我们每天都在不间断地呼吸，空气对多数人来说只是维持生命的寻常物质。很少有人意识到，每一口吸入的空气中，都混杂着来自无数生物的 DNA 片段。它们来自人类脱落的皮屑与呼吸飞沫，来自动物的毛发与粪便，来自植物的花粉与叶片碎屑，也来自各类微生物。这些微小的遗传物质附着在灰尘颗粒上，随风飘散到数千米之外，构成了一层看不见的 DNA 云。

过去很长时间里，科学家只习惯从水体与土壤中收集环境 DNA 开展研究，直到近十余年，空气作为遗传信息载体的价值才逐渐被发掘。如今空气 DNA 技术已经走入多个应用领域，同时也带来了关于技术边界与个人隐私的讨论。

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过去科学家早就知道空气中存在花粉和孢子的 DNA，这类结构稳定的颗粒是风媒传播的天然载体，也一直是空气监测的常规对象。但除此之外，很少有人认为空气中还能找到其他动植物的可检测 DNA 片段。环境 DNA 研究此前长期集中在水体和土壤领域，研究人员可以从河水、海水中检测到鱼类和水生生物的踪迹，也可以从土壤里分离出植物和微生物的遗传物质。空气因为介质更稀薄，DNA 浓度更低，降解速度可能更快，长期没有被当作有效的采样对象。

2010 年代初，生态学家开始尝试突破这一认知边界。2013 年，英国自然历史博物馆的生物学家 Matt Clark 和厄勒姆研究所的 Richard Leggett 做了一次试探性的实验，他们在一座温室的内外分别采集空气样本，想看看能不能从中找到植物的 DNA。实验结果超出了他们的预期，样本里检测到了几十上百种生物的遗传物质。几乎在同一时期，德克萨斯理工大学的生态学家 Matthew Barnes 用水体环境 DNA 的分析技术处理空气样本，同样发现了叶片、花朵的 DNA，甚至包括那些不靠风力传粉的植物。这让研究人员意识到，空气或许可以成为分析整个植物群落的新途径。

真正让空气 DNA 走进更多人视野的，是一次动物园里的验证实验。加拿大约克大学的 Elizabeth Clare 和伦敦大学学院的 Joanne Littlefair 选择在英国剑桥郡的一家小型动物园开展研究，因为园内的圈养动物种类明确，可以清晰验证检测结果的来源。她们在园内采集空气样本，带回实验室提取 DNA 并进行扩增测序。最终的检测结果让所有人都感到惊讶，样本里不仅找到了 200 米外老虎的 DNA，还识别出了园内其他圈养动物，以及它们的食物来源，包括鸡、马和猪的遗传物质。

除此之外，样本里还检测到了刺猬、蝙蝠、松鼠等野生动物的痕迹。这一份样本总共检出了 25 种哺乳动物和鸟类，其中 17 种是动物园的圈养物种。几乎在同一时间，另一组研究人员在丹麦哥本哈根动物园附近开展了类似实验，也得到了高度相似的结果。这一系列实验证明，空气中的动物 DNA 真实存在，并且可以被稳定捕获和识别。

技术人员在芬兰中部收集空气中的真菌孢子。图片来源：于韦斯屈莱大学，Tommi Sassi

实验室里的验证完成后，研究人员开始探索规模化应用的可能。伦敦国家物理实验室的 James Allerton 给 Clare 提出了一个建议，英国本土有一套覆盖全国的重金属检测网络，包含 25 个分布在城市、乡村和工业区的气泵，这些设备常年持续采集空气样本，或许可以直接用来做空气 DNA 分析。研究团队选取了其中 15 个气泵采集的样本进行分析，在 2025 年发表了相关研究成果，这也是全球首个利用空气环境 DNA 开展的国家级陆生生物多样性普查。

研究共检测到超过 1100 个不同的分类单元，涵盖从单细胞原生生物到脊椎动物的各类生物。其中既有英国常见的本土动物，也有鹦鹉这类外来宠物，更重要的是，研究人员发现了此前从未在该区域被记录过的入侵物种鲢鱼。为了验证方法的可靠性，研究团队将检测结果与公民科学数据库 iNaturalist 的记录进行了比对。

对比显示，空气 DNA 记录的物种里，有一半没有出现在公民科学家的目击记录中。反过来，公民科学家记录的物种里，也有 43% 没有被空气 DNA 检测到。两者的差异源于各自的特点，公民科学家更容易在人类活动区发现鸟类等显眼的物种，而空气 DNA 能捕捉到更多体型微小、夜行性或者不易被观察到的生物，包括真菌、地衣、无脊椎动物以及非乔木类植物。这些不起眼的生物，恰恰是维持生态系统运转的核心动力。目前，这套监测方法已经被证实具备落地可行性，研究人员正在帮助其他拥有类似空气监测网络的国家开展同类工作。

