空气中充满了DNA：科学家们能拿来干点什么？

本文来自微信公众号： 自然系列 ，作者：Nature Portfolio

Ryan Kelly对空气中那些看不见的漂浮之物心怀敬畏。

Kelly在华盛顿大学研究环境DNA（eDNA），她说：“这太不可思议了，无时不刻，我们都被DNA和RNA携带的信息包围着。”

长期以来，科学家们会从水与土壤中提取DNA，但直到近期他们才开始将空气也视作遗传信息采集的来源。过去十来年，研究人员一直在学习如何测量空气中携带的DNA，研究它的丰度，用它来描绘生态系统的组成与健康图景。空气携带的DNA也可以用于监测单一的物种，和作为探测入侵物种或者生物武器袭击的手段。另外，科学家们还在尝试将其用作评估保护工作成效的一种方法。

David Duffy在佛罗里达大学研究野生动物疾病基因组学，他认为这项技术有望“只需要一次快速的检测就能连接起整个生物多样性、整个世界，甚至可以在野外检测、在云端分析。”

当然，这里仍有许多悬而未决的问题，比如说空气中DNA降解的速度到底有多快，又比如DNA能够传播多远。另外有一些科学家担心，从空气中提取的遗传物质中总有一部分是来自人类的，当使用这些材料进行保育研究时，将不可避免地暴露这些人的族裔、遗传缺陷等隐私信息，甚至可能被用于识别个人身份。

DNA云

随便挠挠头，你就会把富含DNA的细胞材料释放到空气里。这些DNA将和其他各种来源的DNA在空气中混合在一起，你和其他人的呼吸、脱落的皮屑、毛发碎片、羽毛、粪便、花粉与孢子，以及各种微生物诸如病毒和微藻，等等。这些DNA可能含有长达数万碱基对的片段，它们常常附着在灰尘颗粒上，在空气中飘荡数日，传播距离短则几米，长则可达数千米。

虽然科学家们已经日常地从水、雪以及土壤中采集环境DNA，用来收集生物多样性的信息，或者追踪污染源和病毒，但是他们不常监测空气中的DNA，除了空气中的花粉和孢子——随风传播的DNA坚固载体。

但在2010年代初，生态学家们开始思考，除了花粉与孢子，我们还能不能从空气中捕获一些有用的DNA痕迹？2013年，就职于英国自然历史博物馆的生物学家Matt Clark和厄勒姆研究所的Richard Leggett在一座温室的内外分别采集了空气样本。

Clark说，“我们一开始只是想知道能不能找到东西，结果发现还不少——得有几十上百种。”

与此同时，德克萨斯理工大学的生态学家Matthew Barnes利用分析水体环境DNA的技术分析了空气样本，发现里面有来自叶片和花朵的DNA，以及那些非风媒花的花粉DNA。他意识到，这项技术有分析、了解整个植物群落的潜力。

但是直到英国剑桥附近发现了老虎的DNA，才让更多人注意到到空气DNA的潜在价值。加拿大约克大学的Elizabeth Clare和英国伦敦大学学院的Joanne Littlefair想知道能否在空气中找到动物的DNA。她们在英国剑桥郡的一所小动物园里采集了样本，这样就能确定所有DNA的来源——因为能探测到的外来物种都被圈养在园内。

在实验室里，研究人员提取了空气样本中的DNA，进行了扩增与测序。结果发现她们不仅能探测到200米外的老虎，还能检测到动物园里的其他动物，以及它们的食物——包括鸡、马和猪。样品中还检测到了一些野生动物，包括刺猬、蝙蝠和松鼠。她们采集的这份样本总共检出了25种哺乳动物和鸟，其中17种是动物园圈养的[2]。同一时期发表的另一份研究在丹麦哥本哈根动物园附近展开，也取得了相似的结果。

