本文來自微信公眾號： 自然系列 ，作者：Nature?Portfolio
Ryan Kelly對空氣中那些看不見的漂浮之物心懷敬畏。
Kelly在華盛頓大學研究環(huán)境DNA（eDNA），她說：“這太不可思議了，無時不刻，我們都被DNA和RNA攜帶的信息包圍著。”
長期以來，科學家們會從水與土壤中提取DNA，但直到近期他們才開始將空氣也視作遺傳信息采集的來源。過去十來年，研究人員一直在學習如何測量空氣中攜帶的DNA，研究它的豐度，用它來描繪生態(tài)系統(tǒng)的組成與健康圖景。空氣攜帶的DNA也可以用于監(jiān)測單一的物種，和作為探測入侵物種或者生物武器襲擊的手段。另外，科學家們還在嘗試將其用作評估保護工作成效的一種方法。
David Duffy在佛羅里達大學研究野生動物疾病基因組學，他認為這項技術有望“只需要一次快速的檢測就能連接起整個生物多樣性、整個世界，甚至可以在野外檢測、在云端分析。”
當然，這里仍有許多懸而未決的問題，比如說空氣中DNA降解的速度到底有多快，又比如DNA能夠傳播多遠。另外有一些科學家擔心，從空氣中提取的遺傳物質中總有一部分是來自人類的，當使用這些材料進行保育研究時，將不可避免地暴露這些人的族裔、遺傳缺陷等隱私信息，甚至可能被用于識別個人身份。
DNA云
隨便撓撓頭，你就會把富含DNA的細胞材料釋放到空氣里。這些DNA將和其他各種來源的DNA在空氣中混合在一起，你和其他人的呼吸、脫落的皮屑、毛發(fā)碎片、羽毛、糞便、花粉與孢子，以及各種微生物諸如病毒和微藻，等等。這些DNA可能含有長達數(shù)萬堿基對的片段，它們常常附著在灰塵顆粒上，在空氣中飄蕩數(shù)日，傳播距離短則幾米，長則可達數(shù)千米。
雖然科學家們已經(jīng)日常地從水、雪以及土壤中采集環(huán)境DNA，用來收集生物多樣性的信息，或者追蹤污染源和病毒，但是他們不常監(jiān)測空氣中的DNA，除了空氣中的花粉和孢子——隨風傳播的DNA堅固載體。
但在2010年代初，生態(tài)學家們開始思考，除了花粉與孢子，我們還能不能從空氣中捕獲一些有用的DNA痕跡？2013年，就職于英國自然歷史博物館的生物學家Matt Clark和厄勒姆研究所的Richard Leggett在一座溫室的內外分別采集了空氣樣本。
Clark說，“我們一開始只是想知道能不能找到東西，結果發(fā)現(xiàn)還不少——得有幾十上百種。”
與此同時，德克薩斯理工大學的生態(tài)學家Matthew Barnes利用分析水體環(huán)境DNA的技術分析了空氣樣本，發(fā)現(xiàn)里面有來自葉片和花朵的DNA，以及那些非風媒花的花粉DNA。他意識到，這項技術有分析、了解整個植物群落的潛力。
但是直到英國劍橋附近發(fā)現(xiàn)了老虎的DNA，才讓更多人注意到到空氣DNA的潛在價值。加拿大約克大學的Elizabeth Clare和英國倫敦大學學院的Joanne Littlefair想知道能否在空氣中找到動物的DNA。她們在英國劍橋郡的一所小動物園里采集了樣本，這樣就能確定所有DNA的來源——因為能探測到的外來物種都被圈養(yǎng)在園內。
在實驗室里，研究人員提取了空氣樣本中的DNA，進行了擴增與測序。結果發(fā)現(xiàn)她們不僅能探測到200米外的老虎，還能檢測到動物園里的其他動物，以及它們的食物——包括雞、馬和豬。樣品中還檢測到了一些野生動物，包括刺猬、蝙蝠和松鼠。她們采集的這份樣本總共檢出了25種哺乳動物和鳥，其中17種是動物園圈養(yǎng)的[2]。同一時期發(fā)表的另一份研究在丹麥哥本哈根動物園附近展開，也取得了相似的結果。
“空氣中的動物DNA一直在那里，只是我們之前沒有去找它而已。”在英國班戈大學研究分子生態(tài)學的Simon Creer說。
技術人員在芬蘭中部收集空氣中的真菌孢子。圖片來源：于韋斯屈萊大學，Tommi Sassi