空气 DNA 的价值不止于监测当下的生态状态，它还能帮我们回溯过去几十年的生物变迁。2015 年，瑞典于默奥大学的分子生物学家 Per Stenberg 得知了一个特殊的样本库，瑞典国防研究局保存着数万份空气过滤片，这些样本来自建于上世纪 50 年代末的放射性核素探测网络。该网络最初的用途是监测核武器试验，25 个监测站每小时都会吸入数百立方米空气，将空气中的颗粒物截留在玻璃纤维滤片上并长期保存。这些跨越 70 年的滤片，相当于一份完整的空气生物历史档案。

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Stenberg 选取了北极圈以北一个监测站的滤片开展分析。和常用的 DNA 宏条形码技术不同，他采用了鸟枪法测序，将提取到的 DNA 分解成更小的片段，对所有片段逐一测序，再通过计算机与已知的参考基因组进行匹配。这种方法比宏条形码更耗时，对数据分析的要求也更高，但能得到更详尽的物种信息。

研究团队花了四年时间才拿到完整结果，样本里的生物种类远超预期，病毒、细菌、真菌、植物、动物、鸟类、鱼类，甚至驼鹿的肠道寄生虫都能被检测到。只要是在参考基因组中有记录、且不算极度罕见的生物，都能在滤片里找到痕迹。基于这些样本，研究人员可以还原不同物种每周、每个季节的数量波动，分析这些变化与气候变动的关联。他们还观察到了长尺度的生态群落变化，比如森林管理方式调整后，松树数量的起伏，以及伴随而来的其他树种、苔藓、地衣和真菌种群的下降。

长期的监测数据还能帮研究人员验证已知的物种协同变化关系，比如苍蝇与特定细菌的关联模式，同时发现更多此前未知的物种间相互作用。Stenberg 和合作者认为，欧洲各地都分布着同类放射性核素探测站，这些站点的历史样本，为重建生态历史、追踪正在发生的生态变化提供了前所未有的机会。

对于生态保护从业者来说，空气 DNA 最直接的价值，是为生态系统提供定期的全面体检。过去评估生态修复的成效，研究人员往往只能通过抽样调查少数物种，得出的结论带有较强的主观性。佛罗里达大学的 David Duffy 正在研究用空气 DNA 追踪森林恢复进度，这项技术可以在修复工程实施前、实施中与实施后分别采样，用具体的物种数据量化生物多样性的变化，让修复效果有了可衡量的客观指标。

除了物种组成，空气 DNA 还能用来追踪病原体的数量变化，以及不同物种的遗传多样性水平，而遗传多样性是反映物种健康状态的核心指标之一。这些数据结合起来，可以更全面地评估整个生态系统的活力。此外，空气 DNA 还有望帮助解答一些长期存在的生态学基础问题。Stenberg 的团队正在基于空气 DNA 数据开发生态系统因果关系模型。过去我们只知道狐狸捕食兔子、兔子取食植物这类简单的食物链关系，但对于包含细菌、线虫、昆虫、植物、动物的完整生态系统，人类的认知还非常有限。更详尽的物种动态数据，能帮我们理解生态系统受到干扰后的反应机制，为生态保护提供更扎实的理论支撑。

空气 DNA 在入侵物种监测和病虫害防控领域也已经展现出实用价值。英国的国家级普查就首次在当地发现了入侵物种鲢鱼的踪迹，为早期防控争取了时间。Clark 和 Leggett 团队开发的 AirSeq 技术，能够在病虫害真正对作物造成危害的数周前，就从空气中检测到相关病原体的 DNA。

这种早期预警可以帮助农户更合理地安排农药喷洒，既减少病虫害损失，也避免不必要的农药使用。目前两人已经成立了衍生公司，推动这项技术落地，应用范围还可以拓展到人类与动物疾病监测、抗生素耐药性追踪等领域。在国防场景中，这类全域采样的技术也有独特优势，它不需要提前知道病原体的具体类型，就能捕捉到空气中的异常生物序列，适合应对未知病原体或者基因工程生物武器的潜在威胁。

为了适配更多场景，研究人员也在开发更灵活的采样方式。澳大利亚国家野生动物收藏馆的 Erin Hahn 设计了一款无需供电的被动式采样器，通过 3D 打印就可以批量生产。她将这些采样器分发给新南威尔士州的土地所有者，探索低成本的分布式监测方案。目前研究团队还在厘清气流、光照、采样点与动物通道的距离等因素对检测结果的影响，最终目标是搭建一个灵活高效的监测网络，能够快速发现生态变化，及时标记入侵物种，定位出现衰退的种群。

