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世界各地的生物學(xué)家和博物學(xué)家在20年前發(fā)起了一項(xiàng)頗有野心的項(xiàng)目，倡導(dǎo)建立全球生物物種名錄。正如他們所說(shuō)的，如果人們不知道地球上存在這些生物，就不可能想去拯救它們。即使是最樂(lè)觀的估計(jì)也表明，目前科學(xué)界僅知道全球生物物種的四分之一。隨著物種滅絕速度的加快，這引發(fā)了人們對(duì)保護(hù)全球生態(tài)系統(tǒng)的擔(dān)憂。
事實(shí)上，這些項(xiàng)目開展得非常緩慢，主要是因?yàn)殍b定和描述物種極其困難，而且在很多情況下，采集生物樣品進(jìn)行DNA測(cè)序并不是一件容易的事。好消息是，現(xiàn)在出現(xiàn)了一種新的編目全球物種的方法：從稀薄的空氣中提取DNA。
這項(xiàng)技術(shù)是從此前科學(xué)家提出的環(huán)境DNA（eDNA）技術(shù)衍生而來(lái)的。eDNA技術(shù)是指收集并分析水、土壤等環(huán)境中樣品的DNA，這些DNA片段來(lái)自周圍環(huán)境中的生物釋放的DNA。因此，從一個(gè)地點(diǎn)的空氣中提取的環(huán)境DNA能提供生活在這片區(qū)域的全部物種的基因信息。
鑒定昆蟲物種的難度是出了名的，因?yàn)閷?duì)于昆蟲來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的DNA測(cè)序方法往往是致命的，但eDNA技術(shù)或許是獲取昆蟲物種DNA信息的好方法。此外，相比于分別收集和測(cè)序一種生物的DNA，分析環(huán)境DNA更加快速、成本更低且能一次獲取環(huán)境中多個(gè)物種的數(shù)據(jù)。
《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）雜志上發(fā)表了兩項(xiàng)檢驗(yàn)eDNA技術(shù)的研究。這兩項(xiàng)研究分別選擇了兩個(gè)絕佳的研究地點(diǎn)——丹麥哥本哈根動(dòng)物園和英國(guó)哈默頓動(dòng)物園。研究人員很清楚這兩個(gè)動(dòng)物園里生活的物種及其數(shù)量，因此有助于評(píng)估eDNA方法的準(zhǔn)確性。
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這兩支研究團(tuán)隊(duì)分別采用不同的方法來(lái)提取空氣中的DNA——真空泵或鼓風(fēng)機(jī)配套的空氣過(guò)濾器。在提取到足夠多的DNA后，這兩支團(tuán)隊(duì)都通過(guò)測(cè)序空氣中的DNA鑒定出了動(dòng)物園中的許多物種，甚至包括生活在室內(nèi)或是在取樣地點(diǎn)幾百米以外的物種。
研究人員還采集到了動(dòng)物園之外的物種的基因信息：英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)到了在英國(guó)瀕臨滅絕的西歐刺猬（Eurasian hedgehog），而丹麥的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了松鼠和貓的DNA。
研究人員認(rèn)為，eDNA技術(shù)變革了監(jiān)測(cè)生物多樣性的方式——與其他技術(shù)不同的是，在科學(xué)家收集生物DNA的時(shí)候，動(dòng)物不需要出現(xiàn)在采樣點(diǎn)。英國(guó)約克大學(xué)的分子生態(tài)學(xué)家伊麗莎白·克萊爾（Elizabeth Clare，是英國(guó)開展的研究的共同作者）說(shuō)：“如果你采用的是相機(jī)陷阱技術(shù)，那么動(dòng)物就必須出現(xiàn)在相機(jī)的前方，因?yàn)槟闶菬o(wú)法捕捉到相機(jī)后方的動(dòng)物的。而且如果要用錄音或目測(cè)調(diào)查的方法，動(dòng)物也必須出現(xiàn)在研究地點(diǎn)。但eDNA更像是一種足跡，這是一種完全不同的數(shù)據(jù)類型。這時(shí)候，動(dòng)物并不一定要在采樣點(diǎn)，你也更有可能捕捉到一些意想不到的信息?！?/span>
