空气中也有DNA？如何提取是问题！

　　图片来源：pixabay
　　世界各地的生物学家和博物学家在20年前发起了一项颇有野心的项目，倡导建立全球生物物种名录。正如他们所说的，如果人们不知道地球上存在这些生物，就不可能想去拯救它们。即使是最乐观的估计也表明，目前科学界仅知道全球生物物种的四分之一。随着物种灭绝速度的加快，这引发了人们对保护全球生态系统的担忧。
　　事实上，这些项目开展得非常缓慢，主要是因为鉴定和描述物种极其困难，而且在很多情况下，采集生物样品进行DNA测序并不是一件容易的事。好消息是，现在出现了一种新的编目全球物种的方法：从稀薄的空气中提取DNA。
　　这项技术是从此前科学家提出的环境DNA（eDNA）技术衍生而来的。eDNA技术是指收集并分析水、土壤等环境中样品的DNA，这些DNA片段来自周围环境中的生物释放的DNA。因此，从一个地点的空气中提取的环境DNA能提供生活在这片区域的全部物种的基因信息。
　　鉴定昆虫物种的难度是出了名的，因为对于昆虫来说，传统的DNA测序方法往往是致命的，但eDNA技术或许是获取昆虫物种DNA信息的好方法。此外，相比于分别收集和测序一种生物的DNA，分析环境DNA更加快速、成本更低且能一次获取环境中多个物种的数据。
　　《当代生物学》（CurrentBiology）杂志上发表了两项检验eDNA技术的研究。这两项研究分别选择了两个绝佳的研究地点丹麦哥本哈根动物园和英国哈默顿动物园。研究人员很清楚这两个动物园里生活的物种及其数量，因此有助于评估eDNA方法的准确性。
　　图片来源：pixabay
　　这两支研究团队分别采用不同的方法来提取空气中的DNA真空泵或鼓风机配套的空气过滤器。在提取到足够多的DNA后，这两支团队都通过测序空气中的DNA鉴定出了动物园中的许多物种，甚至包括生活在室内或是在取样地点几百米以外的物种。
　　研究人员还采集到了动物园之外的物种的基因信息：英国的研究团队检测到了在英国濒临灭绝的西欧刺猬（Eurasianhedgehog），而丹麦的研究团队发现了松鼠和猫的DNA。
　　研究人员认为，eDNA技术变革了监测生物多样性的方式与其他技术不同的是，在科学家收集生物DNA的时候，动物不需要出现在采样点。英国约克大学的分子生态学家伊丽莎白克莱尔（ElizabethClare，是英国开展的研究的共同作者）说：如果你采用的是相机陷阱技术，那么动物就必须出现在相机的前方，因为你是无法捕捉到相机后方的动物的。而且如果要用录音或目测调查的方法，动物也必须出现在研究地点。但eDNA更像是一种足迹，这是一种完全不同的数据类型。这时候，动物并不一定要在采样点，你也更有可能捕捉到一些意想不到的信息。
　　在英国生态学会举办的2021年年度会议上，来自瑞典隆德大学的科学家介绍了他们从空气中提取DNA的项目，该项目仍处于概念验证阶段。生态学家费边罗格（FabianRoger，现就职于瑞士苏黎世联邦理工大学）及其同事在瑞典南部的3个野外地点采集并测序了空气中的DNA后，鉴定出了85个昆虫物种（包括蝴蝶、甲虫、蚂蚁、苍蝇），和9个非昆虫类物种（例如蛙类和鸟类）。这与传统研究方法得到的结果相比遗漏了一些物种，但也发现了其他方法没有检测到的物种。
　　罗格表示，当他在瑞典隆德大学从事监测水生生态系统的研究时，就希望找到新的物种，但那时获得有关生物多样性的数据十分困难。据估计，在全世界550万种昆虫中，科学家只描述了100万种。罗格也表示担忧：最近的研究显示，昆虫的生物量减少了70，但我们却极度缺乏相关的数据。这也促使他转向从空气中提取环境DNA的新方法。
　　图片来源：pixabay
　　此前，有科学家主要研究土壤和水中样品的DNA，还有科学家通过分析花朵样品上的DNA，发现了曾落在花朵身上的授粉物种。丹麦哥本哈根大学的生态学家克里斯廷博曼（KristineBohmann，是在丹麦开展的研究的共同作者）表示，她也曾分析过从粪便样品中获得的DNA。但相比于此前的eDNA技术，只需检测空气就能监测生物多样性的方法是一个令人振奋的进展。博曼也说：是时候开始从空气中提取DNA了。它还有可能加快环境保护工作的进展。
　　然而，关于空气中的eDNA仍然存在几个问题。第一，我们并不清楚遗传物质能够在空气中存在多长时间。研究人员检测到的究竟是近期还是几个月前的DNA呢？有研究在多年冻土层中，发现了远至1万年前、已经腐烂的生物体的完整的DNA序列。但在其他环境下，例如，如果暴露在太阳紫外线辐射下，DNA可能很快就会发生分解。
　　另外一个问题与物种丰度（群落内物种的数目）有关：一个物种的DNA信号更大，意味着更大的物种丰度，还是仅仅表明这个物种恰好离采样点更近？克莱尔说，这是eDNA研究领域最热门的话题之一：简单来说，除非你能严格控制实验条件，否则不可能通过检测空气中的DNA知道物种的丰度。
　　尽管如此，利用空气中的环境DNA来远程监测生物多样性具有巨大的应用价值。一个由空气收集站组成的全球网络可以让农民知道他们的田里有入侵生物，也可以在一个地方发现濒危鸟类后告知科学家。它还能让我们快速且低成本地获取环境中的物种信息，从而使人们不用再费时费力地去难以到达的地方收集样品。
　　博曼曾经过长途跋涉、深入非洲马达加斯加的森林，有意把水蛭吸引过来，以获取并分析这种吸血动物胃里的DNA，从而加深对它们的了解。博曼说：如果不用做‘人肉诱饵’就能在我的电脑上远程得到检测的结果，那该多么美好。
　　撰文：凯瑟琳甘蒙（KatharineGammon）
　　翻译：龙霏霏
　　审校：王昱
　　引进来源：科学美国人
　　本文来自：中国数字科技馆