在英国诺福克郡的一处海滩上，空气采样装置正在收集用于DNA测序的材料。图片来源：Darren Heavens/厄勒姆研究所

尽管空气 DNA 的应用前景广阔，但现阶段它还不是一项成熟的技术，还有很多基础问题没有得到明确答案。最核心的问题是，我们很难精准判断检测到的 DNA 来自哪里，以及它是什么时候留下的。Stenberg 的研究中就出现过一个令人困惑的现象，在距离海岸 160 公里的瑞典森林样本里，居然检测到了鳕鱼的 DNA。经过后续分析才确认，这些 DNA 是被强劲的北风从海上吹到内陆的。

Hahn 的研究也面临类似的疑问，农村样本里检测到的老鼠 DNA，无法判断是老鼠近期到访过采样点，还是百年前的鼠粪碎片从腐烂的垃圾堆里被风吹了出来。英国班戈大学的分子生态学家 Simon Creer 总结了四个决定空气 DNA 解读准确性的关键问题，分别是 DNA 如何进入环境、它处于怎样的状态、需要多长时间会降解，以及它能够传播多远。这些基础问题没有答案，我们就很难给检测结果赋予准确的生态意义。

除了解读难题，采样方案的标准化也还没有定论。英格兰自然署的 Andrew Nisbet 长期负责创新监测技术的开发，他提出了一系列现实问题。在一个自然保护区里，放置一台采样器就能覆盖整个区域的生物信息，还是需要放置十台。采样器运行一天得到的数据是否足够，还是需要更长时间的连续采集。这些问题目前都没有统一的答案。

在 Nisbet 看来，现阶段空气 DNA 的实用性还不如声学指纹识别和卫星遥感等成熟技术。它的优势更多体现在特定场景中，比如确认某个入侵物种是否已经出现，或者验证某种病原体的存在，只需要一项明确的检测结果就能解答疑问的场景。这种定位也决定了空气 DNA 不会完全替代现有监测手段，更多是作为补充工具存在。

比技术难题更受关注的，是空气 DNA 带来的伦理与隐私争议。所有空气样本中都会不可避免地混入人类的 DNA，这些遗传物质来自人类的呼吸飞沫、脱落的皮屑与毛发，被研究人员称为人类基因副产品。过去这类 DNA 片段短、浓度低，研究人员不会特意分析，也不会带来隐私风险。但随着测序技术的发展，情况已经发生了变化。Duffy 的团队已经证实，通过空气样本可以区分同一动物物种的不同个体。

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出于伦理考虑，他们没有对样本中的人类 DNA 做同类分析，但按照现有的技术能力，低成本的鸟枪法测序已经可以在现场近乎实时地完成个体级别的基因识别。哪怕只是短片段的测序，也足以揭示一个人的祖源信息，以及部分遗传疾病相关的基因特征。这就意味着，如果在公共场所部署空气采样设备，就有可能在当事人完全不知情的情况下，收集到个人的遗传信息。

华盛顿大学的 Ryan Kelly 提出了一个值得所有人思考的问题，如果呼吸本身就会把 DNA 留在空气中，这种现象会如何冲击我们对隐私边界的认知。2023 年，Kelly 曾与人合著文章，呼吁在全球共识达成之前，暂停对环境样本中人类 DNA 的相关研究。目前已有部分学术期刊暂停接收相关研究，Creer 担任主编的《Environmental DNA》就是其中之一。Creer 和不少业内人士都担心，对人类 DNA 的不当应用会引发公众的反感，最终招来严格的监管限制，进而伤害整个环境 DNA 生物多样性研究领域。他们希望成立跨学科的评估小组，充分讨论相关的伦理问题，划定合理的技术应用边界。

空气 DNA 的特性也引起了法医领域的关注。奥斯陆大学的法医遗传学家 Peter Gill 和同事一直在研究从办公室空气、空调机组中捕获的 DNA，探索它作为法医工具的可能性。研究发现，如果有人在一栋建筑里停留过，大概一天之内，都可以从空气中检测到对应的 DNA。如果是长期积累的沉降 DNA，还可以从很少清理的门槛灰尘中找到，相当于一份建筑到访者的简要历史记录。不过 Gill 也明确指出了这项技术的局限性。它和现有的表面接触 DNA 分析技术类似，都需要有对应的人类 DNA 数据库才能完成比对，而且最终得到的只是概率性的关联，不能作为直接的身份匹配证据。它可以为案件侦查提供线索，但无法单独作为定罪依据。

空气 DNA 研究的发展，再一次印证了人类对自然的认知永远在不断拓展。曾经被视为空无一物的空气，其实承载着整个生态系统的遗传信息，是一份流动的生物档案。这项技术为生态保护、物种监测、病虫害防控都提供了全新的可能，让我们可以用更低的成本、更全面的视角观察自然的变化。但与此同时，它也带来了新的命题。

技术的进步往往走在规则前面，当我们获得了从空气中读取生物信息的能力，也就同时拥有了获取人类遗传信息的可能。如何在推动生态研究的同时，守住个人隐私的边界，如何让技术服务于公共利益，而不被滥用，是整个行业乃至全社会需要共同思考的问题。

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