不過，找到辦法規(guī)?；膮s是一位物理學家。倫敦國家物理實驗室的James Allerton建議Clare去檢查一下英國重金屬檢測網(wǎng)絡采集的樣本，該網(wǎng)絡擁有25個氣泵，遍布于城市、鄉(xiāng)村和工業(yè)區(qū)。
研究人員分析了該網(wǎng)絡中15個氣泵采集的樣本，并于去年發(fā)表了研究的成果[4]。他們說這是“全球首個利用空氣eDNA開展國家級陸生生物多樣性普查的研究”。他們的研究結果里出現(xiàn)了英國常見本土動物，也包含有鸚鵡等外來寵物，比較引人注意的是他們發(fā)現(xiàn)了一種新的入侵魚類：鰱魚（Hypophthalmichthys molitrix），該物種此前在研究區(qū)域內尚未發(fā)現(xiàn)過。從簡單的單細胞原生生物到復雜的脊椎動物，他們的結果里檢測到了超過1100個不同的分類單元。
為了檢測方法的可靠性，研究人員將他們的結果與iNaturalist等數(shù)據(jù)庫等進行了比對，后者依賴公民科學家的目擊記錄進行完善。他們發(fā)現(xiàn)空氣DNA記錄的物種里，iNaturalist有一半沒有記錄到，而iNaturalist記錄的物種里，也有43%的物種是eDNA里沒有找到的。公民科學家往往會在距離人居更近的地方發(fā)現(xiàn)更多鳥類以及其他引人注目、易于觀察的物種。而空氣DNA則記錄到了更多更小的、不易察覺和夜行性的生物，包括真菌、地衣、無脊椎動物、樹以外的其他植物等等。Littlefair說“這些是生態(tài)系統(tǒng)功能的真正動力來源?！?/p>
研究團隊表示，這種方法是“監(jiān)測陸地生物動態(tài)的一種切實可行的方案”?，F(xiàn)在，研究人員正在幫助擁有類似監(jiān)測網(wǎng)絡的國家開展同樣的工作。
空氣中的檔案
想象一下，如果能調遣一個過濾大量空氣的氣泵網(wǎng)絡，而這個網(wǎng)絡還保留有可以追溯到過去幾十年的記錄樣本，你可以做什么？2015年，瑞典于默奧大學的分子生物學家Per Stenberg就聽說了這樣的一個可能性——位于斯德哥爾摩的瑞典國防研究局保留了數(shù)萬份過濾片上的歷史樣本，而這些樣本中所包含的DNA碎片記錄著一段70年的生物多樣性史。
他當時正在參加一個關于瑞典放射性核素探測網(wǎng)絡的研討會，該網(wǎng)絡建于20世紀50年代后期，用于探測核武器試驗。這25個監(jiān)測站每小時吸入數(shù)百立方米的空氣，這些空氣中所攜帶的細微物質都被聚集在玻璃纖維濾片上儲存了起來。
Stenberg著手分析了北極圈以北的一個監(jiān)測站所采集到的過濾片。與Littlefair采用的DNA宏條形碼技術（DNA metabarcoding，即尋找特定的短標記區(qū)域來確定物種）不同，Stenberg采用的是鳥槍法測序（shotgun sequencing）。他將這些DNA分解成更小的片段，對所有的小片段進行測序，再在電腦中將這些片段匹配到已知的參考基因組上去。與DNA宏條形碼技術相比，鳥槍法測序會更加耗時耗力，所需要的統(tǒng)計學手段更加復雜，但結果也會更加詳盡。
他與合作者——該研究機構的科研主管Mats Forsman——花了四年時間才拿到了結果[5]。
“病毒、細菌、真菌、植物、動物、鳥類、魚……駝鹿的腸道寄生蟲?！盨tenberg回憶道，“我是說，凡是存在、而且有記錄匹配的生物，我們都能看到——生態(tài)系統(tǒng)中每一種不算超罕見的生物。”
結果表明這項技術值得信賴，他說：“當時我就在想：哇！這值得深入探索?！?/p>
生態(tài)學家致力于此，他們記錄許多物種每周、每個季節(jié)的豐度，檢測它們的周期性波動，并將這些波動與氣候的變動聯(lián)系起來。他們發(fā)現(xiàn)了生態(tài)群落在較長時間尺度上發(fā)生的變化——隨著森林管理方式的改變帶來的松樹豐度起伏，以及伴隨著的其他樹種、苔蘚、地衣及真菌種群數(shù)量的下降。他們在長期監(jiān)測中追蹤到了不同物種間一些已知的協(xié)同變化關系，例如蒼蠅與某些細菌之間的關聯(lián)模式，并識別出了一些新的協(xié)同變化關系。
