現在，張開嘴大吸一口氣，你會吸進多少生物的DNA？

看起來或許有點詭異，但這其實是“空氣eDNA”技術的基礎。這種全新的技術，可以捕捉空氣中漂浮的微量DNA，通過DNA信息識別相應的物種——這往往能讓我們發現肉眼不可察覺的奧秘。

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什么？空氣里也有DNA？｜Pixabay

真的能測出DNA嗎？

地球上的生物，無論是行走在陸地、翱翔于天空還是暢游于水中，都會持續地向周圍環境釋放自身的DNA。**這可能源于生物體皮膚細胞的脫落、呼吸、排泄，或是羽毛、毛發的掉落等。**研究人員通過收集水、土壤等環境樣品，通過分子生物學技術對環境樣品中的DNA進行提取和分析，就能從這些DNA溯源到它們對應的物種——這種技術稱為環境DNA（eDNA）技術。

空氣eDNA技術是環境DNA技術的延伸。攜帶著生物遺傳信息的DNA片段，會隨著空氣的流動而散布在大氣之中。當我們采集空氣樣本時，實際上就是在收集這些漂浮于空氣中的DNA。

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空氣DNA分析簡要流程｜作者供圖

但這些DNA非常微量，我們真的能從中找到有用的生物信息嗎？

為了驗證這種技術是否可行，2020年，英國科學家在動物園進行了試驗。

她們在動物園的20個地點安裝了抽氣泵和過濾器，讓抽氣泵運行30分鐘。空氣被吸入抽氣泵，經過過濾器時，其中的eDNA會被截留在過濾器中的濾膜上；在實驗室對濾膜進行處理，就能將DNA從其他雜質中分離出來。提取到的DNA往往量非常少，需要使用聚合酶鏈式反應（PCR）技術進行擴增；現在利用通用引物，可將屬于同一個類群（比如維管植物、脊椎動物或真菌等）的多物種DNA同時擴增，快速獲得豐富的信息。對擴增后的DNA產物進行測序，再將結果與已有的數據庫比對，就能確定樣本中存在哪些生物的DNA，從而識別出相應的物種。

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英國研究者利用抽濾空氣的方法收集動物園中的空氣DNA｜Clare et al., 2022, Current Biology

她們在動物園收集了72份空氣樣本，最終檢測到了25種獸類和鳥類。這其中有17種是動物園里飼養的動物，它們的DNA信息能夠漂浮到籠舍300米外；另外一些則是動物園附近的“居民”，例如刺猬和鹿。此外，她們還檢測到了雞、豬、牛、馬的DNA信息，這些可能來自喂養給動物的食物。

我們在北大測出了犀牛

除了使用真空泵“主動吸收”空氣，還有一種“被動采樣”。空氣中漂浮的顆粒物質雖小，但也有重力。研究人員會放置花粉采樣器或涂有粘性材料（如甘油、凡士林、膠帶）的載玻片，等待空氣中的顆粒物質自己沉降到采樣器或載玻片上。

不過，真空泵等裝置需要持續的電源供給，被動式收集器的裝置使用也較復雜，不易大規模布設，這些都制約了空氣eDNA技術的廣泛使用。我們對空氣收集裝置進行了改進，利用多種材質的濾膜、粘性劑等材料在空氣中捕獲eDNA。

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測試多種材料收集空氣eDNA的能力｜Lin et al., 2025，Methods in Ecology and Evolution

我們在北京大學的校園進行了系列實驗，把這些材料懸掛在戶外，在春（3~4月）秋（9月）兩季共約兩周的時間里，就采集到485種植物和132種脊椎動物的eDNA！（研究論文昨天剛剛上線，感興趣的朋友可以點擊文末“閱讀原文”獲取文章。）

對于植物而言，很多時候花粉是重要的DNA來源。例如，隨著銀杏進入散粉期，其空氣eDNA量逐天增長，這種定量特征可以幫助我們識別花粉過敏源。非花期的植物也能被廣泛地檢測出來，這些非花粉來源的DNA可能來源于葉片碎屑或其他植物成分。

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通過在北大校園中收集空氣eDNA，檢測出的部分植物｜植物圖片來自網絡

