本文來(lái)自微信公眾號(hào)： 自然系列 ，作者：Nature?Portfolio
Ryan Kelly對(duì)空氣中那些看不見(jiàn)的漂浮之物心懷敬畏。
Kelly在華盛頓大學(xué)研究環(huán)境DNA（eDNA），她說(shuō)：“這太不可思議了，無(wú)時(shí)不刻，我們都被DNA和RNA攜帶的信息包圍著?！?/p>
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們會(huì)從水與土壤中提取DNA，但直到近期他們才開(kāi)始將空氣也視作遺傳信息采集的來(lái)源。過(guò)去十來(lái)年，研究人員一直在學(xué)習(xí)如何測(cè)量空氣中攜帶的DNA，研究它的豐度，用它來(lái)描繪生態(tài)系統(tǒng)的組成與健康圖景?？諝鈹y帶的DNA也可以用于監(jiān)測(cè)單一的物種，和作為探測(cè)入侵物種或者生物武器襲擊的手段。另外，科學(xué)家們還在嘗試將其用作評(píng)估保護(hù)工作成效的一種方法。
David Duffy在佛羅里達(dá)大學(xué)研究野生動(dòng)物疾病基因組學(xué)，他認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)有望“只需要一次快速的檢測(cè)就能連接起整個(gè)生物多樣性、整個(gè)世界，甚至可以在野外檢測(cè)、在云端分析。”
當(dāng)然，這里仍有許多懸而未決的問(wèn)題，比如說(shuō)空氣中DNA降解的速度到底有多快，又比如DNA能夠傳播多遠(yuǎn)。另外有一些科學(xué)家擔(dān)心，從空氣中提取的遺傳物質(zhì)中總有一部分是來(lái)自人類(lèi)的，當(dāng)使用這些材料進(jìn)行保育研究時(shí)，將不可避免地暴露這些人的族裔、遺傳缺陷等隱私信息，甚至可能被用于識(shí)別個(gè)人身份。
DNA云
隨便撓撓頭，你就會(huì)把富含DNA的細(xì)胞材料釋放到空氣里。這些DNA將和其他各種來(lái)源的DNA在空氣中混合在一起，你和其他人的呼吸、脫落的皮屑、毛發(fā)碎片、羽毛、糞便、花粉與孢子，以及各種微生物諸如病毒和微藻，等等。這些DNA可能含有長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)堿基對(duì)的片段，它們常常附著在灰塵顆粒上，在空氣中飄蕩數(shù)日，傳播距離短則幾米，長(zhǎng)則可達(dá)數(shù)千米。
雖然科學(xué)家們已經(jīng)日常地從水、雪以及土壤中采集環(huán)境DNA，用來(lái)收集生物多樣性的信息，或者追蹤污染源和病毒，但是他們不常監(jiān)測(cè)空氣中的DNA，除了空氣中的花粉和孢子——隨風(fēng)傳播的DNA堅(jiān)固載體。
但在2010年代初，生態(tài)學(xué)家們開(kāi)始思考，除了花粉與孢子，我們還能不能從空氣中捕獲一些有用的DNA痕跡？2013年，就職于英國(guó)自然歷史博物館的生物學(xué)家Matt Clark和厄勒姆研究所的Richard Leggett在一座溫室的內(nèi)外分別采集了空氣樣本。
Clark說(shuō)，“我們一開(kāi)始只是想知道能不能找到東西，結(jié)果發(fā)現(xiàn)還不少——得有幾十上百種?！?/p>
與此同時(shí)，德克薩斯理工大學(xué)的生態(tài)學(xué)家Matthew Barnes利用分析水體環(huán)境DNA的技術(shù)分析了空氣樣本，發(fā)現(xiàn)里面有來(lái)自葉片和花朵的DNA，以及那些非風(fēng)媒花的花粉DNA。他意識(shí)到，這項(xiàng)技術(shù)有分析、了解整個(gè)植物群落的潛力。
但是直到英國(guó)劍橋附近發(fā)現(xiàn)了老虎的DNA，才讓更多人注意到到空氣DNA的潛在價(jià)值。加拿大約克大學(xué)的Elizabeth Clare和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Joanne Littlefair想知道能否在空氣中找到動(dòng)物的DNA。她們?cè)谟?guó)劍橋郡的一所小動(dòng)物園里采集了樣本，這樣就能確定所有DNA的來(lái)源——因?yàn)槟芴綔y(cè)到的外來(lái)物種都被圈養(yǎng)在園內(nèi)。
