空氣傳播的遺傳物質可以用來描繪生態系統健康狀況，監測入侵物種，甚至識別人類，《自然》期刊介紹了科學家在這方面的最新發現。

科學家對空氣中無形漂浮物感到驚奇

西雅圖華盛頓大學研究環境DNA（eDNA）的科學家凱利表示，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。

科學家們早已從水和土壤中提取DNA，但他們直到最近才開始將空氣視為遺傳信息的來源。在過去十年左右，研究人員一直在學習如何測量空氣中的DNA，研究其豐度，并利用這些數據拼湊生態系統居民和健康的圖景。空氣傳播DNA被用于監測單個物種，并被試驗用作檢測入侵物種或生物武器攻擊的方法。它也被用作評估保護工作成效的一種方式。

佛羅里達大學圣奧古斯丁分校野生動物疾病基因組學研究員David Duffy表示，該技術承諾通過一個極其快速且可以在現場進行、云端分析的單一檢測，將“整個生物多樣性、整個世界”連接起來。

但仍有很多需要確定的問題，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來自人類，幾位科學家擔心在使用該技術進行保護研究時，可能會無意中暴露出人的種族身份或是否患有遺傳疾病——甚至被用來識別個體。

DNA云

在我們撓撓頭的時候，也會釋放富含DNA的細胞物質到空氣中。在那里，它會與來自無數其他來源的DNA混合：一個人和他人的呼氣和去角質、頭發碎片、羽毛、排泄物、花粉和孢子，以及病毒和微藻等微生物。這些DNA可以包含數萬堿基對的片段，隨后會在空氣中游蕩幾天，常常附著在塵埃顆粒上。它可以飛行從幾米到數千米不等。

盡管電子DNA已被常規地從水、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，但科學家們通常并未監測除花粉和孢子外空氣中的DNA來源——這些強健的包裹是為順風而設計的。

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

與此同時，在拉伯克的德克薩斯理工大學，生態學家馬修·巴恩斯利用收集水載eDNA開發的技術分析空氣樣本，發現這些樣本中充滿了來自葉片和花朵的DNA，以及一些不適合風傳播的花粉。他意識到利用空氣了解整個植物群落的潛力。

但正是在英國劍橋附近發現的老虎DNA，讓更廣泛的社區意識到空氣中DNA的潛力。加拿大多倫多約克大學的伊麗莎白·克萊爾和倫敦大學學院的喬安妮·利特爾費爾想知道他們是否能在空氣中發現動物DNA。他們在英國劍橋郡的一個小型動物園采集樣本，認為只要發現DNA就能找到，因為這些異國動物被限制在公園內。

在實驗室中，研究人員從樣本中提取DNA，并對其進行了擴增和測序。他們發現，他們能在距離圍欄200米外嗅出老虎，還能嗅出動物園里許多其他動物、食物——包括雞、馬和豬——以及刺猬、蝙蝠和松鼠等野生動物。總共樣本中含有25種哺乳動物和鳥類的DNA，其中包括動物園飼養的17種。

事實上，空氣傳播的動物DNA一直存在，只是我們從未去尋找過它。

技術人員在芬蘭中部從空氣中采集真菌孢子

但正是一位物理學家找到了將該方法放大的方法。倫敦國家物理實驗室的詹姆斯·奧勒頓建議克萊爾檢查英國重金屬監測網絡采集的樣本，該網絡擁有25臺空氣泵，分布在城市、鄉村和工業場所。

研究人員研究了該網絡15個站點的樣本，并于去年發表了相關研究4他們說這是世界上首次利用空氣中eDNA進行陸地生物多樣性的全國性調查。他們發現了英國常見動物，以及鸚鵡和入侵魚類銀鯉（Hypophthalmichthys molitrix）等外來寵物，這些在此前未曾在該地區報告過。從脊椎動物到單細胞原生生物，他們共捕捉了1100個分類單元。