“空气中的动物DNA一直在那里，只是我们之前没有去找它而已。”在英国班戈大学研究分子生态学的Simon Creer说。

技术人员在芬兰中部收集空气中的真菌孢子。图片来源：于韦斯屈莱大学，Tommi Sassi

不过，找到办法规模化的却是一位物理学家。伦敦国家物理实验室的James Allerton建议Clare去检查一下英国重金属检测网络采集的样本，该网络拥有25个气泵，遍布于城市、乡村和工业区。

研究人员分析了该网络中15个气泵采集的样本，并于去年发表了研究的成果[4]。他们说这是“全球首个利用空气eDNA开展国家级陆生生物多样性普查的研究”。他们的研究结果里出现了英国常见本土动物，也包含有鹦鹉等外来宠物，比较引人注意的是他们发现了一种新的入侵鱼类：鲢鱼（Hypophthalmichthys molitrix），该物种此前在研究区域内尚未发现过。从简单的单细胞原生生物到复杂的脊椎动物，他们的结果里检测到了超过1100个不同的分类单元。

为了检测方法的可靠性，研究人员将他们的结果与iNaturalist等数据库等进行了比对，后者依赖公民科学家的目击记录进行完善。他们发现空气DNA记录的物种里，iNaturalist有一半没有记录到，而iNaturalist记录的物种里，也有43%的物种是eDNA里没有找到的。公民科学家往往会在距离人居更近的地方发现更多鸟类以及其他引人注目、易于观察的物种。而空气DNA则记录到了更多更小的、不易察觉和夜行性的生物，包括真菌、地衣、无脊椎动物、树以外的其他植物等等。Littlefair说“这些是生态系统功能的真正动力来源。”

研究团队表示，这种方法是“监测陆地生物动态的一种切实可行的方案”。现在，研究人员正在帮助拥有类似监测网络的国家开展同样的工作。

空气中的档案

想象一下，如果能调遣一个过滤大量空气的气泵网络，而这个网络还保留有可以追溯到过去几十年的记录样本，你可以做什么？2015年，瑞典于默奥大学的分子生物学家Per Stenberg就听说了这样的一个可能性——位于斯德哥尔摩的瑞典国防研究局保留了数万份过滤片上的历史样本，而这些样本中所包含的DNA碎片记录着一段70年的生物多样性史。

他当时正在参加一个关于瑞典放射性核素探测网络的研讨会，该网络建于20世纪50年代后期，用于探测核武器试验。这25个监测站每小时吸入数百立方米的空气，这些空气中所携带的细微物质都被聚集在玻璃纤维滤片上储存了起来。

Stenberg着手分析了北极圈以北的一个监测站所采集到的过滤片。与Littlefair采用的DNA宏条形码技术（DNA metabarcoding，即寻找特定的短标记区域来确定物种）不同，Stenberg采用的是鸟枪法测序（shotgun sequencing）。他将这些DNA分解成更小的片段，对所有的小片段进行测序，再在电脑中将这些片段匹配到已知的参考基因组上去。与DNA宏条形码技术相比，鸟枪法测序会更加耗时耗力，所需要的统计学手段更加复杂，但结果也会更加详尽。

他与合作者——该研究机构的科研主管Mats Forsman——花了四年时间才拿到了结果[5]。

“病毒、细菌、真菌、植物、动物、鸟类、鱼……驼鹿的肠道寄生虫。”Stenberg回忆道，“我是说，凡是存在、而且有记录匹配的生物，我们都能看到——生态系统中每一种不算超罕见的生物。”

结果表明这项技术值得信赖，他说：“当时我就在想：哇！这值得深入探索。”

生态学家致力于此，他们记录许多物种每周、每个季节的丰度，检测它们的周期性波动，并将这些波动与气候的变动联系起来。他们发现了生态群落在较长时间尺度上发生的变化——随着森林管理方式的改变带来的松树丰度起伏，以及伴随着的其他树种、苔藓、地衣及真菌种群数量的下降。他们在长期监测中追踪到了不同物种间一些已知的协同变化关系，例如苍蝇与某些细菌之间的关联模式，并识别出了一些新的协同变化关系。