Stenberg和他的合作者表示，歐洲遍布放射性核素探測站，這可能為“重建生態(tài)歷史與檢測正在發(fā)生的變化提供前所未有的機會?！?/p>
然而，這些網(wǎng)絡有一個問題在于，它們的位置是固定的。一些科學家們正在嘗試更靈活的監(jiān)測方法。在澳大利亞國家野生動物收藏館研究保護遺傳學的Erin Hahn設計并3D打印了無需能源供應的被動式采樣器，并將它們交給了新南威爾士州的土地所有者。
目前她的團隊還處于探索階段?！坝绊懸蛩胤浅６?，包括氣流、光照、與動物通道的距離等等。我們剛開始著手厘清這些因素的影響，以便更好地理解DNA是如何傳播的?！彼f。Hahn最終想要的是一個靈活的網(wǎng)絡，可以快速精準地發(fā)現(xiàn)變化，標記出入侵物種，或找到那些需要管理的正在崩潰的種群。
全面讀數(shù)
對于旨在追蹤生態(tài)系統(tǒng)健康程度的政府、公司、科學家以及野生動物保護工作者而言，空氣DNA可以提供支持定期讀取的、全面的陸生生物多樣性讀數(shù)。
Duffy正在評估空氣DNA用于追蹤森林恢復的可能性，他表示：“這意味著我們可以快速評估生態(tài)修復措施實施前、實施中與實施后的環(huán)境狀況，我們可以不再只是主觀認為自己改善了生物多樣性，而是有了真正的量化指標。”
在英國諾?？丝さ囊惶幒┥?，空氣采樣裝置正在收集用于DNA測序的材料。圖片來源：Darren Heavens/厄勒姆研究所
通過追蹤病原體數(shù)量以及各物種遺傳多樣性（健康狀況的指標之一），DNA讀數(shù)還能用于評估生態(tài)系統(tǒng)的活力。
空氣DNA或許還能幫助我們解答一些長期存在的其他生態(tài)學問題。Stenberg的研究團隊正在開發(fā)旨在理解生態(tài)系統(tǒng)中因果關系的模型。
“我們知道狐貍吃兔子，兔子吃一些植物，等等?！盨tenberg說，“但是當我們說起整個生態(tài)系統(tǒng)，說起細菌、線蟲、昆蟲、植物、動物，我們其實所知甚少。”揭示更多細節(jié)能夠提供實際信息，了解關于生態(tài)系統(tǒng)如何應對損傷。
難以解釋
但是還是有很多問題需要提前解決。
比如說，為什么在距離海岸160公里的瑞典森林樣本中發(fā)現(xiàn)了鱈魚的DNA？Stenberg解決了這個問題，他將鱈魚DNA的出現(xiàn)與強勁北風聯(lián)系起來。Hahn則想知道農(nóng)村樣本里含有的老鼠DNA意味著什么。是老鼠昨天來過，還是一個世紀前的鼠糞碎片從腐爛的垃圾堆里被風吹了出來？
Creer表示，四個關鍵問題將決定空氣DNA的解讀：DNA是如何進入環(huán)境的、它處于什么狀態(tài)、需要多長時間才能降解，以及它是如何傳播的。
Andrew Nisbet也在思考著這些問題。他領導著英國政府咨詢機構英格蘭自然署（Natural England）的創(chuàng)新監(jiān)測技術開發(fā)工作，該機構致力于保護和恢復英國的自然環(huán)境。
他說：“如果我們放置一個采樣器，這就能讓我們了解整個自然保護區(qū)的情況嗎？還是說我們應該放十個？讓它運行一天足夠嗎？”
Nisbet認為，目前空氣DNA的實用性還不如利用聲音識別動物物種的聲學指紋識別（acoustic fingerprinting）和衛(wèi)星數(shù)據(jù)等技術?？諝釪NA的優(yōu)勢可能首先體現(xiàn)在“即使只有一項經(jīng)證實的發(fā)現(xiàn)也能解答疑問”的領域——例如，某個入侵物種或病原體已經(jīng)出現(xiàn)。
這項應用正是Clark和Leggett的研究重點。自從第一次在空氣中發(fā)現(xiàn)植物DNA以來，他們開發(fā)出了一種新的技術，這項技術可以在已知病蟲害真正對作物造成危害之前數(shù)周就發(fā)現(xiàn)它們——他們說，這一信息有助于更加合理地噴灑農(nóng)藥。Clark和Leggett今年成立了一家衍生公司，該公司部署了一項名為AirSeq的技術，他們表示，該技術可以用于追蹤人類和動物的疾病、抗生素耐藥性等等一系列問題?！拔覀兒芟肟纯慈藗儠绾卫眠@項技術?！盋lark表示。
