空氣傳播的遺傳物質(zhì)可以用來(lái)描繪生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，監(jiān)測(cè)入侵物種，甚至識(shí)別人類(lèi)，《自然》期刊介紹了科學(xué)家在這方面的最新發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)家對(duì)空氣中無(wú)形漂浮物感到驚奇

西雅圖華盛頓大學(xué)研究環(huán)境DNA（eDNA）的科學(xué)家凱利表示，在我們的空氣中始終被DNA和RNA等信息包圍著，這真是令人驚喜。

科學(xué)家們?cè)缫褟乃屯寥乐刑崛NA，但他們直到最近才開(kāi)始將空氣視為遺傳信息的來(lái)源。在過(guò)去十年左右，研究人員一直在學(xué)習(xí)如何測(cè)量空氣中的DNA，研究其豐度，并利用這些數(shù)據(jù)拼湊生態(tài)系統(tǒng)居民和健康的圖景。空氣傳播DNA被用于監(jiān)測(cè)單個(gè)物種，并被試驗(yàn)用作檢測(cè)入侵物種或生物武器攻擊的方法。它也被用作評(píng)估保護(hù)工作成效的一種方式。

佛羅里達(dá)大學(xué)圣奧古斯丁分校野生動(dòng)物疾病基因組學(xué)研究員David Duffy表示，該技術(shù)承諾通過(guò)一個(gè)極其快速且可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行、云端分析的單一檢測(cè)，將“整個(gè)生物多樣性、整個(gè)世界”連接起來(lái)。

但仍有很多需要確定的問(wèn)題，比如DNA在空氣中衰變的速度以及傳播距離。一些從空氣中提取的遺傳物質(zhì)來(lái)自人類(lèi)，幾位科學(xué)家擔(dān)心在使用該技術(shù)進(jìn)行保護(hù)研究時(shí)，可能會(huì)無(wú)意中暴露出人的種族身份或是否患有遺傳疾病——甚至被用來(lái)識(shí)別個(gè)體。

DNA云

在我們撓撓頭的時(shí)候，也會(huì)釋放富含DNA的細(xì)胞物質(zhì)到空氣中。在那里，它會(huì)與來(lái)自無(wú)數(shù)其他來(lái)源的DNA混合：一個(gè)人和他人的呼氣和去角質(zhì)、頭發(fā)碎片、羽毛、排泄物、花粉和孢子，以及病毒和微藻等微生物。這些DNA可以包含數(shù)萬(wàn)堿基對(duì)的片段，隨后會(huì)在空氣中游蕩幾天，常常附著在塵埃顆粒上。它可以飛行從幾米到數(shù)千米不等。

盡管電子DNA已被常規(guī)地從水、雪和土壤中采集，以收集生物多樣性信息或追蹤污染物或病毒，但科學(xué)家們通常并未監(jiān)測(cè)除花粉和孢子外空氣中的DNA來(lái)源——這些強(qiáng)健的包裹是為順風(fēng)而設(shè)計(jì)的。

但在2010年代初，各種生態(tài)學(xué)家開(kāi)始懷疑空氣中是否含有除這些風(fēng)力包裹的DNA之外的有用DNA痕跡。2013年，倫敦自然歷史博物館的生物學(xué)家Matt Clark和英國(guó)諾里奇厄勒姆研究所的Richard Leggett在溫室內(nèi)外采集了空氣樣本。

與此同時(shí)，在拉伯克的德克薩斯理工大學(xué)，生態(tài)學(xué)家馬修·巴恩斯利用收集水載eDNA開(kāi)發(fā)的技術(shù)分析空氣樣本，發(fā)現(xiàn)這些樣本中充滿(mǎn)了來(lái)自葉片和花朵的DNA，以及一些不適合風(fēng)傳播的花粉。他意識(shí)到利用空氣了解整個(gè)植物群落的潛力。