Stenberg和他的合作者表示，欧洲遍布放射性核素探测站，这可能为“重建生态历史与检测正在发生的变化提供前所未有的机会。”

然而，这些网络有一个问题在于，它们的位置是固定的。一些科学家们正在尝试更灵活的监测方法。在澳大利亚国家野生动物收藏馆研究保护遗传学的Erin Hahn设计并3D打印了无需能源供应的被动式采样器，并将它们交给了新南威尔士州的土地所有者。

目前她的团队还处于探索阶段。“影响因素非常多，包括气流、光照、与动物通道的距离等等。我们刚开始着手厘清这些因素的影响，以便更好地理解DNA是如何传播的。”她说。Hahn最终想要的是一个灵活的网络，可以快速精准地发现变化，标记出入侵物种，或找到那些需要管理的正在崩溃的种群。

全面读数

对于旨在追踪生态系统健康程度的政府、公司、科学家以及野生动物保护工作者而言，空气DNA可以提供支持定期读取的、全面的陆生生物多样性读数。

Duffy正在评估空气DNA用于追踪森林恢复的可能性，他表示：“这意味着我们可以快速评估生态修复措施实施前、实施中与实施后的环境状况，我们可以不再只是主观认为自己改善了生物多样性，而是有了真正的量化指标。”

在英国诺福克郡的一处海滩上，空气采样装置正在收集用于DNA测序的材料。图片来源：Darren Heavens/厄勒姆研究所

通过追踪病原体数量以及各物种遗传多样性（健康状况的指标之一），DNA读数还能用于评估生态系统的活力。

空气DNA或许还能帮助我们解答一些长期存在的其他生态学问题。Stenberg的研究团队正在开发旨在理解生态系统中因果关系的模型。

“我们知道狐狸吃兔子，兔子吃一些植物，等等。”Stenberg说，“但是当我们说起整个生态系统，说起细菌、线虫、昆虫、植物、动物，我们其实所知甚少。”揭示更多细节能够提供实际信息，了解关于生态系统如何应对损伤。

难以解释

但是还是有很多问题需要提前解决。

比如说，为什么在距离海岸160公里的瑞典森林样本中发现了鳕鱼的DNA？Stenberg解决了这个问题，他将鳕鱼DNA的出现与强劲北风联系起来。Hahn则想知道农村样本里含有的老鼠DNA意味着什么。是老鼠昨天来过，还是一个世纪前的鼠粪碎片从腐烂的垃圾堆里被风吹了出来？

Creer表示，四个关键问题将决定空气DNA的解读：DNA是如何进入环境的、它处于什么状态、需要多长时间才能降解，以及它是如何传播的。

Andrew Nisbet也在思考着这些问题。他领导着英国政府咨询机构英格兰自然署（Natural England）的创新监测技术开发工作，该机构致力于保护和恢复英国的自然环境。

他说：“如果我们放置一个采样器，这就能让我们了解整个自然保护区的情况吗？还是说我们应该放十个？让它运行一天足够吗？”

Nisbet认为，目前空气DNA的实用性还不如利用声音识别动物物种的声学指纹识别（acoustic fingerprinting）和卫星数据等技术。空气DNA的优势可能首先体现在“即使只有一项经证实的发现也能解答疑问”的领域——例如，某个入侵物种或病原体已经出现。

这项应用正是Clark和Leggett的研究重点。自从第一次在空气中发现植物DNA以来，他们开发出了一种新的技术，这项技术可以在已知病虫害真正对作物造成危害之前数周就发现它们——他们说，这一信息有助于更加合理地喷洒农药。Clark和Leggett今年成立了一家衍生公司，该公司部署了一项名为AirSeq的技术，他们表示，该技术可以用于追踪人类和动物的疾病、抗生素耐药性等等一系列问题。“我们很想看看人们会如何利用这项技术。”Clark表示。

