科學(xué)家從空氣中成功提取到動物DNA或可監(jiān)測“隱藏”瀕危物種

研究人員對空氣進(jìn)行采樣以獲取環(huán)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?；蛉肭治锓N，而無需直接觀察它們。

有趣的是，兩個獨(dú)立團(tuán)隊同時對這項(xiàng)研究發(fā)起了挑戰(zhàn)，他們分別來自丹麥哥本哈根大學(xué)和英國倫敦瑪麗女王大學(xué)。

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

2022年1月6日，相關(guān)研究以論文形式發(fā)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(xué)的分子生態(tài)學(xué)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(diǎn)確定的物種

這項(xiàng)研究涉及到一個很重要的科學(xué)概念，即環(huán)境DNA。

據(jù)了解，環(huán)境DNA是“樣品環(huán)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(huán)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(huán)境DNA的研究和運(yùn)用，最為人們津津樂道的是，2018年美國科學(xué)家通過檢測環(huán)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(huán)境DNA已經(jīng)成為科學(xué)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(tǒng)動物種群的監(jiān)測、管理和保護(hù)方式，因?yàn)檠芯咳藛T僅僅通過采集土壤或水樣就可以了解整個生態(tài)系統(tǒng)。

但是，科學(xué)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(tuán)隊通過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)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(shí)驗(yàn)室工作的研究人員。

該項(xiàng)研究意味著從空氣中提取DNA以追蹤野生動物或?qū)⒊蔀榭赡?。但是有反對意見稱，在野外露天的復(fù)雜環(huán)境下，這種檢測方法將毫無作用，因?yàn)榭諝庵写嬖谔嗟牟淮_定因素。

“與人們在河流和湖泊中發(fā)現(xiàn)的東西相比，監(jiān)測空氣中的DNA真的非常困難，因?yàn)榭諝庵械腄NA似乎被超級稀釋了。”克萊爾說道。

為了進(jìn)一步測試這項(xiàng)技術(shù)，此次兩個獨(dú)立研究小組不約而同地使用了同一個包含明確主題的環(huán)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(fēng)扇，從動物園內(nèi)部和周圍吸入空氣，并讓它持續(xù)運(yùn)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?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增技術(shù)復(fù)制了大量動物DNA。經(jīng)過DNA測序之后，我們處理了數(shù)以百萬計的序列，并最終將它們與一個DNA參考數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，以確定動物物種?！备绫竟髮W(xué)遺傳學(xué)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?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增技術(shù)與許多COVID-19測試中使用的技術(shù)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(qū)；同樣，在丹麥的研究中也發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了許多動物園物種，但也發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)的幾種原生物種，包括松鼠和刺猬。我們還發(fā)現(xiàn)了一些提供給動物園動物的食物?！?/p>

那么相比于早期的裸鼴鼠實(shí)驗(yàn)，該研究有何差異呢？

克萊爾指出，最大的不同之處在于團(tuán)隊離開了實(shí)驗(yàn)室里精心控制的情況，并進(jìn)入了英國鄉(xiāng)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(tài)調(diào)查的一部分。比如，這項(xiàng)測試是在冬天進(jìn)行的，因此該團(tuán)隊便遭遇了雨、雪、風(fēng)等不同氣候下的溫度波動。

幸運(yùn)的是，該項(xiàng)動物園研究在不同的樣本、基因、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)方法上都沒有失敗，所有的測試結(jié)果都被證實(shí)是非常有效的。

這也意味著該研究不僅突破了環(huán)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(bǔ)充現(xiàn)有的監(jiān)測陸生動物的方法，這對于動物保護(hù)工作來說非常重要。

“捕獲來自脊椎動物在空氣中傳播的環(huán)境DNA，甚至有可能使我們探測到那些看不到的瀕危動物?！备绫竟髮W(xué)研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)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(jìn)行監(jiān)測，而空氣中的環(huán)境DNA將使保護(hù)工作更容易。比如，追蹤最后的小頭鼠海豚，或者解決關(guān)于象牙嘴啄木鳥命運(yùn)的爭論等問題。

在克萊爾看來，也許環(huán)境DNA的最新創(chuàng)新會比人們想象的更早發(fā)生，就像水性DNA迅速成為一種廣泛使用的保護(hù)方法一樣。

除此之外，該方法還可用于評估生態(tài)環(huán)境，以及延伸到一些特殊的應(yīng)用，比如對犯罪現(xiàn)場的空氣進(jìn)行分析，以捕捉嫌疑人遺留的DNA。