但正是在英國(guó)劍橋附近發(fā)現(xiàn)的老虎DNA，讓更廣泛的社區(qū)意識(shí)到空氣中DNA的潛力。加拿大多倫多約克大學(xué)的伊麗莎白·克萊爾和倫敦大學(xué)學(xué)院的喬安妮·利特爾費(fèi)爾想知道他們是否能在空氣中發(fā)現(xiàn)動(dòng)物DNA。他們?cè)谟?guó)劍橋郡的一個(gè)小型動(dòng)物園采集樣本，認(rèn)為只要發(fā)現(xiàn)DNA就能找到，因?yàn)檫@些異國(guó)動(dòng)物被限制在公園內(nèi)。

在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員從樣本中提取DNA，并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)增和測(cè)序。他們發(fā)現(xiàn)，他們能在距離圍欄200米外嗅出老虎，還能嗅出動(dòng)物園里許多其他動(dòng)物、食物——包括雞、馬和豬——以及刺猬、蝙蝠和松鼠等野生動(dòng)物。總共樣本中含有25種哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)的DNA，其中包括動(dòng)物園飼養(yǎng)的17種。

事實(shí)上，空氣傳播的動(dòng)物DNA一直存在，只是我們從未去尋找過(guò)它。

技術(shù)人員在芬蘭中部從空氣中采集真菌孢子

但正是一位物理學(xué)家找到了將該方法放大的方法。倫敦國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的詹姆斯·奧勒頓建議克萊爾檢查英國(guó)重金屬監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集的樣本，該網(wǎng)絡(luò)擁有25臺(tái)空氣泵，分布在城市、鄉(xiāng)村和工業(yè)場(chǎng)所。

研究人員研究了該網(wǎng)絡(luò)15個(gè)站點(diǎn)的樣本，并于去年發(fā)表了相關(guān)研究4他們說(shuō)這是世界上首次利用空氣中eDNA進(jìn)行陸地生物多樣性的全國(guó)性調(diào)查。他們發(fā)現(xiàn)了英國(guó)常見(jiàn)動(dòng)物，以及鸚鵡和入侵魚(yú)類(lèi)銀鯉（Hypophthalmichthys molitrix）等外來(lái)寵物，這些在此前未曾在該地區(qū)報(bào)告過(guò)。從脊椎動(dòng)物到單細(xì)胞原生生物，他們共捕捉了1100個(gè)分類(lèi)單元。

為了驗(yàn)證方法的可靠性，研究人員將結(jié)果與iNaturalist等大型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，這些數(shù)據(jù)庫(kù)中公民科學(xué)家記錄了他們所看到的內(nèi)容。iNaturalist未能捕捉到團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的一半信息。而eDNA則未反映iNaturalist觀察的43%。研究人員發(fā)現(xiàn)，在人類(lèi)居住區(qū)附近發(fā)現(xiàn)更多鳥(niǎo)類(lèi)和其他有魅力、可見(jiàn)的物種。

空氣中的DNA捕捉到了更多微小、隱形和夜行性生物，包括真菌、地衣、無(wú)脊椎動(dòng)物以及除樹(shù)木外的植物。“這些才是生態(tài)系統(tǒng)功能的真正動(dòng)力。”

團(tuán)隊(duì)表示，這種方法是“監(jiān)測(cè)陸地生命動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)解決方案”。現(xiàn)在，研究人員正在幫助擁有類(lèi)似監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)。

空氣檔案

但如果你能利用一個(gè)通過(guò)過(guò)濾器輸送大量空氣的網(wǎng)絡(luò)，并且有數(shù)十年的記錄呢？2015年，瑞典烏默奧大學(xué)的分子生物學(xué)家佩爾·斯滕伯格聽(tīng)說(shuō)了這樣一種可能性——一段70年的生物多樣性歷史，通過(guò)數(shù)萬(wàn)個(gè)濾器捕捉的DNA片段，保存在斯德哥爾摩的瑞典國(guó)防研究局。

他參加了一個(gè)關(guān)于瑞典放射性核素檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研討會(huì)，該網(wǎng)絡(luò)建于20世紀(jì)50年代末，用于檢測(cè)核武器試驗(yàn)。這25個(gè)站點(diǎn)每小時(shí)吸入數(shù)百立方米空氣，內(nèi)容物隨后儲(chǔ)存在玻璃纖維過(guò)濾器上。

