英国剑桥郡的一座小型动物园采集样本，推理逻辑是：由于异域动物被限制在园区内，任何检测到的 DNA 都能确定其来源。 在实验室中，研究人员从样本中提取、扩增并测序了 DNA。他们发现能够“嗅”到距围栏 200 米外的老虎，以及园内的许多其他动物、它们的饲料（包括鸡、马、猪），还有刺猬、蝙蝠和松鼠等野生动物。总体而言，样本中包含了 25 种哺乳类和鸟类的 DNA，其中 17 种饲养于该动物园2 (https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2?error=cookies_not_supported&code=254ff892-9a74-46de-a490-dc42c7c586a7#ref-CR2)。同期发表于哥本哈根动物园（Copenhagen Zoo）附近的另一项研究也得出了相似结果3 (https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2?error=cookies_not_supported&code=254ff892-9a74-46de-a490-dc42c7c586a7#ref-CR3)。 “动物源性空气 DNA 一直都在，只是我们过去从未刻意寻找过，”在英国班戈大学（Bangor University）研究分子生态学的 Simon Creer 表示。 两人在森林地面架设采集设备。技术人员正在芬兰中部收集空气中的真菌孢子。图片来源：Tommi Sassi，于韦斯屈莱大学（University of Jyväskylä） 而真正找到将该方法规模化应用的途径的是一位物理学家。伦敦国家物理实验室（National Physical Laboratory）的 James Allerton 建议 Clare 检查英国重金属监测网络（UK Heavy Metals monitoring network）采集的样本，该网络拥有 25 台空气泵，分布在城市、乡村和工业区。 研究人员分析了该网络 15 个站点的样本，并于去年发表4 (https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2?error=cookies_not_supported&code=254ff892-9a74-46de-a490-dc42c7c586a7#ref-CR4)了据称为全球首份基于空气 eDNA 的陆地生物多样性国家调查报告。他们发现了英国本土常见动物，以及鹦鹉等外来宠物和不曾在此前该地区记录过的入侵鱼类白鲢（*Hypophthalmichthys molitrix*）。从脊椎动物到单细胞原生生物，共计检测到 1,100 个分类群。 为验证方法的可靠性，研究人员将结果与 iNaturalist 等大型数据库进行比对，该平台收录了公民科学家记录的观测数据。iNaturalist 漏掉了团队发现的一半物种。反过来，eDNA 也未反映 43% 的 iNaturalist 观测记录。公民科学往往更容易在人类聚居区附近发现鸟类和其他引人注目、易于观察的物种。而空气 DNA 捕捉到了更多小型、隐形和夜行性生物，包括真菌、地衣、无脊椎动物以及非乔木类植物，Littlefair 表示。“这些才是生态系统功能的核心驱动力。” 该团队认为，这种方法“是监测陆地生命动态的切实可行方案”。目前，研究人员正协助拥有类似监测网络的其他国家开展相同工作。 ## 空气档案库 但如果能利用一个不断抽吸海量空气并通过过滤器拦截、且历史记录可追溯数十年的网络呢？2015 年，瑞典于默奥大学（Umeå University）的分子生物学家 Per Stenberg 获悉了这样一种可能性——一份长达 70 年的生物多样性史，记载于捕获自数以万计过滤器的缕缕 DNA 之中，这些过滤器现存放于斯德哥尔摩的瑞典防务研究局（Swedish Defence Research Agency）。 他当时正在参加一场关于瑞典放射性核素探测网络（radionuclide-detection network）的研讨会。该网络建于 20 世纪 50 年代末，旨在检测核武器试验。25 个站点每小时吸入数百立方米空气，内容物随后储存于玻璃纤维过滤器上。 Stenberg 着手分析北极圈以北某站点的过滤器。与 Littlefair 团队搜索用于鉴定单一物种的短标记区（即 DNA 宏条形码技术，DNA metabarcoding）不同，Stenberg 采用了鸟枪法测序（shotgun sequencing），即将 DNA 打碎成微小片段进行测序，并通过计算机匹配已知参考基因组。鸟枪法比宏条形码技术更耗时耗能，且需更复杂的统计技术，但结果更为详尽。 四年后，他和合作者、该局研究主管 Mats Forsman 才得到结果5 (https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2?error=cookies_not_supported&code=254ff892-9a74-46de-a490-dc42c7c586a7#ref-CR5)。 “病毒、细菌、真菌、植物、动物、鸟类、鱼类……甚至驼鹿的肠道寄生虫，”Stenberg 回忆道。“我的意思是，只要环境中存在且能在参考数据库中匹配到的生物，我们都能看见——生态系统中几乎所有非极度稀有的有机体。” 结果表明该技术值得信赖，他表示。“于是我就想：哇，这正是我们需要深入探索的领域。” 空气传感器意外收集DNA或将彻底改变野生动物追踪技术 (https://www.nature.com/articles/d41586-023-01850-z) 生态学家们正是如此做的，他们记录着许多物种丰度的周际、季节性和周期性波动，并将其与气候变异相挂钩。他们揭示了长期的群落变化——因林业管理策略调整导致的松树丰度升降，以及其他树木、苔藓、地衣和真菌的同步衰退。他们跟踪了多个物种间长期存在的协同变化模式（如果蝇与某些细菌之间），并发现了新的关联。 欧洲大陆星罗棋布地分布着放射性核素探测站，Stenberg 及其合著者指出，这些站点可“为重建生态历史和检测持续变化提供前所未有的机遇”。 然而，此类网络的位置是固定的。一些科学家正尝试更灵活的监测手段。在澳大利亚国立野生动物标本馆（Australian National Wildlife Collection）坎培拉分部从事保护遗传学研究的 Erin Hahn，设计并 3D 打印了无需外部供电的被动采样器，已将其分发至新南威尔士州（New South Wales）各地的土地所有者手中。 她的团队仍处于试点阶段。“气流、光照暴露程度、距野生动物活动小径的远近等因素变数众多，”Hahn 表示。“我们刚开始逐步攻克这些变量，以更好地理解 DNA 的移动规律。”Hahn 最终目标是建立一个灵敏的反应网络，能够快速定位环境变化，预警需要人为干预的入侵物种或种群崩溃危机。 ## 全景读数 对于旨在追踪生态系统健康状况的政府、企业、科学家和保护主义者而言，空气 DNA 可提供陆地生物多样性的全面、定期读数。 “这意味着我们可以在干预措施实施前、中、后期快速评估环境状况，不再仅仅是主观认为生物多样性得到了改善，而是拥有真正的量化指标，”正在评估该技术用于追踪森林修复潜力的 Duffy 表示。 三脚架上的空气测序设备矗立在沙质海滩与田野间的草丘上。英国诺福克（Norfolk）海滩上的空气采样装置正在收集用于 DNA 测序的材料。图片来源：Darren Heavans/Earlham Institute DNA 读数还有助于记录生态系统活力，通过追踪病原体负荷和各物种的遗传多样性——这是一项关键的健康指标。 空气 DNA 还能帮助解决其他长远的生态学问题。Stenberg 的团队正在开发模型，旨在理解生态系统中的因果关系。 “我们知道狐狸吃兔子，兔子吃某些植物等等，”Stenberg 说，“但对于完整的生态系统——当我们谈论细菌、线虫、昆虫、植物、动物时——我们基本上毫无头绪。”揭示更多细节可为生态系统如何响应外部损伤提供实用的指导信息。 ## 挑战待解 但在此之前，仍需进行大量的技术调试与问题排查工作。