投稿者: 空気中の遺伝物質は、生態系の健全性を把握したり、外来種を監視したり、さらには人間を特定したりするために利用できる。
ライアン・ケリーは、目に見えない形で空中に浮かぶものに畏敬の念を抱いている。
「本当に驚くべきことです」と、シアトルのワシントン大学で環境DNA（eDNA）を研究するケリー氏は語る。「私たちは常に、DNAやRNAという形で情報に囲まれているのです。」珍しい鳥の発見が「環境DNA」の可能性を浮き彫りにする
科学者たちは長年、水や土壌からDNAを抽出してきたが、空気を遺伝情報の源として捉え始めたのはごく最近のことである。ここ10年ほどで、研究者たちは空気中のDNAを測定し、その量を調べ、それを利用して生態系の生物やその健全性を把握する方法を研究してきた。空気中のDNAは、個々の生物種のモニタリングに利用されているほか、外来種や生物兵器による攻撃を検出する手段として試験的に導入されている。また、保全活動の成果を評価する手段としても検証されている。
フロリダ大学セントオーガスティン校で野生動物の疾病ゲノム学を専門とする研究者、デビッド・ダフィー氏は、「この技術は、非常に迅速で、現場でも実施でき、クラウド上で分析できる単一の検査によって、生物多様性全体、つまり全世界を結びつける可能性を秘めている」と述べている。
しかし、空気中のDNAの分解速度や飛散距離など、まだ解明すべき点は多く残されている。空気中から採取される遺伝物質の中には人間由来のものもあり、保全研究にこの技術を用いる際に、意図せず人々の民族性や遺伝性疾患の有無が明らかになり、さらには個人を特定するために利用される可能性もあることを懸念する科学者もいる。
DNAの雲
頭を掻くと、DNAを豊富に含む細胞物質が空気中に放出されます。そこで、それは自分自身や他人の呼気や角質、毛髪、羽毛、排泄物、花粉や胞子、そしてウイルスや微細藻類などの微生物といった、無数の他の発生源からのDNAと混ざり合います。数万塩基対にも及ぶ断片を含むこのDNAは、その後数日間、しばしば塵の粒子に付着しながら空気中を漂います。その移動距離は数メートルから数千メートルに及ぶこともあります。
生物多様性に関する情報を収集したり、汚染物質やウイルスを追跡したりするために、水、雪、土壌からeDNAが日常的に採取されているが、科学者たちはこれまで、風に乗って運ばれるように設計された頑丈な粒子である花粉や胞子以外の、空気中のDNA源を監視してこなかった。
しかし、2010年代初頭、様々な生態学者が、風に乗って運ばれるDNAの束に包まれたもの以外にも、空気中に有用なDNAの痕跡が含まれているのではないかと疑問を抱き始めた。2013年、ロンドンの自然史博物館の生物学者マット・クラークと、英国ノーウィッチのアールハム研究所のリチャード・レゲットは、温室内と温室外で空気サンプルを採取した。
「何か届くかどうか、ただただ疑問に思っていたんです」とクラークは言う。「ところが実際には、数十個、いや数百個ものものが届いたんです。」
一方、テキサス工科大学ラボック校では、生態学者のマシュー・バーンズが、水系eDNAを採取するために開発された技術を用いて空気サンプルを分析したところ、葉や花のDNA、風で運ばれるように設計されていない種類の花粉が大量に含まれていることが分かった。彼は、空気中のDNAを用いて植物群落全体を理解する可能性に気づいた。
しかし、空気中のDNAの可能性に広く注目が集まったのは、イギリスのケンブリッジ近郊でトラのDNAが発見されたことがきっかけだった。カナダのトロントにあるヨーク大学のエリザベス・クレアと、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのジョアン・リトルフェアは、空気中に動物のDNAが存在するかどうかを知りたいと考えた。彼女たちは、イギリスのケンブリッジシャーにある小さな動物園でサンプルを採取した。その動物園には珍しい動物が飼育されているため、発見したDNAの由来が分かると考えたからだ。
研究室では、研究者らがサンプルからDNAを抽出し、増幅して配列決定した。その結果、飼育場から200メートル離れた場所にいるトラだけでなく、動物園の他の多くの動物、鶏、馬、豚などの餌、ハリネズミ、コウモリ、リスなどの野生動物の匂いも嗅ぎ分けられることがわかった。サンプルには合計で25種の哺乳類と鳥類のDNAが含まれており、そのうち17種は動物園で飼育されていた2。コペンハーゲン動物園近くで同時期に発表された別の研究でも同様の結果が得られた3。
「空気中に漂う動物のDNAは昔から存在していたが、これまで私たちがそれを探したことがなかっただけだ」と、英国バンガー大学で分子生態学を研究するサイモン・クリーアは述べている。
しかし、この方法を大規模に展開する方法を見つけたのは物理学者だった。ロンドンの国立物理研究所のジェームズ・アラートンは、クレアに対し、都市部、田園地帯、工業地帯に設置された25台の空気ポンプを備えた英国重金属モニタリングネットワークで採取されたサンプルを調査するよう提案した。
研究者らは、ネットワークの15地点から採取したサンプルを調査し、昨年、空中eDNAを用いた陸上生物多様性の世界初となる全国調査とされる論文を発表した。その結果、英国でよく見られる動物に加え、オウムなどの外来ペットや、これまでこの地域では報告されていなかった外来魚種のソウギョ（Hypophthalmichthys molitrix）も発見された。脊椎動物から単細胞原生生物まで、1,100の分類群が確認された。
