空气中的遗传物质可用于评估生态系统的健康状况、监测外来入侵物种，甚至识别人类个体。
在华盛顿大学研究环境DNA（eDNA）的瑞安 · 凯利（Ryan Kelly）对空气中那些看不见的飘浮之物心怀敬畏。凯利说：“这简直太不可思议了，我们竟每时每刻都被携带着DNA与RNA的遗传信息包围着。”
长期以来，科学家都是从水和土壤中提取eDNA，直到最近才开始将空气视为采集遗传信息的一个来源。近十年来，研究人员一直在探索如何检测空气DNA，分析其丰度，借此还原生态系统生物构成与健康状况的整体图景。空气DNA如今正被用于监测特定物种，同时，科学家也在尝试将其用于排查外来入侵物种、防范生物武器袭击以及评估生态保护工作的实际成效。
佛罗里达大学惠特尼海洋生物科学实验室的戴维 · 达菲（David Duffy）表示，空气DNA检测技术有望通过一次快速检测全面串联起全球的生物多样性，这种检测甚至可以在现场完成并在云端分析。达菲主要从事野生动物疾病基因组学研究。
当然，该领域仍有诸多待解难题，比如空气里DNA的降解速度与传播距离。空气中也会夹杂着属于人类的遗传物质，因此一些科学家担心，在利用该技术进行生态保护研究时，无意间获取的人类DNA可能会泄露这个人的种族信息或遗传病状况，甚至被用来精准识别个体身份。
空气DNA的潜力引发关注
你挠头时，富含DNA的细胞物质便会飘散到空气中。它们会与无数其他来源的DNA混杂在一起，包括人类呼吸产生的物质和脱落的皮屑，飘散的毛发碎段，排泄物，花粉和孢子，微生物（如病毒、微藻），等等。这些DNA可能包含长达数万碱基对的片段，通常附着在尘埃颗粒上，能在空气中飘浮数日，传播距离从数米至数千米不等。
eDNA一般都从水、雪和土壤中采集，用于获取生物多样性信息或追踪污染物与病毒，但在空气中，科学家通常并不监测除花粉和孢子（它们本身就是为随风传播而设计的坚固包裹）以外的DNA来源。直到2010年代初，生态学家开始猜想：除了传统的花粉、孢子外，空气中是否还存在其他有用的DNA痕迹呢？2013年，伦敦自然博物馆的生物学家马特 · 克拉克（Matt Clark）与英国厄勒姆研究所的理查德 · 莱格特（Richard Leggett）在一个温室内外分别采集了空气样本。克拉克称：“起初我们只是好奇，没想到最终检测出数十种甚至数百种生物的DNA信息。”
与此同时，得克萨斯理工大学的生态学家马修 · 巴恩斯（Matthew Barnes）利用水体eDNA检测技术分析了空气样本，发现其中不仅富含来自叶片和花朵的DNA，甚至还有一些非风媒花粉的DNA。他由此意识到可以通过空气来认识整个植物群落。
而真正让更多人开始关注空气DNA潜力的，是在英国剑桥附近检测到老虎DNA一事。当时，加拿大约克大学的伊丽莎白 · 克莱尔（Elizabeth Clare）与伦敦大学学院的乔安妮 · 利特菲尔（Joanne Littlefair）想知道能否在空气中检测到动物的DNA。二人选择在英国剑桥郡的一个小型动物园采样，因为园内动物活动范围固定，便于确认DNA来源。
研究团队在实验室里提取了样本中的DNA，并对其进行扩增和测序，结果发现：在距离老虎围栏200米的地方仍能检测到老虎的DNA，还检出园内多种其他动物、它们的食物（包括鸡肉、马肉和猪肉）以及刺猬、蝙蝠、松鼠等野生动物的DNA。总的来说，基于这些样本，他们共计测出25种哺乳动物和鸟类的DNA，其中17种为园内饲养的物种。同期（2022年2月）发表的另一项研究也得出相似结论，该研究则是在丹麦哥本哈根动物园附近取的样。
英国班戈大学研究分子生态学的西蒙 · 克里尔（Simon Creer）说：“空气中一直有动物DNA，只是以前从未有人专门探寻而已。”推动空气eDNA检测技术实现规模化应用的是就职于英国国家物理实验室的物理学家詹姆斯 · 阿勒顿（James Allerton）。他提议克莱尔团队调取英国重金属空气监测网络采集到的空气样本。该网络在城区、乡村与工业区布有25个监测站点。
研究人员对其中15个站点的样本进行了分析，并于2025年发布了据称是全球首份基于空气eDNA检测技术开展的陆地生物多样性国家级调查报告。在研究中，他们不仅发现了英国常见的动物，还检出鹦鹉等外来宠物物种，以及此前该地区从未记录过的入侵物种鲢鱼。从脊椎动物到单细胞原生生物，他们共检测到1100个生物分类单元。
