此类设备可以监测病毒或生物多样性，但滥用的可能性引发了伦理问题。
一只雄伟的山猫漫步在佛罗里达海岸森林中。附近，响尾蛇在泥泞的地面上蜿蜒爬行，“沼泽幼崽”鳄鱼在水面上巡逻，毒蜘蛛静待猎物。与此同时，徒步旅行者们探索着高大的橡树，驱赶着蚊子，并寻找着蝙蝠和鱼鹰的踪迹。
这听起来像是《地球脉动》的一集——但当时没有摄像机。相反，科学家们用真空吸尘器收集了空气中微小的DNA片段。他们将这些环境DNA （eDNA）放入一个扑克牌大小的尖端设备中，记录了这些动物的情况。这台设备的功能远不止于此。在地球另一端以酒吧、音乐和欢呼声闻名的都柏林，研究团队用它来检测随风飘荡的大麻、罂粟和迷幻蘑菇中的DNA痕迹。他们以惊人的速度构建了基因组图谱，仅用两天时间就捕捉到了完整的基因图谱。
佛罗里达大学的研究作者戴维·达菲 (David Duffy) 在一份新闻稿中表示：“环境 DNA 中可用的信息水平如此之高，我们才刚刚开始考虑其潜在的应用，从人类到野生动物，再到对人类健康有影响的其他物种。”
该设备是一个强大的工具，可用于监测生物多样性、新发病毒和非法药物，还能检测附近闲逛者的遗传基因。虽然该设备并未用于识别个体，但作者警告称，空气中的环境DNA“可能为……人类个体层面的监控提供极其强大的潜力”。
尽管如此，“这是一项突破界限的工作”，华盛顿大学的瑞安·凯利（Ryan Kelly，未参与这项研究） 告诉《科学》杂志。
大量数据
生物都会脱落遗传物质。真菌、植物、动物、人类、细菌、病毒——它们在世界各地漫游时，都会留下看不见的遗传指纹。
随着读取 DNA 的技术（即基因测序）的进步，科学家们已经开始在周围环境中捕获 DNA 来对那里的生物进行普查。
一些人已经在海洋深处发现了数千种细菌。另一些人则利用DNA“海绵”追踪海洋物种，或通过分析蜣螂摄入的eDNA来追踪陆地生物。这些研究还可以通过捕获和分析基因分子来监测动物（例如野生动物市场中的动物）中新出现的病毒。
达菲相信环境DNA可以激发保护工作。2022年，他的团队设计了一种监测佛罗里达海岸濒危海龟的方法。这些动物很难追踪。它们栖息于多种栖息地，包括公海、沿海生态系统和海滩。
尽管最初开发这项技术是为了追踪微生物，但达菲和团队发现，环境DNA（eDNA）可以用来检测毛发、皮肤、鳞片以及沙子和水中残留体液中的小块遗传物质。该团队还发现了危险的海龟病原体，包括一种会导致海龟肿瘤的病毒。此后，他们从海洋、河流和沙滩中捕获了人类环境DNA ，并可以根据志愿者在海滩上的足迹识别他们。
虽然eDNA样本通常是从水和陆地采集的，但它们也会随风飘浮。这促使团队思考：我们能从空气中收集多少信息？
带上猎枪
大多数环境DNA研究使用一种名为“宏条形码”的技术。科学家从样本中提取DNA，例如佛罗里达沼泽或都柏林酒吧的水，然后进行测序。为了检测其中存在哪些物种，每个DNA片段都会与数据库中的条形码进行匹配。这种方法虽然准确，但也存在一些缺点。
首先，该方法只能识别数据库中已有的eDNA序列。这些条形码有点像杂货店里农产品上的条形码，只不过它们不是苹果或洋葱上的条形码，而是特定物种特有的DNA小片段。你只能检测现有引物的生物体。也就是说，当系统扫描一段DNA时，除非已经存在条形码，否则它不会记录。这种方法成本高昂，处理一个样本需要数天甚至数周的时间。
Duffy 和团队转向了一种名为“散弹枪测序”的方法，该方法将 DNA 序列随机切割成数十亿个被称为“读段”的片段。尽管这种方法功能强大，但由于将单个基因片段拼凑在一起并将其与一组生物体进行匹配的成本和时间过高，过去一直处于停滞状态。这种方法的硬件体积庞大，大约相当于一个冰箱的大小，因此很难携带到野外。它主要用于研究微生物，而不是动物或人类。
得益于云计算和深度测序（一种对同一 DNA 区域进行多次读取的 DNA 测序），现在可以在野外进行散弹枪测序。
该团队使用一种带有真空管的手持设备从空气中吸取DNA。两年来，他们在城乡各地收集了样本，并生成了78个散弹枪测序数据集。
“我们刚开始的时候，似乎很难从空气中提取完整的大片段DNA。但事实并非如此。我们实际上发现了很多有用的DNA，”达菲说。
在一项实验中，他们通过在动物足迹附近收集环境DNA（eDNA）来追踪山猫，持续一周。他们发现，其中包含来自野生种群和动物园种群的山猫DNA，这表明这项技术可以用来监测动物谱系。他们还收集了毒蜘蛛附近的空气传播DNA，发现它们的基因组与加勒比地区或南美洲的基因组不同。无需亲眼目睹这些动物，该团队就描绘了一幅在佛罗里达沿海森林中繁衍生息的物种图景。
与此同时，都柏林的eDNA图谱却截然不同。该设备在全市空气样本中识别出63种病毒，以及一系列过敏原，例如花生和树木花粉中的过敏原。它还发现了包括迷幻蘑菇在内的违禁药物的证据。
基因困境
这项技术并不是万能的，它可能会过度解读结果。
它依靠算法将DNA重新拼接起来，而有些DNA可能只是漂浮在空气中的随机DNA。此外，作者写道，一些应用，例如与人类DNA相关的应用，可能带来益处，但也有可能带来意想不到的负面后果。在佛罗里达州和都柏林，他们可以识别在某个地点行走的人的遗传血统。尽管此前已经有人这样做过，但该团队有意避免在研究中识别个人身份。
“就像人工智能技术一样，人类的eDNA精灵无法被重新放回瓶中，”该团队写道。这项技术既可用于善，也可用于恶。目前，该团队希望让eDNA回归其本源，以拯救和保护野生动物。
“这看起来像是科幻小说，但它正在成为科学事实，”达菲说。