空气中的昆虫 图片来源：原文
十年前，世界各地的生物学家和自然历史学家提出了雄心勃勃的目标——创立地球生物多样性的清单，因为他们认为未知的物种是无法保护的。一些预测甚至表明，只有四分之一的地球物种被科学记录，这在灭绝率上升的情况下引起了人们对大局的担忧。
随着这些项目以及物种收集和鉴定的艰苦工作逐渐展开，一种新的捕获和测定地球上未知物种DNA的方法出现了，即从空气中获取物种的DNA。该方法对生物体脱落细胞中的遗传物质或其环境DNA（eDNA）进行测序，非常适用于对昆虫的采样。和传统的采样方法相比，它成本更低、速度更快，并且可以一次捕获多个物种的数据，同时不对物种造成伤害。
DNA片段 图片来源：pixabay
在近期开展的生态跨界会议（the Ecology Across Borders conference）中，一张新海报展示了一项概念验证工作及其工作原理。在瑞典隆德大学担任博士后研究员期间，Fabian Roger使用市售的液体旋风装置来收集空气样本，该装置通过抽入空气到充满液体的管中，从而捕获先前存在于空气中的DNA片段。他在瑞典南部的三个地点收集了空气样本，同时他还使用传统采样方法来调查昆虫种类以进行比较。
随后，Roger和他的同事从样本中提取了DNA片段，用于后续的扩增和测序。他们利用元编码技术来识别分类群，该技术能够从单个样本的基因片段中同时识别出多种物种。结果表明，被鉴定的物种在科学上都有记录。这项新工作是为了证明从空气样本中捕获DNA来调查昆虫种类的可行性。
他们发现了85种物种的DNA，包括蝴蝶、甲虫、蚂蚁、苍蝇及其近亲。他们还发现了九种青蛙、鸟类和其他脊椎动物。一些鉴定结果与传统的调查结果相符，但eDNA方法存在捕获分析不全的问题。例如，在传统捕获方法获得的样本中发现了48种飞蛾，但空气采样方法仅发现了9种。这项工作尚未经过同行评审。
Roger现在在瑞士苏黎世理工学院工作，他在监测水生生态系统的新物种时受到启发，开始尝试在空气中对eDNA进行采样。他说：“我突然意识到，要获得良好的生物量数据是多么困难。最近的研究表明，昆虫生物量减少了70%，但我们的数据非常匮乏。”他知道一些昆虫学家已经在土壤中检测到昆虫的eDNA。他推断，如果昆虫的DNA最终出现在陆地上，那么它可能开始于其他地方，比如陆地上方的空气。
研究人员估计，科学家仅正式记录了550万种昆虫物种中的100万种。丹麦哥本哈根大学进化基因组学研究员Kristine Bohmann说，在空气中监测物种生物多样性是一项令人兴奋的研究发现，这可以加快物种保护工作进程。她没有参与这项新研究，但她最近在哥本哈根动物园对空气中哺乳动物、鸟类、爬行动物和两栖动物的环境DNA进行了研究。
土壤中的昆虫 图片来源：pixabay
Bohmann认为现在是时候让环境DNA研究接受空气这种新的基质。她补充说，她已经在粪便样本上研究了eDNA，其他人还研究了土壤、水甚至花朵来识别授粉物种。“我们在开发新技术并确保它们的可靠性方面已经做了很多工作，所以看到结果真是太棒了。我们以前为什么没有想过这个问题呢？”
Bohmann补充说，在监测昆虫时，找到一种不需要伤害评估对象的方法尤为重要。一些DNA捕获方法通常涉及捕捉和挤压物种以产生昆虫混合物，对昆虫造成了伤害。
加拿大约克大学的分子生态学家Elizabeth Clare从事过类似的空气采样研究，她认为一些eDNA分析和空气采样问题仍然存在。首先，目前还不清楚一只昆虫的DNA在空气中可以持续存在多长时间。研究人员监测到的是最近出现的昆虫还是几个月前出现的？研究发现，在生物体死亡后，永久冻土中的DNA可完整保存至上万年。但在其他条件下，例如当暴露于太阳的紫外线辐射时，DNA可能会迅速分解。
Clare说，在河流和湖泊等水生环境中，DNA可以附着在沉积物上，在之后的某个时间点随着水流波动而发生变化。“我想类似的事情可能也发生在陆地上，DNA存在于土壤中，当土壤被翻动时，DNA就会被雾化。因此，我们真的不知道那些eDNA是来自几分钟、几小时还是几十年前出现的昆虫。”
另一个问题涉及到物种丰度。Clare说，更强的物种DNA信号是否表明该物种数量更多？这是eDNA最热门的研究话题之一。“答案是否定的，除非严格控制各种条件，否则你无法判断物种丰度。”她补充说，水生环境的一些证据表明，一个物种的DNA数量与其环境丰度以及到达采样点的距离有关。当物种更接近采样器时，DNA信号可能会更强。
这样的eDNA信号可以说明在空气采样器旁边存在一只蝴蝶，或者在更远的地方有一群蝴蝶。Clare说，当某个生物体死亡时，身体在退化时通常会脱落更多的遗传物质。“我们不知道这些问题的答案。”
当这些问题得到解决后，Roger设想了一个即时监测昆虫的应用情境，即在生物多样性热点地区和农田里，种植者可以通过即时监测数据发现入侵害虫的最初迹象并保持警惕。
洛杉矶县自然历史博物馆昆虫学系主任Brian Brown说，空气中eDNA的潜在研究益处是巨大的。他使用传统方法在世界各地考察，对昆虫进行采样并创建分类参考库，这对于理解eDNA采样器收集的基因片段至关重要。“我不认为这项研究会取代我的工作，”他说，“但这很令人兴奋，因为它是可负担得起的，而且对空气中的昆虫DNA进行测序的工作量可能很小。想想我们生活在一个充满生物DNA的环境中，这本身就非常有趣。”
撰文：Katharine Gammon，来自美国加州圣莫尼卡的作家。
翻译：彭容
审校：曾小欢
引进来源：科学美国人
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