科學家從空氣中成功提取到動物DNA或可監測“隱藏”瀕危物種

研究人員對空氣進行采樣以獲取環境DNA

近日，有研究表明，空氣中自由漂浮的DNA可用于追蹤野生動物，包括瀕危或入侵物種，而無需直接觀察它們。

有趣的是，兩個獨立團隊同時對這項研究發起了挑戰，他們分別來自丹麥哥本哈根大學和英國倫敦瑪麗女王大學。

“我們決定賭一把，我們不愿意在這個項目上競爭。兩個團隊都非常渴望看到這項技術的發展。”來自英國的研究團隊表示。因此，他們決定共同投稿。

2022年1月6日，相關研究以論文形式發表在Current Biology期刊，該論文以《從空氣中的DNA測量生物多樣性》為題，通訊作者為英國倫敦瑪麗女王大學的分子生態學家伊麗莎白·克萊爾。

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使用從空氣采樣中收集的DNA在動物園的不同地點確定的物種

這項研究涉及到一個很重要的科學概念，即環境DNA。

據了解，環境DNA是“樣品環境里不同生物的基因組DNA的混合”，它涵蓋的范圍非常廣泛，無論是土壤、空氣、液體，甚至是排泄物，都可以從中找到可作為樣品的環境DNA。

換句話說，動物只要在某個地方生活，或者僅僅只是停留，必定會留下各種痕跡，而這些痕跡里通常都會攜帶該動物脫落的DNA。

對于環境DNA的研究和運用，最為人們津津樂道的是，2018年美國科學家通過檢測環境DNA確定了一頭斑鱉的存在，而此前全球已知的斑鱉只有三頭。

目前，環境DNA已經成為科學家們獲取生物信息的重要途徑。某種程度上，其甚至改變了傳統動物種群的監測、管理和保護方式，因為研究人員僅僅通過采集土壤或水樣就可以了解整個生態系統。

但是，科學家們一直有個疑惑，即空氣是否能提供與土壤、水同等水平的信息呢？

此前，針對這個問題，英國的一個團隊通過在實驗室環境中從嚙齒動物的洞穴中采樣空氣，從而檢測到了裸鼴鼠的DNA。此外，他們還檢測到了人類DNA，其可能來自在實驗室工作的研究人員。

該項研究意味著從空氣中提取DNA以追蹤野生動物或將成為可能。但是有反對意見稱，在野外露天的復雜環境下，這種檢測方法將毫無作用，因為空氣中存在太多的不確定因素。

“與人們在河流和湖泊中發現的東西相比，監測空氣中的DNA真的非常困難，因為空氣中的DNA似乎被超級稀釋了。”克萊爾說道。

為了進一步測試這項技術，此次兩個獨立研究小組不約而同地使用了同一個包含明確主題的環境：分別位于英格蘭和丹麥的動物園。

研究人員們使用了一個帶過濾器的風扇，從動物園內部和周圍吸入空氣，并讓它持續運行了一段時間。

“在空氣過濾后，我們從過濾器中提取DNA，并使用聚合酶鏈式反應擴增技術復制了大量動物DNA。經過DNA測序之后，我們處理了數以百萬計的序列，并最終將它們與一個DNA參考數據庫進行比較，以確定動物物種。”哥本哈根大學遺傳學家克里斯蒂娜·艾拉斯·林加德在接受媒體采訪時介紹道。

值得一提的是，聚合酶鏈式反應擴增技術與許多COVID-19測試中使用的技術相同。

最終，研究人員識別出了英國的25個物種和丹麥的49個物種。其中，英國的研究里，已確定的物種中有8種動物并不是來自動物園，而是來自周邊地區；同樣，在丹麥的研究中也發現了6種非動物園動物。

“我們在這里展示的是，我們可以在有效的自然條件下檢測到各種各樣的動物生命，”克萊爾在一封電子郵件里說道，“我們發現了許多動物園物種，但也發現了該地區的幾種原生物種，包括松鼠和刺猬。我們還發現了一些提供給動物園動物的食物。”

那么相比于早期的裸鼴鼠實驗，該研究有何差異呢？

克萊爾指出，最大的不同之處在于團隊離開了實驗室里精心控制的情況，并進入了英國鄉村去嘗試接觸一切的不可控因素，而這正是一個完整的生態調查的一部分。比如，這項測試是在冬天進行的，因此該團隊便遭遇了雨、雪、風等不同氣候下的溫度波動。

幸運的是，該項動物園研究在不同的樣本、基因、地點和實驗方法上都沒有失敗，所有的測試結果都被證實是非常有效的。

這也意味著該研究不僅突破了環境DNA可以做什么的界限，而且還展示了一種新穎的非侵入性工具來補充現有的監測陸生動物的方法，這對于動物保護工作來說非常重要。

“捕獲來自脊椎動物在空氣中傳播的環境DNA，甚至有可能使我們探測到那些看不到的瀕危動物。”哥本哈根大學研究團隊負責人克里斯汀·博曼說道。

通常，一個物種越接近滅絕，就越難以對其進行監測，而空氣中的環境DNA將使保護工作更容易。比如，追蹤最后的小頭鼠海豚，或者解決關于象牙嘴啄木鳥命運的爭論等問題。

在克萊爾看來，也許環境DNA的最新創新會比人們想象的更早發生，就像水性DNA迅速成為一種廣泛使用的保護方法一樣。

除此之外，該方法還可用于評估生態環境，以及延伸到一些特殊的應用，比如對犯罪現場的空氣進行分析，以捕捉嫌疑人遺留的DNA。