科學(xué)家利用空氣中DNA捕捉生態(tài)和人類的生物信息

空氣傳播的遺傳物質(zhì)可以用來描繪生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，監(jiān)測入侵物種，甚至識別人類，《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)家對空氣中無形漂浮物感到驚奇

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(xué)習(xí)如何測量空氣中的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(xué)圣奧古斯丁分校野生動物疾病基因組學(xué)研究員David Duffy表示，該技術(shù)承諾通過一個極其快速且可以在現(xiàn)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(zhì)來自人類，幾位科學(xué)家擔(dān)心在使用該技術(shù)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(zhì)到空氣中。在那里，它會與來自無數(shù)其他來源的DNA混合：一個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(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(fēng)而設(shè)計的。

但在2010年代初，各種生態(tài)學(xué)家開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，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開發(fā)的技術(shù)分析空氣樣本，發(fā)現(xiàn)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(fēng)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(fā)現(xiàn)的老虎DNA，讓更廣泛的社區(qū)意識到空氣中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·利特爾費爾想知道他們是否能在空氣中發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)DNA就能找到，因為這些異國動物被限制在公園內(nèi)。

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(fā)現(xiàn)，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(yǎng)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(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(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采集的樣本，該網(wǎng)絡(luò)擁有25臺空氣泵，分布在城市、鄉(xiāng)村和工業(yè)場所。

研究人員研究了該網(wǎng)絡(luò)15個站點的樣本，并于去年發(fā)表了相關(guān)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(diào)查。他們發(fā)現(xiàn)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(qū)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(jié)果與iNaturalist等大型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行了比較，這些數(shù)據(jù)庫中公民科學(xué)家記錄了他們所看到的內(nèi)容。iNaturalist未能捕捉到團隊發(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)，在人類居住區(qū)附近發(fā)現(xiàn)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(tài)系統(tǒng)功能的真正動力。”

團隊表示，這種方法是“監(jiān)測陸地生命動態(tài)的現(xiàn)實解決方案”。現(xiàn)在，研究人員正在幫助擁有類似監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的國家實現(xiàn)同樣的目標(biāo)。

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(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·斯滕伯格聽說了這樣一種可能性——一段70年的生物多樣性歷史，通過數(shù)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(guān)于瑞典放射性核素檢測網(wǎng)絡(luò)的研討會，該網(wǎng)絡(luò)建于20世紀(jì)50年代末，用于檢測核武器試驗。這25個站點每小時吸入數(shù)百立方米空氣，內(nèi)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(biāo)記區(qū)——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(shù)耗費更多時間和精力，并需要更復(fù)雜的統(tǒng)計技術(shù)。但結(jié)果更為詳細。

直到四年后，他和合作者、該機構(gòu)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(yīng)的參照，科學(xué)家都能看到——每一個生態(tài)系統(tǒng)中不算極其罕見的生物。結(jié)果表明該技術(shù)是值得信賴的，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，并將其與氣候變化相匹配。他們揭示了長期的社區(qū)變化——由于林業(yè)管理的變化，松樹數(shù)量的興衰，以及其他樹木、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)歷史和檢測持續(xù)變化提供前所未有的機會”。

然而，這些網(wǎng)絡(luò)分布在固定地點。一些科學(xué)家正在嘗試更靈活的監(jiān)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(xué)的艾琳·哈恩(Erin Hahn)設(shè)計并3D打印了無需能源供應(yīng)的被動采樣器，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(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)

對于政府、企業(yè)、科學(xué)家和保護人士，旨在追蹤生態(tài)系統(tǒng)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(shù)。

這意味著科學(xué)家們可以在緩解前、中、后快速評估環(huán)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(biāo)。他們正在評估該措施在追蹤森林恢復(fù)方面的潛力。

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

DNA讀數(shù)還可以幫助記錄生態(tài)系統(tǒng)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(biāo)。

還有其他持久的生態(tài)學(xué)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(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，但整個生態(tài)系統(tǒng)——當(dāng)我們談?wù)摷毦⒕€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(jié)可以為生態(tài)系統(tǒng)如何應(yīng)對破壞提供實用信息。