我們檢測到的132種脊椎動物，包括33種哺乳動物、66種鳥類、4種兩棲類及29種魚類。大部分為常見物種，如喜鵲、灰喜鵲、斑鳩等，但也有些出乎意料的結果。比如，我們從空氣eDNA中檢測到了蒼鷺，恰好校園里就有一只網紅蒼鷺，雖然不能確認一定就是它的DNA，但大概率是吧！魚的DNA也能在空氣中檢測到，這可能是由風將水面的eDNA揚送到空中，食魚的鳥類也有可能將魚類的DNA帶到陸上。

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通過在北大校園中收集空氣eDNA，檢測出的部分動物｜動物圖片來自網絡

另外，我們還檢測到鴕鳥及犀牛！它們顯然不是校園里的動物，我們懷疑這些DNA來自于北京動物園——有研究顯示，空氣中的eDNA可以遠距離傳輸，某些植物的DNA可以飄到數十公里遠。不過，這只是我們目前的猜測，想要確認這些動物DNA的具體來源，還需更多實驗驗證。

目前，我們對于空氣eDNA的傳播方式、輸送距離、降解動態都了解有限，很多奧秘有待未來解析。但這兩周的收集說明，我們的空氣eDNA采樣新方法簡便、靈活、高效且經濟實用，將會推動生物監測領域突破原有界限，實現更廣泛時空尺度和更全面物種類型的生物信息采集。

發現肉眼難以察覺的奧秘

空氣eDNA技術就像一種拼圖游戲，每一份空氣樣本中都有海量的拼圖碎片，我們從中拼湊出完整的生物信息圖像——而這份圖像往往能給我們提供肉眼難以察覺到的信息。例如，當鳥類經過某個地點時，人類的觀測和影像監測設備不一定能記錄到它，但我們卻有可能通過它留在空氣中的DNA信息，發現它的蹤跡。空氣eDNA還有助于我們獲得更廣大區域中的植物和真菌的多樣性信息，為追蹤物種分布、物候變化等提供海量數據。

這些優勢，讓空氣eDNA技術為生物調查帶來更多可能。

生物多樣性監測

在全球生物多樣性面臨威脅的背景下，準確、高效地監測生物多樣性至關重要，空氣eDNA技術為這一領域帶來了新的希望。

傳統的生物多樣性監測方法，如實地觀察、相機陷阱和音頻記錄等，往往受到諸多限制，不僅耗費大量的人力、物力和時間，要求研究人員具備相當的形態學和分類學知識，而且難以發現一些隱秘或稀有物種。空氣eDNA技術能夠在不干擾生物的情況下，快速、全面地收集環境中的生物信息——即使是那些難以直接觀察到的物種，或者棲息地人類難以到達的物種，比如穴居且行蹤隱秘的蝙蝠等夜行性動物，我們也能通過在空氣中留下的eDNA而檢測到它們。

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一位生態學家正準備在夜晚追蹤蝙蝠；有了eDNA技術，科學家可以在不干擾生物的情況下，更方便快速地收集生物信息｜Luis Echeverría / NPR

這有助于科學家及時了解生態系統的變化，評估生物多樣性的健康狀況，為保護決策提供有力支持。

瀕危物種保護

對于瀕危物種而言，及時準確地掌握它們的數量、分布和活動情況是保護工作的基礎。以朱鹮監測為例，傳統人工監測方法受限于人力物力，難以實現大范圍、高頻率監測。空氣eDNA技術為瀕危物種保護提供了一種全新的、非侵入性的監測手段。

陜西省的科研人員最近就將空氣eDNA技術應用于朱鹮監測，通過采集分析空氣樣本，成功檢測到了朱鹮的eDNA。通過這種方法，我們可以了解朱鹮飛去了哪兒、更喜歡在哪里活動，從而了解其棲息地的適宜性，為制定瀕危物種的保護和管理策略提供依據。

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飛行中的朱鹮｜圖蟲創意

入侵物種預警

入侵物種對本地生態系統的破壞往往是災難性的，因此早期預警至關重要。空氣eDNA技術可以成為監測入侵物種的有力工具——通過在特定區域設置空氣采樣點，持續監測空氣中的eDNA，一旦檢測到外來入侵物種的eDNA信號，就能及時發出警報。

例如，在農田或自然保護區周邊，通過實時監測空氣eDNA，農民或保護區管理者可以在入侵害蟲或植物剛剛出現時就察覺，從而采取相應措施，防止其大規模擴散，減少對生態和農業生產的損失。

作者：姚蒙

編輯：麥麥

來源: 果殼自然