科学家利用空气中DNA捕捉生态和人类的生物信息|dna|生态学家|生物信息|生物多样性

空气传播的遗传物质可以用来描绘生态系统健康状况，监测入侵物种，甚至识别人类，《自然》期刊介绍了科学家在这方面的最新发现。

西雅图华盛顿大学研究环境DNA（eDNA）的科学家凯利表示，在我们的空气中始终被DNA和RNA等信息包围着，这真是令人惊喜。

科学家们早已从水和土壤中提取DNA，但他们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，研究人员一直在学习如何测量空气中的DNA，研究其丰度，并利用这些数据拼凑生态系统居民和健康的图景。空气传播DNA被用于监测单个物种，并被试验用作检测入侵物种或生物武器攻击的方法。它也被用作评估保护工作成效的一种方式。

佛罗里达大学圣奥古斯丁分校野生动物疾病基因组学研究员David Duffy表示，该技术承诺通过一个极其快速且可以在现场进行、云端分析的单一检测，将“整个生物多样性、整个世界”连接起来。

但仍有很多需要确定的问题，比如DNA在空气中衰变的速度以及传播距离。一些从空气中提取的遗传物质来自人类，几位科学家担心在使用该技术进行保护研究时，可能会无意中暴露出人的种族身份或是否患有遗传疾病——甚至被用来识别个体。

DNA云

在我们挠挠头的时候，也会释放富含DNA的细胞物质到空气中。在那里，它会与来自无数其他来源的DNA混合：一个人和他人的呼气和去角质、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可以包含数万碱基对的片段，随后会在空气中游荡几天，常常附着在尘埃颗粒上。它可以飞行从几米到数千米不等。

尽管电子DNA已被常规地从水、雪和土壤中采集，以收集生物多样性信息或追踪污染物或病毒，但科学家们通常并未监测除花粉和孢子外空气中的DNA来源——这些强健的包裹是为顺风而设计的。

但在2010年代初，各种生态学家开始怀疑空气中是否含有除这些风力包裹的DNA之外的有用DNA痕迹。2013年，伦敦自然历史博物馆的生物学家Matt Clark和英国诺里奇厄勒姆研究所的Richard Leggett在温室内外采集了空气样本。

与此同时，在拉伯克的德克萨斯理工大学，生态学家马修·巴恩斯利用收集水载eDNA开发的技术分析空气样本，发现这些样本中充满了来自叶片和花朵的DNA，以及一些不适合风传播的花粉。他意识到利用空气了解整个植物群落的潜力。

但正是在英国剑桥附近发现的老虎DNA，让更广泛的社区意识到空气中DNA的潜力。加拿大多伦多约克大学的伊丽莎白·克莱尔和伦敦大学学院的乔安妮·利特尔费尔想知道他们是否能在空气中发现动物DNA。他们在英国剑桥郡的一个小型动物园采集样本，认为只要发现DNA就能找到，因为这些异国动物被限制在公园内。

在实验室中，研究人员从样本中提取DNA，并对其进行了扩增和测序。他们发现，他们能在距离围栏200米外嗅出老虎，还能嗅出动物园里许多其他动物、食物——包括鸡、马和猪——以及刺猬、蝙蝠和松鼠等野生动物。总共样本中含有25种哺乳动物和鸟类的DNA，其中包括动物园饲养的17种。

事实上，空气传播的动物DNA一直存在，只是我们从未去寻找过它。

但正是一位物理学家找到了将该方法放大的方法。伦敦国家物理实验室的詹姆斯·奥勒顿建议克莱尔检查英国重金属监测网络采集的样本，该网络拥有25台空气泵，分布在城市、乡村和工业场所。

研究人员研究了该网络15个站点的样本，并于去年发表了相关研究4他们说这是世界上首次利用空气中eDNA进行陆地生物多样性的全国性调查。他们发现了英国常见动物，以及鹦鹉和入侵鱼类银鲤（Hypophthalmichthys molitrix）等外来宠物，这些在此前未曾在该地区报告过。从脊椎动物到单细胞原生生物，他们共捕捉了1100个分类单元。

为了验证方法的可靠性，研究人员将结果与iNaturalist等大型数据库的数据进行了比较，这些数据库中公民科学家记录了他们所看到的内容。iNaturalist未能捕捉到团队发现的一半信息。而eDNA则未反映iNaturalist观察的43%。研究人员发现，在人类居住区附近发现更多鸟类和其他有魅力、可见的物种。

空气中的DNA捕捉到了更多微小、隐形和夜行性生物，包括真菌、地衣、无脊椎动物以及除树木外的植物。“这些才是生态系统功能的真正动力。”

团队表示，这种方法是“监测陆地生命动态的现实解决方案”。现在，研究人员正在帮助拥有类似监测网络的国家实现同样的目标。

空气档案

但如果你能利用一个通过过滤器输送大量空气的网络，并且有数十年的记录呢？2015年，瑞典乌默奥大学的分子生物学家佩尔·斯滕伯格听说了这样一种可能性——一段70年的生物多样性历史，通过数万个滤器捕捉的DNA片段，保存在斯德哥尔摩的瑞典国防研究局。

他参加了一个关于瑞典放射性核素检测网络的研讨会，该网络建于20世纪50年代末，用于检测核武器试验。这25个站点每小时吸入数百立方米空气，内容物随后储存在玻璃纤维过滤器上。

斯滕伯格开始分析北极圈以北一个站点的滤镜。Littlefair团队寻找DNA中识别单个物种的短标记区——称为DNA元条码——而Stenberg则采用了散弹测序，即将DNA分解成微小片段，通过计算机测序并与已知参考基因组匹配。散弹式方法比元条形编码技术耗费更多时间和精力，并需要更复杂的统计技术。但结果更为详细。

直到四年后，他和合作者、该机构的研究主任马茨·福斯曼才取得了成果。

病毒、细菌、真菌、植物、动物、鸟类、鱼......驼鹿的肠道寄生虫，无论外面有什么，并且有对应的参照，科学家都能看到——每一个生态系统中不算极其罕见的生物。结果表明该技术是值得信赖的，这也是我们需要探索的事情。

生态学家们正是在做这些工作，记录许多物种丰度的每周、季节性和周期性波动，并将其与气候变化相匹配。他们揭示了长期的社区变化——由于林业管理的变化，松树数量的兴衰，以及其他树木、苔藓、地衣和真菌的数量减少。他们追踪了多种物种间的已知共变异，如果蝇与某些细菌之间的共变异，并发现了新的变异。

欧洲遍布放射性核素检测站，斯滕伯格及其合著者表示，这可能为“重建生态历史和检测持续变化提供前所未有的机会”。

然而，这些网络分布在固定地点。一些科学家正在尝试更灵活的监测方式。在堪培拉澳大利亚国家野生动物收藏馆研究保护遗传学的艾琳·哈恩(Erin Hahn)设计并3D打印了无需能源供应的被动采样器，并向新南威尔士州的土地所有者发放。

艾琳表示，她的团队仍处于试点阶段。空气流通、光照暴露、与猎场路径的距离等变量很多，团队才刚开始逐步研究，更好地理解DNA是如何流动的。她最终想要的是一个灵活的网络，能够快速定位变化，标记入侵物种或需要管理的种群崩溃。

总数据

对于政府、企业、科学家和保护人士，旨在追踪生态系统健康的人们来说，空气中的DNA可以为陆地上的生物多样性提供全面且定期的读数。

这意味着科学家们可以在缓解前、中、后快速评估环境，不仅认为我们提升了生物多样性，而是真正拥有了定量指标。他们正在评估该措施在追踪森林恢复方面的潜力。