為了驗證方法的可靠性，研究人員將結果與iNaturalist等大型數據庫的數據進行了比較，這些數據庫中公民科學家記錄了他們所看到的內容。iNaturalist未能捕捉到團隊發現的一半信息。而eDNA則未反映iNaturalist觀察的43%。研究人員發現，在人類居住區附近發現更多鳥類和其他有魅力、可見的物種。

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、無脊椎動物以及除樹木外的植物。“這些才是生態系統功能的真正動力。”

團隊表示，這種方法是“監測陸地生命動態的現實解決方案”。現在，研究人員正在幫助擁有類似監測網絡的國家實現同樣的目標。

空氣檔案

但如果你能利用一個通過過濾器輸送大量空氣的網絡，并且有數十年的記錄呢？2015年，瑞典烏默奧大學的分子生物學家佩爾·斯滕伯格聽說了這樣一種可能性——一段70年的生物多樣性歷史，通過數萬個濾器捕捉的DNA片段，保存在斯德哥爾摩的瑞典國防研究局。

他參加了一個關于瑞典放射性核素檢測網絡的研討會，該網絡建于20世紀50年代末，用于檢測核武器試驗。這25個站點每小時吸入數百立方米空氣，內容物隨后儲存在玻璃纖維過濾器上。

斯滕伯格開始分析北極圈以北一個站點的濾鏡。Littlefair團隊尋找DNA中識別單個物種的短標記區——稱為DNA元條碼——而Stenberg則采用了散彈測序，即將DNA分解成微小片段，通過計算機測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耗費更多時間和精力，并需要更復雜的統計技術。但結果更為詳細。

直到四年后，他和合作者、該機構的研究主任馬茨·福斯曼才取得了成果。

病毒、細菌、真菌、植物、動物、鳥類、魚......駝鹿的腸道寄生蟲，無論外面有什么，并且有對應的參照，科學家都能看到——每一個生態系統中不算極其罕見的生物。結果表明該技術是值得信賴的，這也是我們需要探索的事情。

生態學家們正是在做這些工作，記錄許多物種豐度的每周、季節性和周期性波動，并將其與氣候變化相匹配。他們揭示了長期的社區變化——由于林業管理的變化，松樹數量的興衰，以及其他樹木、苔蘚、地衣和真菌的數量減少。他們追蹤了多種物種間的已知共變異，如果蠅與某些細菌之間的共變異，并發現了新的變異。

歐洲遍布放射性核素檢測站，斯滕伯格及其合著者表示，這可能為“重建生態歷史和檢測持續變化提供前所未有的機會”。

然而，這些網絡分布在固定地點。一些科學家正在嘗試更靈活的監測方式。在堪培拉澳大利亞國家野生動物收藏館研究保護遺傳學的艾琳·哈恩(Erin Hahn)設計并3D打印了無需能源供應的被動采樣器，并向新南威爾士州的土地所有者發放。

艾琳表示，她的團隊仍處于試點階段。空氣流通、光照暴露、與獵場路徑的距離等變量很多，團隊才剛開始逐步研究，更好地理解DNA是如何流動的。她最終想要的是一個靈活的網絡，能夠快速定位變化，標記入侵物種或需要管理的種群崩潰。

總數據

對于政府、企業、科學家和保護人士，旨在追蹤生態系統健康的人們來說，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。

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

科學家在英國諾福克海灘上的空氣采樣設備采集DNA測序材料

DNA讀數還可以幫助記錄生態系統活力，通過追蹤病原體負荷和個別物種的遺傳多樣性——這是健康的指標。

還有其他持久的生態學問題，空氣傳播的DNA可以幫助解決。斯滕伯格的團隊正在開發旨在理解生態系統因果關系的模型。

人們知道狐貍吃兔子，兔子吃某些植物等等，但整個生態系統——當我們談論細菌、線蟲、昆蟲、植物、動物時——我們基本上一無所知。這些研究可以揭示更多細節可以為生態系統如何應對破壞提供實用信息。