研究者たちは、自分たちの手法の信頼性を確認するため、市民科学者が観察したものを記録するiNaturalistのような大規模データベースのデータと自分たちの結果を比較した。iNaturalistは、研究チームが発見したものの半分を捉え損ねていた。逆に、eDNAはiNaturalistの観察結果の43%を反映していなかった。市民科学は、人間の居住地の近くで鳥類やその他の魅力的で目に見える種をより多く発見する傾向があった。一方、空中DNAは、菌類、地衣類、無脊椎動物、樹木以外の植物など、小さくて目に見えないものや夜行性のものをより多く捉えていたとリトルフェア氏は言う。「これらはまさに生態系機能の原動力なのです。」
研究チームによると、この方法は「陸上生物の動態を監視するための現実的な解決策」だという。現在、研究者たちは同様の監視ネットワークを持つ国々が、同じことを行えるよう支援している。
空気のアーカイブ
しかし、もし大量の空気をフィルターに通し、数十年にわたる記録を蓄積するネットワークを活用できるとしたらどうでしょうか？2015年、スウェーデンのウメオ大学の分子生物学者ペル・ステンバーグは、まさにそのような可能性について耳にしました。それは、ストックホルムにあるスウェーデン国防研究庁に保管されている数万個のフィルターに付着したDNAの断片によって語られる、70年にわたる生物多様性の歴史でした。
彼は、1950年代後半に核兵器実験を検知するために構築されたスウェーデンの放射性核種検出ネットワークに関するセミナーに出席していた。25か所の観測所は毎時数百立方メートルの空気を吸い込み、その内容物はガラス繊維フィルターに蓄積される。
ステンバーグは、北極圏以北の観測所から採取したフィルターの分析に着手した。リトルフェアのチームが、個々の種を識別するDNAの短いマーカー領域（DNAメタバーコーディングとして知られる）を探索したのに対し、ステンバーグはショットガンシーケンシングを用いた。これは、DNAを微小な断片に分解し、配列決定を行い、コンピューターを用いて既知の参照ゲノムと照合する手法である。ショットガンシーケンシングは、メタバーコーディングよりも時間とエネルギーを要し、より複雑な統計的手法を必要とするが、より詳細な結果が得られる。
彼と共同研究者で同機関の研究部長であるマッツ・フォルスマンが成果を得るまでには4年かかった。
「ウイルス、細菌、真菌、植物、動物、鳥、魚…ヘラジカの腸内寄生虫まで」とステンバーグは語る。「つまり、そこに存在し、それに対応する文献があれば、どんな生物でも見ることができた。生態系の中で極めて珍しい生物でない限り、あらゆる生物が対象だった。」
結果は、この技術が信頼できることを示していた、と彼は言う。「だから、『これはすごい。もっと研究する必要がある』と思ったんです。」空気センサーによる偶発的なDNA採取は、野生動物の追跡に革命をもたらす可能性がある。
生態学者たちはまさにそうした研究を行っており、多くの種の個体数の週単位、季節単位、周期的な変動を記録し、それらを気候変動と照らし合わせている。彼らは、森林管理の変化によるマツの個体数の増減、そしてそれに伴う他の樹木、コケ、地衣類、菌類の減少といった、長期的な群集の変化を明らかにしてきた。また、ハエと一部の細菌など、複数の種間のよく知られた共変動を長期にわたって追跡し、新たな共変動も発見している。
ステンバーグ氏と共著者らは、ヨーロッパには放射性核種検出ステーションが点在しており、これらは「生態系の歴史を再構築し、進行中の変化を検出する前例のない機会を提供する可能性がある」と述べている。
しかし、こうしたネットワークは固定された場所に設置されている。そのため、より柔軟なモニタリング方法を模索する科学者もいる。キャンベラにあるオーストラリア国立野生生物コレクションで保全遺伝学を研究するエリン・ハーンは、電源を必要としない受動型サンプラーを設計し、3Dプリンターで製作して、ニューサウスウェールズ州各地の土地所有者に配布した。
彼女のチームはまだ試験段階にある。「気流、光量、獣道との距離など、考慮すべき変数が山ほどあります」とハーンは言う。「DNAがどのように移動するのかをより深く理解するために、私たちはそれらを少しずつ調べ始めたところです」。ハーンが最終的に目指しているのは、変化を迅速に特定し、管理が必要な外来種や個体数の激減を知らせることができる、機敏なネットワークだ。
総読み出し値
生態系の健全性を追跡しようとする政府、企業、科学者、自然保護活動家にとって、空中DNAは陸上の生物多様性を包括的かつ定期的に把握するための手段となり得る。
「これは、緩和策の前、最中、後の環境を迅速に評価できることを意味します。単に生物多様性が向上したと考えるだけでなく、実際に定量的な指標を得ることができるのです」と、森林再生の追跡におけるその可能性を評価しているダフィーは述べています。
DNA解析は、病原体の量や個々の種の遺伝的多様性（健康状態を示す指標）を追跡することで、生態系の活力を記録するのにも役立つ可能性がある。
空中DNAは、他にも解決に役立つ可能性のある、長年にわたる生態学的な疑問点を数多く抱えている。ステンバーグの研究グループは、生態系における因果関係を理解することを目的としたモデルを開発している。
Reference : The air is full of DNA — here’s what scientists are using it for
https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2