動物園裡的空氣充滿了氣味，從用作飼料的魚到放牧食草動物的糞便，但現在我們知道動物園也充滿了生活在那裡的動物的DNA。在1月6日的《當代生物學》雜誌上，兩個研究小組分別發表了一項獨立的概念驗證研究，表明通過對當地動物園的空氣進行採樣，他們可以收集足夠的DNA來識別附近的動物。這可能被證明是一種有價值的、非侵入性的跟蹤生物多樣性的工具。
哥本哈根大學的研究人員兼團隊負責人Kristine Bohmann說：“從脊椎動物身上捕捉空氣中的環境DNA使我們甚至有可能檢測到我們看不到的動物存在。”
研究人員可以通過多種方式監測陸生動物：直接通過攝像機和親自觀察，或間接通過它們留下的東西，如腳印或糞便。這些方法的缺點是，它們可能涉及密集的實地工作，並且需要動物在場。例如，通過攝像頭監控動物需要知道將攝像頭放在動物路徑上的哪個位置，篩選數千張圖片，通常還需要一點運氣。
“在我職業生涯的早期，我去馬達加斯加希望能看到很多狐猴。但實際上，我很少看到它們。相反，我大多只是聽到它們在樹上跳來跳去。”Bohmann說。“因此，對於許多物種來說，通過直接觀察來發現它們可能是一個很大的工作，特別是如果它們是難以捉摸的，生活在非常封閉或無法進入的棲息地。”
“與人們在河流和湖泊中發現的東西相比，監測空氣中的DNA真的非常非常難，因為DNA在空氣中似乎被過度稀釋，”倫敦瑪麗女王大學團隊的首席研究員 Elizabeth Clare說。“是我們的動物園研究對於不同的取樣器、基因、地點和實驗方法都還沒有失敗。所有這些都成功了，而且出乎意料地好。”
Bohmann和Clare在很大程度上借鑒了他們過去監測野生動物的研究，收集含有動物脫落的DNA的其他樣品類型。這被稱為“環境DNA”（或eDNA），是一種成熟的技術，通過對水樣中的eDNA進行測序，最經常用於監測水生生物。
Bohmann說：“空氣包圍着一切，我們希望避免樣品中的污染，同時優化對動物DNA的真正檢測。我們對空氣傳播的eDNA的最新工作涉及到我們在處理eDNA樣品時通常做的事情，只是稍微調整了一下。”
每個研究小組都在當地動物園進行研究，在動物園的不同地方收集樣本，包括有牆的圍欄內，如熱帶館和室內馬廄，以及露天的室外圍欄。“為了收集空氣中的eDNA，我們使用了一個風扇，就像你用來冷卻電腦的風扇，並在上面安裝了一個過濾器。然後我們讓它運行一段時間，”第一作者、哥本哈根大學博士后Christina Lynggaard說。
風扇從動物園及其周圍環境中吸入空氣，其中可能含有來自任何來源的遺傳物質，如呼吸、唾液、皮毛或糞便，儘管研究人員還沒有確定確切的來源。Lynggaard說：“它可能是任何可以在空氣中傳播並且小到可以在空氣中繼續漂浮的東西。在空氣過濾后，我們從過濾器中提取了DNA，並使用PCR擴增法製作了大量的動物DNA副本。在進行DNA測序后，我們對數百萬個序列進行了處理，並最終將其與DNA參考數據庫進行比較，以確定動物種類。”
“這其中有信仰的成分，因為當你處理普通的組織甚至水生DNA樣本時，你可以測量你有多少DNA，但對於這些樣本，我們處理的是法醫上極少量的DNA，”Clare說。“在許多情況下，當我們只取樣幾分鐘時，我們無法測量DNA，因此我們必須跳到PCR的下一個階段，在那裡我們發現其中是否有任何DNA。當我們取樣數小時時，我們會得到更多，但有一個權衡。”
在每項研究中，研究人員都檢測了動物園內的動物和來自附近的野生動物。來自倫敦瑪麗女王大學的Clare團隊檢測到了來自25種哺乳動物和鳥類的DNA，甚至還有屬於歐亞刺蝟的DNA，這種刺蝟在英國已經瀕臨滅絕。哥本哈根大學的Bohmann團隊檢測到49個非人類脊椎動物物種，包括哺乳動物、鳥類、爬行動物、兩棲動物和魚類物種。這些動物包括動物園裡的動物，如霍加狓和犰狳；甚至熱帶屋裡的池塘里的Guppy，本地出現的動物，如松鼠；以及害蟲動物，如褐鼠和家鼠。此外，他們還發現了動物園裡用於餵養其他動物的魚類物種。兩個團隊都採取了廣泛的措施來檢查他們的樣本沒有被污染，包括已經在他們的實驗室里的DNA。
通過選擇一個動物園作為他們的研究地點，研究人員知道大量非本地物種的位置，因此他們可以分辨出真正的信號和污染物的區別。“我們原本想去一個農場，但是如果你發現到牛的DNA，你必須問‘那頭牛是在這裡，還是在一百英裡外的某頭牛，或者在某人的午餐里’？”Clare說。“但是通過使用動物園作為模型，除了動物園的老虎，我沒有其他辦法檢測老虎的DNA。它讓我們真正測試了檢測率。”
“我們兩個實驗室做的一件事是開發和應用新的工具，所以也許我們兩個在同一時間結束了相同的想法並不那麼令人驚訝，”Clare說。
然而，兩個研究小組同時在《當代生物學》雜誌上發表文章的事實絕非巧合。在一個預印本服務器上看到對方的文章后，這兩個小組決定共同向該雜誌提交他們的手稿。“我們決定寧願賭一把，說我們不願意在這上面競爭，”Clare說。“事實上，這是一個如此瘋狂的想法，我們最好有獨立的確認，這是有效果的。兩個團隊都非常渴望看到這項技術的發展。”