在實(shí)驗(yàn)室里，研究人員提取了空氣樣本中的DNA，進(jìn)行了擴(kuò)增與測(cè)序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)她們不僅能探測(cè)到200米外的老虎，還能檢測(cè)到動(dòng)物園里的其他動(dòng)物，以及它們的食物——包括雞、馬和豬。樣品中還檢測(cè)到了一些野生動(dòng)物，包括刺猬、蝙蝠和松鼠。她們采集的這份樣本總共檢出了25種哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)，其中17種是動(dòng)物園圈養(yǎng)的[2]。同一時(shí)期發(fā)表的另一份研究在丹麥哥本哈根動(dòng)物園附近展開(kāi)，也取得了相似的結(jié)果。
“空氣中的動(dòng)物DNA一直在那里，只是我們之前沒(méi)有去找它而已?！痹谟?guó)班戈大學(xué)研究分子生態(tài)學(xué)的Simon Creer說(shuō)。
技術(shù)人員在芬蘭中部收集空氣中的真菌孢子。圖片來(lái)源：于韋斯屈萊大學(xué)，Tommi Sassi
不過(guò)，找到辦法規(guī)?；膮s是一位物理學(xué)家。倫敦國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的James Allerton建議Clare去檢查一下英國(guó)重金屬檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集的樣本，該網(wǎng)絡(luò)擁有25個(gè)氣泵，遍布于城市、鄉(xiāng)村和工業(yè)區(qū)。
研究人員分析了該網(wǎng)絡(luò)中15個(gè)氣泵采集的樣本，并于去年發(fā)表了研究的成果[4]。他們說(shuō)這是“全球首個(gè)利用空氣eDNA開(kāi)展國(guó)家級(jí)陸生生物多樣性普查的研究”。他們的研究結(jié)果里出現(xiàn)了英國(guó)常見(jiàn)本土動(dòng)物，也包含有鸚鵡等外來(lái)寵物，比較引人注意的是他們發(fā)現(xiàn)了一種新的入侵魚(yú)類(lèi)：鰱魚(yú)（Hypophthalmichthys molitrix），該物種此前在研究區(qū)域內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)過(guò)。從簡(jiǎn)單的單細(xì)胞原生生物到復(fù)雜的脊椎動(dòng)物，他們的結(jié)果里檢測(cè)到了超過(guò)1100個(gè)不同的分類(lèi)單元。
為了檢測(cè)方法的可靠性，研究人員將他們的結(jié)果與iNaturalist等數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行了比對(duì)，后者依賴(lài)公民科學(xué)家的目擊記錄進(jìn)行完善。他們發(fā)現(xiàn)空氣DNA記錄的物種里，iNaturalist有一半沒(méi)有記錄到，而iNaturalist記錄的物種里，也有43%的物種是eDNA里沒(méi)有找到的。公民科學(xué)家往往會(huì)在距離人居更近的地方發(fā)現(xiàn)更多鳥(niǎo)類(lèi)以及其他引人注目、易于觀察的物種。而空氣DNA則記錄到了更多更小的、不易察覺(jué)和夜行性的生物，包括真菌、地衣、無(wú)脊椎動(dòng)物、樹(shù)以外的其他植物等等。Littlefair說(shuō)“這些是生態(tài)系統(tǒng)功能的真正動(dòng)力來(lái)源?！?/p>
研究團(tuán)隊(duì)表示，這種方法是“監(jiān)測(cè)陸地生物動(dòng)態(tài)的一種切實(shí)可行的方案”?，F(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)家開(kāi)展同樣的工作。
空氣中的檔案
想象一下，如果能調(diào)遣一個(gè)過(guò)濾大量空氣的氣泵網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)還保留有可以追溯到過(guò)去幾十年的記錄樣本，你可以做什么？2015年，瑞典于默奧大學(xué)的分子生物學(xué)家Per Stenberg就聽(tīng)說(shuō)了這樣的一個(gè)可能性——位于斯德哥爾摩的瑞典國(guó)防研究局保留了數(shù)萬(wàn)份過(guò)濾片上的歷史樣本，而這些樣本中所包含的DNA碎片記錄著一段70年的生物多樣性史。