为验证检测方法的可靠性，研究人员还将相关结果与 iNaturalist（公民科学家可以在平台上记录他们所观察到的生物）等大型数据库中的数据做了比对。他们发现自己检测到的物种中有半数以上都未被iNaturalist记录，而eDNA数据也未能反映iNaturalist里43%的物种。利特菲尔表示，公民科学调查往往更容易发现人类居所周边的鸟类和其他容易观察到的物种，而空气DNA检测则能捕捉到更多微小、“隐形”及夜行性生物，如真菌、地衣、无脊椎动物、草本植物等，“它们恰恰是维系生态系统功能的关键”。
研究团队称，该技术可为监测陆地生物种群动态提供切实可行的解决方案。目前，他们正协助多个拥有类似监测网络的国家开展同样的工作。
借助空气DNA追踪生态变化
如果可以利用一个能过滤海量空气且留存数十年记录的网络，情况会如何呢？2015年，瑞典于默奥大学的分子生物学家佩尔 · 斯滕贝格（Per Stenberg）得知，瑞典国防研究局储存着大量留有DNA信息的空气滤膜样本，这些样本意外记录了70年间的生物多样性历史。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，该网络始建于20世纪50年代末，初衷是用于监测核武器试验。该网络的25个监测站点每小时可抽取数百立方米的空气，采集到的物质会留存在玻璃纤维滤膜上。
斯滕贝格选取北极圈以北的一个站点的滤膜样本展开研究。与利特菲尔团队采用的DNA元条形码法（基于DNA短标记片段识别物种）不同，斯滕贝格使用了“鸟枪法”测序技术，即将DNA拆分成微小的片段再进行测序，并通过计算机与已知的参考基因组进行比对。相较于DNA元条形码法，“鸟枪法”会耗费更多的时间和精力，需要运用更为复杂的统计技术，但其解析结果更为详尽。
历经四年之久，他与瑞典国防研究局的科研负责人马茨 · 福斯曼（Mats Forsman）终于获得了结果。斯滕贝格说：“只要是生态系统内不算罕见、有参照基因序列的生物，我们都检测出来了，包括病毒、细菌、真菌、植物、鸟类、鱼类，乃至驼鹿体内的寄生虫。”研究结果印证了这种检测技术的可靠性。“当时的感觉就是：哇！这绝对值得深入研究！”
如今，生态学家正在做这些工作。他们在记录许多物种每周的变化、季节性的变化及周期性的变化，并结合气候变化分析关联规律。他们还梳理出较长时间段内的群落变动趋势：由于林业管控措施的调整，松树数量时增时减；其他树木、苔藓、地衣与真菌种群的数量在减少。他们既证实了一些已知的物种共生关系，比如苍蝇与某些细菌之间的关系，也发现了一些新的物种关联模式。
斯滕贝格及其研究合著者表示，欧洲遍布放射性核素监测站——这为重建生态历史、追踪持续的生态变化提供了前所未有的研究条件。
然而，这些站点位置固定，一些科学家正在尝试更灵活的监测方案。在澳大利亚国家野生动物收藏馆从事保护遗传学研究的艾琳 · 哈恩（Erin Hahn）设计并3D打印了无需供能的被动采样装置，又将其分发到新南威尔士州的土地所有者手中。目前，研究仍处于试点阶段。哈恩说：“气流、光照、动物活动路径等诸多因素都会影响实验结果。我们正逐步解决各种变量问题，以便揭秘DNA在空气中的运动规律。”她的最终目标是搭建一个灵活高效的监测网络，这个网络能快速捕捉生态系统的变化，及时发现入侵物种或数量急剧下降的物种。
空气DNA的应用前景与挑战
对于想要追踪生态系统健康状况的政府、企业、科学家及环保主义者而言，空气DNA检测或能提供全面且详尽的陆地生物多样性数据快照。达菲表示：“这意味着我们可以在采取治理措施之前、期间和之后快速评估环境状况——不是主观判断改善的成效，而是真正拥有了一个量化指标。”
空气DNA检测结果还可用于追踪病原体负荷和单个物种的遗传多样性（这是反映健康状况的指标），有助于评估生态系统的活力。其他一些长期悬而未决的生态难题或许也能借助空气DNA迎刃而解。斯滕贝格团队正在建构模型，探究生态系统内部的因果作用机制。
