空气里有“DNA”密码？科学家利用“空气指纹”追踪万物

【导语】空气蕴藏无形“生态密码”，科学家借“鸟枪法”与纳米孔测序技术，采集空气即可解码动植物、微生物甚至人类遗传信息，精准还原生态系统动态，为生态研究、传染病监测、公共健康预警等提供新手段。但这项前沿技术也带来隐私保护等新挑战。

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空气看不见摸不着，却悄悄记录着生命的痕迹：动物掉落的毛发与皮肤细胞、植物飘散的花粉、真菌释放的孢子，甚至我们呼吸间带出的微小液(yè)滴(dī)，都(dōu)可(kě)能在空气中留下 DNA。现在，科学家只需采集空气，就能判断一个地区有哪些生物存在过，甚至还能推测它们之间的亲缘关系。这不仅能帮助理解生态系统，还能监测传染病、追踪变异基因，为公共健康预警提供新的手段。

2025年6月2日，美国佛罗里达大学惠特尼海洋生物科学实验室的研究团队在《自然·生态与演化》（Nature Ecology & Evolution）期刊上发表了一项新研究，展示了如何利用最新的基因测序策略，对空气中的遗传物质进行高效解码。最快只需两天，就能获(huò)得(de)关于(yú)动(dòng)植(zhí)物(wù)、微(wēi)生(shēng)物乃至人类遗传信息的精准图谱。

我们生活的环境其实一直被各种生物的DNA所包围。它们会沉积在水体和土壤里，也会弥散在空气中，被统称为环境DNA（简称eDNA）。它们能记录曾经出现过的生物种类和活动踪迹，形成某个地区独特的“生态指纹”。

以往，研究人员若想描绘某片区域的生物全貌，需要长时间的实地采样，把水体、土壤等样本带回实验室，再与已知物种的 DNA 特征片段逐一比对，就像拿着库存清单逐个扫码核对。这种方法虽然可靠，但必须知道“自己要找谁”，对于意料之外的物种几乎无能为力，也难以区分同一种生物之间的差异。 这次研究团队尝试了新的分析策略——以空气为样本，联合使用“鸟枪法”和近年来发展迅速的纳米孔长读长测序。

鸟枪法的原理是将环境中的 DNA 随机打碎成无数小片段，再逐一测序，最后用计算机把这些碎片重新拼接，还原出完整的遗传信息。它的优势在于不依赖预设目标，可以一次性捕捉样本中全部 DNA，更全面、更真实。

其实早在著名的人类基因组计划中，鸟枪法就曾一战成名。国际人类基因组计划启动于1990 年，目标是实现人类基因组的首个完整测序。当时中国承担了第 3 号染色体短臂约 30 万个碱基对的测序工作。1998 年，鸟枪法提出者克雷格·文特尔曾试图让这项新技术加入该计划，却因拼接精度不被信任而遭拒绝。他随后成立私营公司独立推进，仅仅用三年时间就几乎与官方团队同步完成了人类基因组图谱的绘制，充分展现了鸟枪法的高效与潜力。

不过，当年的质疑也并非没有道理。鸟枪法产生的短片段重复度和相似度高，拼接时对计(jì)算(suàn)机(jī)的(de)算(suàn)力(lì)要(yào)求高，面对复杂的环境样本更具挑战。因此，研究人员这次引入了纳米孔测序作为补充。

纳米孔测序技术由英国牛津纳米孔公司开发，2015 年开始商用。它最大的优势是能直接连续读取超长 DNA 分子，而不必像传统方法那样进行分段和扩增。它的(de)测(cè)序(xù)芯(xīn)片(piàn)中(zhōng)包(bāo)含(hán)一(yī)层(céng)特(tè)殊(shū)薄(báo)膜(mó)，上(shàng)面(miàn)排(pái)列(liè)着(zhe)纳(nà)米(mǐ)级(jí)的(de)小(xiǎo)孔(kǒng)。通(tōng)电(diàn)后(hòu)，DNA 分(fēn)子(zi)会(huì)通(tōng)过(guò)孔(kǒng)道(dào)并(bìng)引(yǐn)起(qǐ)电流的细微扰动。不同碱基（A、T、C、G）的扰动模式不同，计算机识别出这些差异并能据此还原 DNA 的序列。