他當(dāng)時(shí)正在參加一個(gè)關(guān)于瑞典放射性核素探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研討會(huì)，該網(wǎng)絡(luò)建于20世紀(jì)50年代后期，用于探測(cè)核武器試驗(yàn)。這25個(gè)監(jiān)測(cè)站每小時(shí)吸入數(shù)百立方米的空氣，這些空氣中所攜帶的細(xì)微物質(zhì)都被聚集在玻璃纖維濾片上儲(chǔ)存了起來(lái)。
Stenberg著手分析了北極圈以北的一個(gè)監(jiān)測(cè)站所采集到的過(guò)濾片。與Littlefair采用的DNA宏條形碼技術(shù)（DNA metabarcoding，即尋找特定的短標(biāo)記區(qū)域來(lái)確定物種）不同，Stenberg采用的是鳥(niǎo)槍法測(cè)序（shotgun sequencing）。他將這些DNA分解成更小的片段，對(duì)所有的小片段進(jìn)行測(cè)序，再在電腦中將這些片段匹配到已知的參考基因組上去。與DNA宏條形碼技術(shù)相比，鳥(niǎo)槍法測(cè)序會(huì)更加耗時(shí)耗力，所需要的統(tǒng)計(jì)學(xué)手段更加復(fù)雜，但結(jié)果也會(huì)更加詳盡。
他與合作者——該研究機(jī)構(gòu)的科研主管Mats Forsman——花了四年時(shí)間才拿到了結(jié)果[5]。
“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)?！盨tenberg回憶道，“我是說(shuō)，凡是存在、而且有記錄匹配的生物，我們都能看到——生態(tài)系統(tǒng)中每一種不算超罕見(jiàn)的生物。”
結(jié)果表明這項(xiàng)技術(shù)值得信賴(lài)，他說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我就在想：哇！這值得深入探索。”
生態(tài)學(xué)家致力于此，他們記錄許多物種每周、每個(gè)季節(jié)的豐度，檢測(cè)它們的周期性波動(dòng)，并將這些波動(dòng)與氣候的變動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。他們發(fā)現(xiàn)了生態(tài)群落在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上發(fā)生的變化——隨著森林管理方式的改變帶來(lái)的松樹(shù)豐度起伏，以及伴隨著的其他樹(shù)種、苔蘚、地衣及真菌種群數(shù)量的下降。他們?cè)陂L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中追蹤到了不同物種間一些已知的協(xié)同變化關(guān)系，例如蒼蠅與某些細(xì)菌之間的關(guān)聯(lián)模式，并識(shí)別出了一些新的協(xié)同變化關(guān)系。
Stenberg和他的合作者表示，歐洲遍布放射性核素探測(cè)站，這可能為“重建生態(tài)歷史與檢測(cè)正在發(fā)生的變化提供前所未有的機(jī)會(huì)。”
然而，這些網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)問(wèn)題在于，它們的位置是固定的。一些科學(xué)家們正在嘗試更靈活的監(jiān)測(cè)方法。在澳大利亞國(guó)家野生動(dòng)物收藏館研究保護(hù)遺傳學(xué)的Erin Hahn設(shè)計(jì)并3D打印了無(wú)需能源供應(yīng)的被動(dòng)式采樣器，并將它們交給了新南威爾士州的土地所有者。
目前她的團(tuán)隊(duì)還處于探索階段。“影響因素非常多，包括氣流、光照、與動(dòng)物通道的距離等等。我們剛開(kāi)始著手厘清這些因素的影響，以便更好地理解DNA是如何傳播的。”她說(shuō)。Hahn最終想要的是一個(gè)靈活的網(wǎng)絡(luò)，可以快速精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)變化，標(biāo)記出入侵物種，或找到那些需要管理的正在崩潰的種群。
全面讀數(shù)
對(duì)于旨在追蹤生態(tài)系統(tǒng)健康程度的政府、公司、科學(xué)家以及野生動(dòng)物保護(hù)工作者而言，空氣DNA可以提供支持定期讀取的、全面的陸生生物多樣性讀數(shù)。