在英國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)舉辦的2021年年度會(huì)議上，來(lái)自瑞典隆德大學(xué)的科學(xué)家介紹了他們從空氣中提取DNA的項(xiàng)目，該項(xiàng)目仍處于概念驗(yàn)證階段。生態(tài)學(xué)家費(fèi)邊·羅格（Fabian Roger，現(xiàn)就職于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)）及其同事在瑞典南部的3個(gè)野外地點(diǎn)采集并測(cè)序了空氣中的DNA后，鑒定出了85個(gè)昆蟲物種（包括蝴蝶、甲蟲、螞蟻、蒼蠅），和9個(gè)非昆蟲類物種（例如蛙類和鳥類）。這與傳統(tǒng)研究方法得到的結(jié)果相比遺漏了一些物種，但也發(fā)現(xiàn)了其他方法沒(méi)有檢測(cè)到的物種。
羅格表示，當(dāng)他在瑞典隆德大學(xué)從事監(jiān)測(cè)水生生態(tài)系統(tǒng)的研究時(shí)，就希望找到新的物種，但那時(shí)獲得有關(guān)生物多樣性的數(shù)據(jù)十分困難。據(jù)估計(jì)，在全世界550萬(wàn)種昆蟲中，科學(xué)家只描述了100萬(wàn)種。羅格也表示擔(dān)憂：“最近的研究顯示，昆蟲的生物量減少了70%，但我們卻極度缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)。”這也促使他轉(zhuǎn)向從空氣中提取環(huán)境DNA的新方法。
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此前，有科學(xué)家主要研究土壤和水中樣品的DNA，還有科學(xué)家通過(guò)分析花朵樣品上的DNA，發(fā)現(xiàn)了曾落在花朵身上的授粉物種。丹麥哥本哈根大學(xué)的生態(tài)學(xué)家克里斯廷·博曼（Kristine Bohmann，是在丹麥開展的研究的共同作者）表示，她也曾分析過(guò)從糞便樣品中獲得的DNA。但相比于此前的eDNA技術(shù)，只需檢測(cè)空氣就能監(jiān)測(cè)生物多樣性的方法是一個(gè)令人振奮的進(jìn)展。博曼也說(shuō)：“是時(shí)候開始從空氣中提取DNA了?！彼€有可能加快環(huán)境保護(hù)工作的進(jìn)展。
然而，關(guān)于空氣中的eDNA仍然存在幾個(gè)問(wèn)題。第一，我們并不清楚遺傳物質(zhì)能夠在空氣中存在多長(zhǎng)時(shí)間。研究人員檢測(cè)到的究竟是近期還是幾個(gè)月前的DNA呢？有研究在多年凍土層中，發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)至1萬(wàn)年前、已經(jīng)腐爛的生物體的完整的DNA序列。但在其他環(huán)境下，例如，如果暴露在太陽(yáng)紫外線輻射下，DNA可能很快就會(huì)發(fā)生分解。
另外一個(gè)問(wèn)題與物種豐度（群落內(nèi)物種的數(shù)目）有關(guān)：一個(gè)物種的DNA信號(hào)更大，意味著更大的物種豐度，還是僅僅表明這個(gè)物種恰好離采樣點(diǎn)更近？克萊爾說(shuō)，這是eDNA研究領(lǐng)域最熱門的話題之一：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，除非你能嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，否則不可能通過(guò)檢測(cè)空氣中的DNA知道物種的豐度?！?/span>
盡管如此，利用空氣中的環(huán)境DNA來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)生物多樣性具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。一個(gè)由空氣收集站組成的全球網(wǎng)絡(luò)可以讓農(nóng)民知道他們的田里有入侵生物，也可以在一個(gè)地方發(fā)現(xiàn)瀕危鳥類后告知科學(xué)家。它還能讓我們快速且低成本地獲取環(huán)境中的物種信息，從而使人們不用再費(fèi)時(shí)費(fèi)力地去難以到達(dá)的地方收集樣品。
博曼曾經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉、深入非洲馬達(dá)加斯加的森林，有意把水蛭吸引過(guò)來(lái)，以獲取并分析這種吸血?jiǎng)游镂咐锏腄NA，從而加深對(duì)它們的了解。博曼說(shuō)：“如果不用做'人肉誘餌’就能在我的電腦上遠(yuǎn)程得到檢測(cè)的結(jié)果，那該多么美好?！?/span>
撰文：凱瑟琳·甘蒙（Katharine Gammon）
翻譯：龍?chǎng)?/span>
審校：王昱
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