目前，纳米孔测序已经实现单条超过 420 万碱基对的连续读取，这远远超过传统短读长技术几百到几千碱基的限制，大大简化了基因组的拼接，能高效地识别不同物种。对于一些复杂或未知的样本，长读长数据还能作为鸟枪法拼接的参考。另外，纳米孔测序的代表设备 MinION 只有手掌大小，可随身携带，在雨林、极地甚至太空舱中与笔记本电脑连接即可实时分析。研究团队展示，仅需一名研究人员，两天内就能完成从空气采样到数据分析的全过程。

在2022-2024 年间，科研人员在美国佛罗里达的(de)自(zì)然保护区和爱尔兰都柏林的多地采集了空气样本，并收集了水体、土壤和沙石等传统样本作对照。结果显示，在相同条件下，空气样本中捕获的真核生物 DNA 的数量和多样性显著高于土壤和水体，几乎所有空气样本都能成功识别出鸟类、哺乳动物和昆虫。在佛罗里达森林的空气样本中，研究人员不仅识别出了山猫、负鼠、白尾鹿等本地动物，还通过基因片段的比对推断出它们的种群亲缘关系。这说明，空气采样不仅能识别常见物种，还能提供遗传学层面的信息，展现出超越传统监测手段的优势。

城市与森林的对比更为鲜明。在都柏林市中心的空气样本中，人类DNA的含量和丰富度远高于森林地区。城市样本中识别出80多种不同的人类遗传型，涵盖欧洲、南亚等多个谱系，而森林中仅检测到8种。城市空气中人类 DNA 的浓度也比森林高出10倍(bèi)以(yǐ)上(shàng)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)，仅(jǐn)凭(píng)空(kōng)气(qì)分(fēn)析(xī)，就(jiù)能(néng)推(tuī)测(cè)一(yī)个(gè)区(qū)域人(rén)类(lèi)的(de)活(huó)动(dòng)密(mì)度(dù)和(hé)群(qún)体(tǐ)构(gòu)成(chéng)，这(zhè)为(wèi)城(chéng)市(shì)规(guī)划(huà)和(hé)公(gōng)共(gòng)健(jiàn)康(kāng)研(yán)究(jiū)提(tí)供(gōng)了全新思路。

空气(qì) DNA 的应用远不止物种识别。

在都柏林的样本中，科研人员检测出了63种病毒和221种潜在人类病原体，还发现了来自微生物的抗生素耐药基因。随着城市化、畜牧业和医疗体系的发展，耐药基因的释放和扩散风险正在增加。在城市、农田或医院周边进行空气采样，能帮助追踪耐药基因的传播路径，为公共卫生监管提供重要参考。

空气中同样能留下疾病传播媒介的痕迹，比如蚊子和蠓等吸血昆虫的 DNA，它们是登革热、寨卡等疾病的重要传播者。也就是说，即使没有捕捉到昆虫个体，也能通过空气监测它们的分布，为传染病防控提供了新的工具。

与此同时，研究人员还在城市空气中稳定检测到花生等常见食物的 DNA，可作为过敏原监测的依据；不同年份样本中出现的罂粟 DNA 浓度差异，则显示出该方法在追踪毒品作物传播方面的潜力。

所有这些结果表明，通过分析空气中的 DNA，就能清晰地描绘出当地生态系统的动态特征。而结合鸟枪法、便携式纳米孔测序仪器和云端分析平台，小规模团队甚至个人就能完成(chéng)采样(yàng)和(hé)数(shù)据(jù)处(chù)理(lǐ)，极(jí)大(dà)拓(tà)展(zhǎn)了(le)这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)的(de)应(yīng)用(yòng)前(qián)景(jǐng)。或(huò)许(xǔ)在(zài)不(bù)久(jiǔ)的(de)将(jiāng)来(lái)，分(fēn)析(xī)空(kōng)气(qì)中(zhōng)的(de)“生(shēng)态(tài)指(zhǐ)纹(wén)”会(huì)像(xiàng)测(cè)量温度和气压一样，成为常规的环境监测手段。

然而，技术的进步也带来了新的挑战。比如，空气中残留的人类DNA未来是否可能被滥用造成个人隐私的泄露等等。在享受新技术的巨大价值前，我们也需要认真思考它在社会中的位置与边界。

本文为·创作培育计划扶持作品

作者：徐斯佳 日本京都大学医学博士

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司