这类系统的优势之一在于，它们可以采集环境中所有物质并提供整体读数，而不是仅仅搜索某种特定的病原体。英国探测器制造商Kromek的工程师Jamie Marsay表示，这一特性在国防领域非常有用，因为人们可能需要面对新的病原体或是基因工程生物武器。他起初与Clark和Leggett合作，开发一种鞋盒大小的设备，可以持续采集空气样本提取DNA，并将检测到的信息提交给特定算法，识别出与毒力或者潜在呼吸道疾病病因有关的序列。

但持续在公共场所收集空气DNA仍让一些科学家感到不安，他们提出的问题与针对废水DNA采样的争议类似。

当你在傍晚散步的时候，呼出的DNA就有可能被隐蔽的城市采样器收集到。Duffy表示，利用快速发展、价格低廉且便携的鸟枪法测序技术，甚至可以在现场近乎实时地得出可用于个体识别的结果[6]。

在都柏林和佛罗里达，他的团队通过采集空气样本和未清洗的窗玻璃样本，证明了这种方法的可行性——他们能够区分同一动物物种的不同个体。出于伦理原因，他们没有尝试对样本中混入的人类DNA（所谓人类基因副产品，human genomic by-catch）进行这种测序。但短片段测序就足以揭示人的祖源信息以及一些遗传疾病信息。

许多业内人士对这种副产品的潜在影响持谨慎态度。“如果呼吸就会把人的DNA留在空气中，这种现象会如何冲击我们对隐私边界的认知？”Kelly提出了这样的疑问。她曾于2023年与人合著了一篇文章[7]，呼吁暂停对从环境样本中提取到的人类DNA进行研究，直到达成全球共识。一些期刊已经暂停接收相关研究，例如Creer担任主编的Environmental DNA。Creer等人希望成立一个跨学科小组来评估相关的伦理问题。

其他领域的研究人员也在关注这种可能性。奥斯陆大学的法医遗传学家Peter Gill和同事们一直在评估从办公室和空调机组中捕获的空气DNA[8]，以探索其作为法医工具的潜力。

Gill说，“如果有人最近在一栋楼里待过，大概一天左右的时间，你肯定就能从空气中检测到他们的DNA。”他还表示，如果想要更长期的记录，空气中的DNA也会沉降到物体表面。“你可以采集门槛上的灰尘，那里人们通常不会清理。这样你就能得到一份这栋楼到访者的简要历史记录。”

吉尔表示，空气DNA在法医学上可能有用，但也要考虑到局限性。这与现有的表面接触DNA分析技术类似，需要有一个人类DNA数据库来比对采到的样本，而且得到的相关性也只是一个可能性，而非“匹配”。

一些科学家深为担忧的是，这项技术可能引发公众反感，进而招致监管限制。Creer认为必须谨慎对待这一问题，“以免伤害环境DNA生物多样性研究这个充满前景、令人振奋的领域。”

参考文献：

1. Johnson,M.D.,Barnes,M.A.,Garrett,N.R.&Clare,E.L.Environ.DNA5,375–387(2023).

   
   

2. Clare,E.L.et al.Curr.Biol.32,693–700(2022).

   
   

3. Lynggaard,C.et al.Curr.Biol.32,701–707(2022).

   
   

4. Tournayre,O.et al.Sci.Rep.15,19247(2025).

   
   

5. Sullivan,A.R.et al.Nature Commun.16,11281(2025).

   
   

6. Nousias,O.et al.Nature Ecol.Evol.9,1043–1060(2025).

   
   

7. Doi,H.&Kelly,R.P.Nature Ecol.Evol.7,1334–1335(2023).

   
   

8. Goray,M.et al.Electrophoresis45,933–947(2024).