读懂空气DNA中的隐形“生命档案”

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

空气里究竟藏着多少信息？过去，人们想到的是尘埃、花粉和细菌，如今，科学家发现，空气中还漂浮着另一个庞大而隐秘的世界——DNA。

每一次呼吸、每一次皮肤脱落、每一根飘散的毛发，都在把遗传信息释放进空气中。动物留下的羽毛和排泄物、植物散落的花粉、微生物和病毒，也都在空气中形成一个巨大的“DNA云团”。这些微小片段附着在尘埃颗粒上，随着气流漂浮数天，甚至跨越数百公里。

英国《自然》杂志近日报道称，科学家正通过空气中的环境DNA，重建生态系统组成、追踪病原体传播，并探索这一技术在保护生物多样性、公共安全和法医学中的潜力。空气，正从无形背景，变成一个记录生命活动的巨大数据库。

从动物园到全国性监测

2013年，英国科学家在一次实验中第一次意识到空气DNA的潜力。原本，他们只是想看看空气里是否存在可提取的遗传物质，结果样本中出现了数百种生物痕迹。随后的研究，打开了利用空气监测陆生生物多样性的大门。英国国家物理实验室的物理学家詹姆斯·阿勒顿还找到了将这种方法推广至更大规模的方式。他建议检查英国重金属监测网络采集的样本，该网络在市区、乡村和工业区设有25个空气泵。

根据英国《卫报》报道，研究人员利用DNA元条形码技术，对其中15个站点的空气滤膜进行分析，一次识别出1100多个生物分类单元。令人惊讶的是，空气DNA检测到的物种中，有一半未被公民科学数据库iNaturalist记录。研究人员表示，空气DNA擅长捕捉小型、夜行性或不易见的生物，如真菌、地衣和无脊椎动物，而这些正是生态系统功能的关键角色。

读懂过去也监测未来

空气DNA的价值，不只是实时监测。

瑞典科学家在放射性监测系统中发现，大量旧空气滤膜被保存下来。它们原本用于检测核试验放射性尘埃，却意外保存了几十年的生物遗传痕迹。研究人员利用鸟枪法分析后发现，从植物、鸟类、昆虫到细菌、真菌和鱼类，几乎所有生态成员都留下了记录。

这些滤膜就像时间胶囊。借助它们，科学家得以重建几十年来区域生态演变。例如，某些针叶树因林业管理扩张而增加，随之影响苔藓、真菌和昆虫群落。过去只能通过长期野外调查得到的规律，如今可能从档案滤膜中直接“读”出来。

许多国家已开始关注这一可能。欧洲遍布放射性核素探测站，一旦利用起来，它们有望成为“生态历史档案馆”，帮助科学家回溯几十年的生态变化，重建物种迁徙和气候影响过程。

澳大利亚研究人员则设计并3D打印了无需供电的被动采样器，希望借此及时发现入侵物种或种群崩溃。

需回答四个核心问题

目前，从空气中捕捉DNA的主流技术路径有两种。DNA元条形码方法成本低、速度快，适合大规模监测。鸟枪法测序信息量巨大，但计算复杂、耗时更长。

然而，英国班戈大学分子生态学家西蒙·克里尔提出，无论哪种方法，空气DNA要真正成为可靠工具，还必须回答四个核心问题：DNA如何进入空气？它以什么形态存在？多久会降解？又能传播多远？

答案往往出人意料。在距离海洋160公里的瑞典森林样本中，研究人员曾检测到鳕鱼DNA。追根溯源后发现，是强北风将海洋中的遗传物质吹到了内陆。

英国约克的政府咨询机构“自然英格兰”创新监测技术总监安德鲁·尼斯贝特认为，目前空气DNA不如声学指纹识别（利用声音识别动物物种）和卫星数据等技术有用。空气DNA最擅长的可能就是回答“有没有”的问题，比如，只要检测到一个可靠的信号，就能确认入侵物种或病原体已经来了。

呼吸也会留下身份信息？

当科学家从空气中提取生态信息时，一个伦理问题随之浮出水面：人类自己的DNA，也同样暴露在空气中。

空气样本中经常会混入大量人类DNA。研究证明，通过高通量测序，可以区分同一物种中的不同个体。虽然研究人员没有直接分析完整人类基因组，但短序列分析已能推测人类祖源信息和某些遗传疾病。

这引发了激烈的隐私争论。有学者指出：“如果呼吸就会把DNA释放到空气中，我们该如何看待隐私？”2023年，多位科学家联合呼吁，在制定全球原则之前，暂停从环境样本中研究人类DNA。一些期刊，如《环境DNA》，已经实施了相关禁令，并计划成立多学科伦理评估小组。

美国有线电视新闻网此前也报道，科学家担心，这种技术可能成为最隐蔽的生物监控方式之一。与摄像头记录外貌不同，空气DNA记录的是遗传身份：你是谁、来自哪里，甚至可能暴露健康风险。

不过，公共卫生领域也对这一技术寄予厚望。根据美国《每日科学》报道，研究人员已尝试通过空气DNA监测病原体、农作物疾病甚至抗生素耐药基因，他们希望在疫情暴发前提供预警。

空气DNA正站在十字路口：一边是重建生态、守护物种的巨大潜力，另一边是隐私边界、伦理审查的严峻挑战。如何平衡，将决定这个隐秘世界的最终命运。