斯滕伯格開(kāi)始分析北極圈以北一個(gè)站點(diǎn)的濾鏡。Littlefair團(tuán)隊(duì)尋找DNA中識(shí)別單個(gè)物種的短標(biāo)記區(qū)——稱(chēng)為DNA元條碼——而Stenberg則采用了散彈測(cè)序，即將DNA分解成微小片段，通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)序并與已知參考基因組匹配。散彈式方法比元條形編碼技術(shù)耗費(fèi)更多時(shí)間和精力，并需要更復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。但結(jié)果更為詳細(xì)。

直到四年后，他和合作者、該機(jī)構(gòu)的研究主任馬茨·福斯曼才取得了成果。

病毒、細(xì)菌、真菌、植物、動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)......駝鹿的腸道寄生蟲(chóng)，無(wú)論外面有什么，并且有對(duì)應(yīng)的參照，科學(xué)家都能看到——每一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中不算極其罕見(jiàn)的生物。結(jié)果表明該技術(shù)是值得信賴(lài)的，這也是我們需要探索的事情。

生態(tài)學(xué)家們正是在做這些工作，記錄許多物種豐度的每周、季節(jié)性和周期性波動(dòng)，并將其與氣候變化相匹配。他們揭示了長(zhǎng)期的社區(qū)變化——由于林業(yè)管理的變化，松樹(shù)數(shù)量的興衰，以及其他樹(shù)木、苔蘚、地衣和真菌的數(shù)量減少。他們追蹤了多種物種間的已知共變異，如果蠅與某些細(xì)菌之間的共變異，并發(fā)現(xiàn)了新的變異。

歐洲遍布放射性核素檢測(cè)站，斯滕伯格及其合著者表示，這可能為“重建生態(tài)歷史和檢測(cè)持續(xù)變化提供前所未有的機(jī)會(huì)”。

然而，這些網(wǎng)絡(luò)分布在固定地點(diǎn)。一些科學(xué)家正在嘗試更靈活的監(jiān)測(cè)方式。在堪培拉澳大利亞國(guó)家野生動(dòng)物收藏館研究保護(hù)遺傳學(xué)的艾琳·哈恩(Erin Hahn)設(shè)計(jì)并3D打印了無(wú)需能源供應(yīng)的被動(dòng)采樣器，并向新南威爾士州的土地所有者發(fā)放。

艾琳表示，她的團(tuán)隊(duì)仍處于試點(diǎn)階段。空氣流通、光照暴露、與獵場(chǎng)路徑的距離等變量很多，團(tuán)隊(duì)才剛開(kāi)始逐步研究，更好地理解DNA是如何流動(dòng)的。她最終想要的是一個(gè)靈活的網(wǎng)絡(luò)，能夠快速定位變化，標(biāo)記入侵物種或需要管理的種群崩潰。

總數(shù)據(jù)

對(duì)于政府、企業(yè)、科學(xué)家和保護(hù)人士，旨在追蹤生態(tài)系統(tǒng)健康的人們來(lái)說(shuō)，空氣中的DNA可以為陸地上的生物多樣性提供全面且定期的讀數(shù)。

這意味著科學(xué)家們可以在緩解前、中、后快速評(píng)估環(huán)境，不僅認(rèn)為我們提升了生物多樣性，而是真正擁有了定量指標(biāo)。他們正在評(píng)估該措施在追蹤森林恢復(fù)方面的潛力。

科學(xué)家在英國(guó)諾福克海灘上的空氣采樣設(shè)備采集DNA測(cè)序材料

DNA讀數(shù)還可以幫助記錄生態(tài)系統(tǒng)活力，通過(guò)追蹤病原體負(fù)荷和個(gè)別物種的遺傳多樣性——這是健康的指標(biāo)。

還有其他持久的生態(tài)學(xué)問(wèn)題，空氣傳播的DNA可以幫助解決。斯滕伯格的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)旨在理解生態(tài)系統(tǒng)因果關(guān)系的模型。

人們知道狐貍吃兔子，兔子吃某些植物等等，但整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)——當(dāng)我們談?wù)摷?xì)菌、線蟲(chóng)、昆蟲(chóng)、植物、動(dòng)物時(shí)——我們基本上一無(wú)所知。這些研究可以揭示更多細(xì)節(jié)可以為生態(tài)系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)破壞提供實(shí)用信息。