检测空气中DNA就能监控个体行踪 | 深度报道

游戏天地 2025年08月12日 09:33 1 admin

原文发表于《科技导报》2025年第13期科技新闻-深度报道

空气中DNA追踪生物多样性与人类踪迹——这一技术有望为科学研究带来重大突破，但也引发了关于伦理的广泛关注

生物学家David Duffy正在佛罗里达州东北部的马坦萨斯河采集空气样本（图片来源：Science）

2023年4月的某一周，佛罗里达州华盛顿橡树花园州立公园里热闹非凡。一只山猫正在追踪东美松鼠，一条东部菱背响尾蛇在灌木丛中蜿蜒爬行，而大橡树中间的空地上则活动着大棕蝠、蚊子和鱼鹰等多种野生动物，以及人类访客。

然而，这一切并非科学家通过目视观察所获，而是借助先进的空气DNA技术，从空气中漂浮的微小有机物质中提取并识别出的生物存在信号。类似分析也在爱尔兰都柏林的街头开展，揭示了另一种截然不同、但同样丰富的生活景象。上述研究成果发表于Nature Ecology & Evolution，论文指出，空气中DNA检测工具在生物多样性评估、病原微生物监控以及外来入侵物种早期预警方面具有巨大潜力，但同时也引发了对人类隐私权可能被侵犯的伦理忧虑。尽管并未参与该项研究，华盛顿大学海洋科学家Ryan Kelly仍评价道：“这是一次对科学边界的真正挑战”。

过去10年间，科学家持续加大对水、空气和灰尘中的DNA（通常称为环境DNA或eDNA）的研究力度。在2025年5月，已有研究团队利用该技术对英国全国范围内的生物多样性进行了调查。

然而，目前最常用于分析eDNA样本的方法，即代谢条形码技术，其处理过程往往需要数天至数周时间。此外，由于该技术依赖于一组有限的DNA引物序列，用以对特定的DNA条形码进行扩增和测序，由于这些引物只能识别特定生物类群，因此所获取的物种信息具有一定局限性。

相比之下，这项新研究采用了一种名为鸟枪法测序的先进技术，该方法无需预设引物，而是将样本中的全部DNA随机切割，并对生成的数十亿个片段进行高通量读取。随后通过计算机程序识别并拼接重叠序列，重构出更完整的遗传信息。这些重建的序列可与超过50万个物种的基因数据库进行比对。

佛罗里达大学惠特尼海洋生物科学实验室生物学家David Duffy指出，尽管鸟枪法测序在环境样本分析中长期被认为成本高昂、耗时较长，但新兴工具（如纳米孔测序仪）的发展正在显著降低相关成本，使研究人员最快可在2天内获得结果。纳米孔测序技术不仅能够读取更长的DNA片段，提供更为完整的遗传信息，其设备体积甚至小于一盒香烟。

Duffy最初使用鸟枪法测序技术对水和沙子中的DNA进行分析，以监测佛罗里达州海龟的健康状况。近期，他的研究团队扩大了技术应用范围，不仅在佛罗里达沿海地区通过泵吸系统采集空气中的eDNA，并将空气引入过滤器中进行分析，还收集了窗户等表面物体的样本以供进一步检测。Duffy指出：“我们希望证明这一技术已具备经济性和可行性，同时也能帮助我们应对许多全新的科研问题”。

研究人员能够从佛罗里达州山猫的样本中提取足够丰富的遗传信息，并将其对应到该州北部的特定种群。此外，该研究还成功读取了人类DNA的长序列，进而追溯了穿越该州立公园的人群祖源，其结果显示，这些群体的祖先可追溯至欧洲、亚洲和非洲等地。

为了获取大都市样本，研究团队在Duffy的故乡——爱尔兰都柏林市中心，重复了这一过程。采集到的DNA显示出更高的人群多样性，呈现出与世界多个地区人群的遗传联系。同时，还检测出221种不同的人类病原体（如病毒），数量是佛罗里达森林样本中的7倍。

班戈大学分子生态学家Simon Creer表示，这项研究向“以经济可承受的方式全面刻画某一地点的全部DNA特征图谱”的目标迈出了重要一步。他指出：“当你能退后一步，从整体视角审视所有生命形式时，就更能清晰地理解生命之树中的各种动态。”

亥姆霍兹一体化健康研究所疾病生态学家兼eDNA专家Jan Gogarten提醒称，鸟枪法测序并非绝对可靠。Duffy团队曾在佛罗里达的海水样本中检测出牛痘病毒，而这种病毒并无在北美传播的已知记录。他同时也质疑道，“样本中仅包含一小段DNA，这代表了什么？我们究竟能从中解析出多少信息？”

与此同时，一些专家对全面采集空气中基因信息所带来的伦理风险表示担忧。尽管本项研究目前仅推测了过路行人的大致遗传特征，但其方法具有识别个体并分析其DNA的潜在能力。马里兰大学凯里法学院遗传隐私研究专家Natalie Ram指出，政府有可能利用空气传播的eDNA，以前所未有的程度追踪个体的行踪与健康信息。“我不确定大家的看法如何，但我对政府进行大规模监控并不放心，过去如此，现在更是如此。”

Creer表示，一位来自私营企业的科学家近期报告称，该公司正在开发一款小型鸟枪法测序设备，可隐蔽安装于室内空间，用以扫描空气中的危险病毒等DNA痕迹。Creer说，“由于项目大部分资金来自国防合同，因此他并未透露太多细节”。

然而，苏黎世大学从事eDNA研究的统计遗传学家Lara Urban提醒公众，不要对该技术的能力作过度解读。她指出，要从空气中微量DNA中准确溯源到特定个体，在技术上极具挑战。“我认为这在一定程度上存在夸大其词的成分”。

Duffy认为，其团队的研究旨在展示该技术的潜在优势与风险。他们曾考虑将论文标题定为《迈向三录仪？》，引用的是科幻电视剧《星际迷航》中一种可在外星环境中即时扫描生命迹象的虚构手持装置。Duffy表示，“我们并未宣称已达到那种水平，而是离得更近了……并且你可以预见未来它会成为现实。”

文/Warren Cornwall

（译自Science，2025，388（6752））

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