Duffy正在評(píng)估空氣DNA用于追蹤森林恢復(fù)的可能性，他表示：“這意味著我們可以快速評(píng)估生態(tài)修復(fù)措施實(shí)施前、實(shí)施中與實(shí)施后的環(huán)境狀況，我們可以不再只是主觀認(rèn)為自己改善了生物多樣性，而是有了真正的量化指標(biāo)?！?/p>
在英國(guó)諾福克郡的一處海灘上，空氣采樣裝置正在收集用于DNA測(cè)序的材料。圖片來(lái)源：Darren Heavens/厄勒姆研究所
通過(guò)追蹤病原體數(shù)量以及各物種遺傳多樣性（健康狀況的指標(biāo)之一），DNA讀數(shù)還能用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的活力。
空氣DNA或許還能幫助我們解答一些長(zhǎng)期存在的其他生態(tài)學(xué)問(wèn)題。Stenberg的研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)旨在理解生態(tài)系統(tǒng)中因果關(guān)系的模型。
“我們知道狐貍吃兔子，兔子吃一些植物，等等。”Stenberg說(shuō)，“但是當(dāng)我們說(shuō)起整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，說(shuō)起細(xì)菌、線蟲(chóng)、昆蟲(chóng)、植物、動(dòng)物，我們其實(shí)所知甚少?！苯沂靖嗉?xì)節(jié)能夠提供實(shí)際信息，了解關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)損傷。
難以解釋
但是還是有很多問(wèn)題需要提前解決。
比如說(shuō)，為什么在距離海岸160公里的瑞典森林樣本中發(fā)現(xiàn)了鱈魚(yú)的DNA？Stenberg解決了這個(gè)問(wèn)題，他將鱈魚(yú)DNA的出現(xiàn)與強(qiáng)勁北風(fēng)聯(lián)系起來(lái)。Hahn則想知道農(nóng)村樣本里含有的老鼠DNA意味著什么。是老鼠昨天來(lái)過(guò)，還是一個(gè)世紀(jì)前的鼠糞碎片從腐爛的垃圾堆里被風(fēng)吹了出來(lái)？
Creer表示，四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題將決定空氣DNA的解讀：DNA是如何進(jìn)入環(huán)境的、它處于什么狀態(tài)、需要多長(zhǎng)時(shí)間才能降解，以及它是如何傳播的。
Andrew Nisbet也在思考著這些問(wèn)題。他領(lǐng)導(dǎo)著英國(guó)政府咨詢(xún)機(jī)構(gòu)英格蘭自然署（Natural England）的創(chuàng)新監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，該機(jī)構(gòu)致力于保護(hù)和恢復(fù)英國(guó)的自然環(huán)境。
他說(shuō)：“如果我們放置一個(gè)采樣器，這就能讓我們了解整個(gè)自然保護(hù)區(qū)的情況嗎？還是說(shuō)我們應(yīng)該放十個(gè)？讓它運(yùn)行一天足夠嗎？”
Nisbet認(rèn)為，目前空氣DNA的實(shí)用性還不如利用聲音識(shí)別動(dòng)物物種的聲學(xué)指紋識(shí)別（acoustic fingerprinting）和衛(wèi)星數(shù)據(jù)等技術(shù)。空氣DNA的優(yōu)勢(shì)可能首先體現(xiàn)在“即使只有一項(xiàng)經(jīng)證實(shí)的發(fā)現(xiàn)也能解答疑問(wèn)”的領(lǐng)域——例如，某個(gè)入侵物種或病原體已經(jīng)出現(xiàn)。
這項(xiàng)應(yīng)用正是Clark和Leggett的研究重點(diǎn)。自從第一次在空氣中發(fā)現(xiàn)植物DNA以來(lái)，他們開(kāi)發(fā)出了一種新的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以在已知病蟲(chóng)害真正對(duì)作物造成危害之前數(shù)周就發(fā)現(xiàn)它們——他們說(shuō)，這一信息有助于更加合理地噴灑農(nóng)藥。Clark和Leggett今年成立了一家衍生公司，該公司部署了一項(xiàng)名為AirSeq的技術(shù)，他們表示，該技術(shù)可以用于追蹤人類(lèi)和動(dòng)物的疾病、抗生素耐藥性等等一系列問(wèn)題?！拔覀兒芟肟纯慈藗儠?huì)如何利用這項(xiàng)技術(shù)?！盋lark表示。