這類系統(tǒng)的優(yōu)勢之一在于，它們可以采集環(huán)境中所有物質并提供整體讀數(shù)，而不是僅僅搜索某種特定的病原體。英國探測器制造商Kromek的工程師Jamie Marsay表示，這一特性在國防領域非常有用，因為人們可能需要面對新的病原體或是基因工程生物武器。他起初與Clark和Leggett合作，開發(fā)一種鞋盒大小的設備，可以持續(xù)采集空氣樣本提取DNA，并將檢測到的信息提交給特定算法，識別出與毒力或者潛在呼吸道疾病病因有關的序列。
但持續(xù)在公共場所收集空氣DNA仍讓一些科學家感到不安，他們提出的問題與針對廢水DNA采樣的爭議類似。
當你在傍晚散步的時候，呼出的DNA就有可能被隱蔽的城市采樣器收集到。Duffy表示，利用快速發(fā)展、價格低廉且便攜的鳥槍法測序技術，甚至可以在現(xiàn)場近乎實時地得出可用于個體識別的結果[6]。
在都柏林和佛羅里達，他的團隊通過采集空氣樣本和未清洗的窗玻璃樣本，證明了這種方法的可行性——他們能夠區(qū)分同一動物物種的不同個體。出于倫理原因，他們沒有嘗試對樣本中混入的人類DNA（所謂人類基因副產(chǎn)品，human genomic by-catch）進行這種測序。但短片段測序就足以揭示人的祖源信息以及一些遺傳疾病信息。
許多業(yè)內人士對這種副產(chǎn)品的潛在影響持謹慎態(tài)度?！叭绻粑蜁讶说腄NA留在空氣中，這種現(xiàn)象會如何沖擊我們對隱私邊界的認知？”Kelly提出了這樣的疑問。她曾于2023年與人合著了一篇文章[7]，呼吁暫停對從環(huán)境樣本中提取到的人類DNA進行研究，直到達成全球共識。一些期刊已經(jīng)暫停接收相關研究，例如Creer擔任主編的Environmental DNA。Creer等人希望成立一個跨學科小組來評估相關的倫理問題。
其他領域的研究人員也在關注這種可能性。奧斯陸大學的法醫(yī)遺傳學家Peter Gill和同事們一直在評估從辦公室和空調機組中捕獲的空氣DNA[8]，以探索其作為法醫(yī)工具的潛力。
Gill說，“如果有人最近在一棟樓里待過，大概一天左右的時間，你肯定就能從空氣中檢測到他們的DNA。”他還表示，如果想要更長期的記錄，空氣中的DNA也會沉降到物體表面。“你可以采集門檻上的灰塵，那里人們通常不會清理。這樣你就能得到一份這棟樓到訪者的簡要歷史記錄?！?/p>
吉爾表示，空氣DNA在法醫(yī)學上可能有用，但也要考慮到局限性。這與現(xiàn)有的表面接觸DNA分析技術類似，需要有一個人類DNA數(shù)據(jù)庫來比對采到的樣本，而且得到的相關性也只是一個可能性，而非“匹配”。
一些科學家深為擔憂的是，這項技術可能引發(fā)公眾反感，進而招致監(jiān)管限制。Creer認為必須謹慎對待這一問題，“以免傷害環(huán)境DNA生物多樣性研究這個充滿前景、令人振奮的領域?！?/p>
參考文獻：
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Clare,E.L.et al.Curr.Biol.32,693–700(2022).
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Tournayre,O.et al.Sci.Rep.15,19247(2025).
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Nousias,O.et al.Nature Ecol.Evol.9,1043–1060(2025).
Doi,H.&Kelly,R.P.Nature Ecol.Evol.7,1334–1335(2023).
Goray,M.et al.Electrophoresis45,933–947(2024).