十年前，世界各地的生物學家和博物學家啟動了雄心勃勃的目標，以建立地球生物多樣性的清單。畢竟，他們說，你無法拯救你不知道存在的東西。即使是一些較高估計也表明，科學僅描述了地球物種的四分之一，這引發了人們對物種滅絕率上升大背景下的擔憂。
隨著這些專案在收集和描述物種的艱苦工作中緩慢推進，一種新的方法出現了，用於捕獲地球未知物種的DNA以進行編目：從稀薄的空氣中提取它。
這種方法涉及對生物脫落的細胞或其環境DNA（eDNA）中的遺傳物質進行測序，在昆蟲取樣中尤其有用。它比傳統的取樣方法成本更低、速度更快，並且可以一次捕獲許多物種的資料而不會傷害它們。
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本週在跨界生態學海報，在跨界生態學會議上展示，報告了一項概念驗證工作，以展示其工作原理。法比安·羅傑在瑞典隆德大學擔任博士後研究員期間，使用市售的液體旋風裝置收集空氣傳播樣本，該裝置將空氣旋入裝滿液體的管中，從而捕獲先前在空氣中攜帶的DNA片段。他在瑞典南部的三個地點收集了空氣樣本，他還使用傳統方法對昆蟲進行調查以進行比較。
羅傑和他的同事隨後從樣本中提取DNA片段，用於後續擴增和測序。為了鑑定分類單元，該團隊依賴於宏條形碼技術，該技術能夠同時檢測來自單個樣本中發現的基因短區域的物種聚合體。沒有發現任何新的科學物種。這項新工作的目標是證明可以透過分析從空氣樣本中收集的DNA來清點昆蟲。
該團隊發現了來自85個物種的DNA痕跡，包括蝴蝶、甲蟲、螞蟻、蒼蠅及其近親。他們還發現了九種青蛙、鳥類和其他脊椎動物。一些鑑定結果與傳統的調查結果重疊，但eDNA方法遺漏了其他結果。例如，在陷阱中發現了48種蛾類，但空氣取樣方法僅鑑定了9種。這項工作尚未經過同行評審。
現在在瑞士聯邦理工學院的羅傑說，他在監測水生生態系統中的新物種後，受到啟發嘗試對空氣中的eDNA進行取樣。“我突然意識到獲取關於種群的良好資料有多麼困難，”他說。“而且，最近的研究表明昆蟲生物量減少了70%，我們嚴重缺乏資料。”他知道一些昆蟲學家已經在土壤中檢測到昆蟲的eDNA。他推斷，如果昆蟲DNA最終落到陸地上，它可能起源於其他地方，例如上方的空氣。
丹麥哥本哈根大學的進化基因組學研究員克里斯汀·博曼說，研究人員估計，在550萬種昆蟲物種中，只有100萬種被科學家正式描述。因此，著眼於空氣來監測物種生物多樣性是一個令人興奮的進展，可以加快保護工作。她沒有參與這項新研究，但最近對哥本哈根動物園空氣中哺乳動物、鳥類、爬行動物和兩棲動物的環境DNA進行了研究。
“環境DNA迎接這種新基質的時機已經成熟，”她說，她補充說，她曾研究過糞便樣本中的eDNA，其他人則研究過土壤、水甚至花朵，以發現哪些授粉物種在那裡著陸。“在開發技術並確保其可靠性方面已經投入了大量精力，因此看到結果真是太棒了。我們以前為什麼沒有想到這一點呢？”
博曼補充說，當談到監測昆蟲時，看到一種不需要殺死試圖評估的生物的方法尤其重要。一些DNA清單方法通常涉及捕捉和擠壓物種以建立昆蟲混合物。
加拿大約克大學的分子生態學家伊麗莎白·克萊爾說，一些eDNA和空氣問題仍然模糊不清，她曾參與過類似的空氣取樣研究。首先，目前尚不清楚單個昆蟲的DNA在飛走後能在空氣中持續多久。研究人員是在感知最近的訪問還是幾個月前的訪問？研究發現，在永久凍土中，完整的DNA在生物死亡後可儲存長達10,000年。但在其他條件下，例如暴露於來自太陽的紫外線輻射，DNA可能會迅速降解。
克萊爾說，在河流和湖泊等水生環境中，DNA可能被困在沉積物中，然後在稍後的某個時間被攪動起來。“我可以想象陸地上也會發生類似的事情，DNA在土壤中，你擾動土壤，突然它又氣溶膠化了。所以我們真的不知道eDNA是來自幾分鐘、幾小時還是幾十年[前]。”
另一個巨大的問題涉及丰度。物種DNA訊號越大是否表明個體數量越多？克萊爾說，這是eDNA研究領域最熱門的話題之一。“簡單的答案是否定的，除非你有極其受控的條件，否則你無法知道丰度，”她說。水生條件中的一些證據表明，物種DNA的數量與其環境丰度有關——以及到達取樣站的距離，她補充道。當物種更接近取樣器時，訊號可能會更大。
這樣的eDNA訊號可能揭示了就在空氣取樣器旁邊的一隻蝴蝶的存在，或者遠處一大群鱗翅目昆蟲的存在。克萊爾說，當生物死亡時，降解的身體通常會比活著時脫落更多的遺傳物質。“我們不知道任何這些問題的答案。”
一旦這些問題得到解決，羅傑設想了一個被動、即時的昆蟲監測世界——在生物多樣性熱點地區以及農業田中，種植者可以及時收到入侵害蟲的最初跡象警報。
洛杉磯縣自然歷史博物館昆蟲學系主任布萊恩·布朗說，空氣中eDNA的潛在研究益處是巨大的。他周遊世界，使用傳統方法對昆蟲進行取樣，並建立分類參考文庫——這將對於理解來自eDNA取樣器的基因片段至關重要。“我不認為這會取代我所做的工作，”他說，“但這令人興奮，因為它價格實惠，並且對空氣進行測序可能只需很少的工作量。想到我們生活和穿梭在生物湯的矩陣中，真是令人著迷。”