這類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一在于，它們可以采集環(huán)境中所有物質(zhì)并提供整體讀數(shù)，而不是僅僅搜索某種特定的病原體。英國(guó)探測(cè)器制造商Kromek的工程師Jamie Marsay表示，這一特性在國(guó)防領(lǐng)域非常有用，因?yàn)槿藗兛赡苄枰鎸?duì)新的病原體或是基因工程生物武器。他起初與Clark和Leggett合作，開(kāi)發(fā)一種鞋盒大小的設(shè)備，可以持續(xù)采集空氣樣本提取DNA，并將檢測(cè)到的信息提交給特定算法，識(shí)別出與毒力或者潛在呼吸道疾病病因有關(guān)的序列。
但持續(xù)在公共場(chǎng)所收集空氣DNA仍讓一些科學(xué)家感到不安，他們提出的問(wèn)題與針對(duì)廢水DNA采樣的爭(zhēng)議類(lèi)似。
當(dāng)你在傍晚散步的時(shí)候，呼出的DNA就有可能被隱蔽的城市采樣器收集到。Duffy表示，利用快速發(fā)展、價(jià)格低廉且便攜的鳥(niǎo)槍法測(cè)序技術(shù)，甚至可以在現(xiàn)場(chǎng)近乎實(shí)時(shí)地得出可用于個(gè)體識(shí)別的結(jié)果[6]。
在都柏林和佛羅里達(dá)，他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)采集空氣樣本和未清洗的窗玻璃樣本，證明了這種方法的可行性——他們能夠區(qū)分同一動(dòng)物物種的不同個(gè)體。出于倫理原因，他們沒(méi)有嘗試對(duì)樣本中混入的人類(lèi)DNA（所謂人類(lèi)基因副產(chǎn)品，human genomic by-catch）進(jìn)行這種測(cè)序。但短片段測(cè)序就足以揭示人的祖源信息以及一些遺傳疾病信息。
許多業(yè)內(nèi)人士對(duì)這種副產(chǎn)品的潛在影響持謹(jǐn)慎態(tài)度。“如果呼吸就會(huì)把人的DNA留在空氣中，這種現(xiàn)象會(huì)如何沖擊我們對(duì)隱私邊界的認(rèn)知？”Kelly提出了這樣的疑問(wèn)。她曾于2023年與人合著了一篇文章[7]，呼吁暫停對(duì)從環(huán)境樣本中提取到的人類(lèi)DNA進(jìn)行研究，直到達(dá)成全球共識(shí)。一些期刊已經(jīng)暫停接收相關(guān)研究，例如Creer擔(dān)任主編的Environmental DNA。Creer等人希望成立一個(gè)跨學(xué)科小組來(lái)評(píng)估相關(guān)的倫理問(wèn)題。
其他領(lǐng)域的研究人員也在關(guān)注這種可能性。奧斯陸大學(xué)的法醫(yī)遺傳學(xué)家Peter Gill和同事們一直在評(píng)估從辦公室和空調(diào)機(jī)組中捕獲的空氣DNA[8]，以探索其作為法醫(yī)工具的潛力。
Gill說(shuō)，“如果有人最近在一棟樓里待過(guò)，大概一天左右的時(shí)間，你肯定就能從空氣中檢測(cè)到他們的DNA?！彼€表示，如果想要更長(zhǎng)期的記錄，空氣中的DNA也會(huì)沉降到物體表面。“你可以采集門(mén)檻上的灰塵，那里人們通常不會(huì)清理。這樣你就能得到一份這棟樓到訪者的簡(jiǎn)要?dú)v史記錄?！?/p>
吉爾表示，空氣DNA在法醫(yī)學(xué)上可能有用，但也要考慮到局限性。這與現(xiàn)有的表面接觸DNA分析技術(shù)類(lèi)似，需要有一個(gè)人類(lèi)DNA數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)比對(duì)采到的樣本，而且得到的相關(guān)性也只是一個(gè)可能性，而非“匹配”。
一些科學(xué)家深為擔(dān)憂(yōu)的是，這項(xiàng)技術(shù)可能引發(fā)公眾反感，進(jìn)而招致監(jiān)管限制。Creer認(rèn)為必須謹(jǐn)慎對(duì)待這一問(wèn)題，“以免傷害環(huán)境DNA生物多樣性研究這個(gè)充滿(mǎn)前景、令人振奮的領(lǐng)域。”
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