斯滕贝格认为：“我们虽然知道狐狸捕食兔子、兔子啃食植被等常识，但对于完整的生态系统——特别是当我们谈及细菌、线虫、昆虫、植物和动物时——我们其实知之甚少。”深入解析这些细节，能为我们了解生态系统遭到破坏后的一系列反应提供实用信息。
不过，这项技术仍存在诸多亟待攻克的难题。比如，为什么会在距离海洋160千米远的瑞典森林相关样本中检出鳕鱼DNA？斯滕贝格指出是强北风将其携带至此。又比如，农民采集的空气样本中如果有老鼠DNA，是说明老鼠昨日刚路过，还是说明百年前的老鼠粪便碎片从腐烂的粪堆中被吹了出来？
克里尔说：“影响空气DNA解读的四个关键因素是DNA进入空气的途径、留存形态、降解周期以及传播方式。”安德鲁 · 尼斯贝特（Andrew Nisbet）也在思考这些问题。他领导着英格兰自然署（致力于保护和修复英格兰的自然环境）生态监测新技术的开发工作。对于空气DNA检测技术，他有诸多疑问：“一台采样设备能否覆盖整个自然保护区？还是需要10台设备？运行一天够吗？”
尼斯贝特认为，现阶段空气DNA仍不如利用声音识别动物物种的声学指纹和卫星数据实用。它的核心优势最初或许体现在那些“仅需一个经过验证的发现就足以解答某个问题”的领域，如确认入侵物种或病原体已经出现的情况。这一应用场景正是克拉克与莱格特的研究重点。自从首次在空气样本中检出植物DNA以来，二人已研发出一种检测技术，可在农作物显现病害前数周就检测出已知的作物病原体，这些信息能助力农户更精准地喷洒农药。他们在2026年还创立了一家衍生公司，推出名为AirSeq的空气测序技术——可用于追踪人畜共患病、抗生素耐药性等。克拉克说：“我们非常期待看到大家如何运用这项技术。”
这类系统的一个显著优势就是它能捕获环境中的所有物质，并给出总体解读，而不是仅搜索特定病原体。英国检测设备制造商Kromek的工程师杰米 · 马赛（Jamie Marsay）认为，这在国防领域非常重要，或可用于发现新型病原体或工程化生物武器。马赛目前正与克拉克、莱格特合作开发一款鞋盒大小的设备，该设备可持续采集空气样本，提取DNA，并将数据输入算法，从而识别一些与毒性或潜在呼吸系统疾病相关的基因序列。
然而，在公共场所持续采集空气DNA的做法让一些科学家感到担忧，这与他们对废水DNA采样的顾虑类似。达菲指出，你晚上散步时呼出的DNA就有可能被隐蔽的城市采样器收集到；而采用发展迅猛、价格低廉且非常便捷的“鸟枪法”测序技术，可在现场近乎实时地生成有助于识别个体的报告。达菲团队证实了这种方法的可行性：他们曾在都柏林与佛罗里达州采集空气样本和未清洗的窗户玻璃样本，并据此成功分辨出同一动物物种的不同个体。出于伦理考量，他们并没有对样本中混入的人类DNA进行测序分析。不过，借助短读长测序技术足以揭露个人的遗传背景和某些遗传病的存在。
许多业内人士对附带检出人类DNA可能会带来的负面影响忧虑重重。瑞安 · 凯莉（Ryan P. Kelly）指出：“如果呼吸能把DNA带到空气里，那我们的隐私该如何保护？”她在2023年与人合作发表的一篇文章中呼吁在全球达成共识之前，暂停对来自环境样本的人类DNA进行研究。多家期刊也已出台相关暂缓条例，例如《环境DNA》（Environmental DNA），克里尔是该刊的主编之一。他和同行正筹划成立跨学科小组来评估相关伦理问题。
空气DNA的跨界探索
其他领域的研究人员也对空气DNA检测技术很感兴趣。挪威奥斯陆大学的法医遗传学家彼得 · 吉尔（Peter Gill）和同事正在研究从办公室和空调中获取的空气DNA，以探索其在法医工作中的应用价值。他说：“对于近一两天内进入过某栋楼的人，你肯定能从空气样本中检测到他们的DNA。但若要获取更久远的记录，则需要借助物体表面的灰尘样本。你可以采集门楣（人们不常清理）上的灰尘，这样就可以得到一份关于曾到访人员的微型历史记录。”
吉尔指出，若能充分考虑空气DNA检测技术的局限性，它在法医学领域或许能够得到应用。这和现有的接触式物证DNA检测原理类似：一方面，我们需要一个人类基因数据库来比对样本；另一方面，得到的比对结果仅具备概率参考性，无法作为绝对的判定依据。
科研人员最担心的是舆论争议致使相关研究受限。克里尔强调：“务必谨慎行事，避免负面舆论阻碍利用eDNA探索生物多样性这一振奋人心且极具前景的科研事业。”
资料来源 Nature