Ryan Kelly kann es kaum fassen, was da alles unsichtbar in der Luft schwebt. »Wir sind ständig von DNA und RNA umgeben«, sagt Kelly, der Umwelt-DNA (eDNA) an der University of Washington in Seattle erforscht. »Das ist absolut verblüffend.«

Schon lange gewinnen Forscher DNA aus Wasser und Boden. Doch erst seit wenigen Jahren betrachten sie auch die Luft als Quelle genetischer Informationen. Sie haben mittlerweile gelernt, wie man DNA in der Luft misst und ihre Menge bestimmt, um daraus Rückschlüsse auf die Bewohner und die Gesundheit eines Ökosystems zu ziehen. Zudem wird DNA aus der Luft inzwischen genutzt, um einzelne Arten zu überwachen. Möglicherweise lassen sich damit sogar invasive Arten oder Angriffe mit biologischen Waffen erkennen. Auch für die Bewertung von Naturschutzmaßnahmen gilt die Methode als vielversprechend.

Die Technik habe das Potenzial, »die gesamte biologische Vielfalt der Welt mit einem einzigen Test zusammenzuführen, der auch direkt im Gelände durchführbar wäre und sich schnell in der Cloud auswerten lässt«, sagt David Duffy, der an der University of Florida in St. Augustine die genetischen Grundlagen von Wildtierkrankheiten erforscht.

Allerdings sind noch viele Fragen offen. Wie schnell zerfällt DNA in der Luft? Wie weit wird sie transportiert? Hinzu kommt ein ethisches Problem: Ein Teil der aus der Luft gewonnenen DNA stammt von Menschen. Fachleute befürchten, dass etwa Forschung zum Naturschutz auch sensible Informationen über Personen zutage bringen könnte, etwa zu ihrer Ethnizität oder zu genetischen Erkrankungen. Womöglich ließe sich so gar die Identität einzelner Personen entschlüsseln.

Wolken aus DNA in der Luft

Wer sich am Kopf kratzt, gibt DNA-reiches, zelluläres Material in die Luft ab. Dort vermischt es sich mit genetischem Material aus unzähligen anderen Quellen wie Hautschuppen, Federn, Exkrementen, Pollen, Sporen oder Mikroben. Die DNA kann Abschnitte mit einer Länge von Zehntausenden Basenpaaren umfassen. Oft haftet sie an Staubpartikeln und schwebt manchmal einige Tage durch die Luft. So kann sie Entfernungen von wenigen Metern bis zu mehreren Kilometern zurücklegen.

eDNA wird schon lange routinemäßig aus Wasser, Schnee und Böden gesammelt, um die Biodiversität zu erfassen oder Schadstoffe und Krankheitserreger nachzuweisen. Bei DNA aus der Luft konzentrierten sich Fachleute jedoch lange Zeit vornehmlich auf Pollen und Sporen.

Anfang der 2010er-Jahre begannen sich verschiedene Ökologen zu fragen, ob die Luft nicht noch weitere nützliche DNA-Spuren enthalten könnte. Die Biologen Matt Clark vom Natural History Museum in London und Richard Leggett vom Earlham Institute in Norwich nahmen 2013 Luftproben in und außerhalb eines Gewächshauses. »Wir wollten einfach herausfinden, ob wir überhaupt etwas entdecken würden«, sagt Clark. »Tatsächlich fanden sich Hunderte von Spuren.«

Zur selben Zeit analysierte der Ökologe Matthew Barnes von der Texas Tech University in Lubbock Luftproben mit Methoden, die ursprünglich für Umwelt-DNA aus Gewässern entwickelt worden waren. Er wies reichlich DNA von Blättern und Blüten sowie von Pollen nach. Damals erkannte er die Chance, ganze Pflanzengemeinschaften aus der Luft heraus zu erfassen.

Tiger-DNA als Durchbruch

Das ganze Potenzial luftübertragener DNA wurde der breiteren Fachwelt durch Tiger-DNA bewusst. Elizabeth Clare von der York University in Toronto und Joanne Littlefair vom University College London wollten wissen, ob sie Tier-DNA in der Luft finden könnten. Sie sammelten dazu Proben in und um einen kleinen Zoo in Cambridgeshire, in dem Tiger lebten.

Die Ergebnisse im Labor überraschten: Das Forschungsteam konnte die Tigerspuren noch 200 Meter von ihrem Gehege entfernt nachweisen. Zudem fand sich DNA vieler weiterer Zootiere sowie ihrer Nahrung – darunter Hühner, Pferde und Schweine. Auch DNA-Spuren wild lebender Arten von Igeln, Fledermäusen und Eichhörnchen identifizierten die Wissenschaftlerinnen. Insgesamt enthielten die Proben DNA von 25 Säugetier- und Vogelarten, davon 17 aus dem Zoo. Eine zur gleichen Zeit veröffentlichte Studie, die in der Nähe des Kopenhagener Zoos durchgeführt wurde, zeigte ähnliche Ergebnisse.

»Tierische DNA war schon immer in der Luft vorhanden. Wir haben nur nie danach gesucht«, sagt Simon Creer, der an der Bangor University in Großbritannien molekulare Ökologie erforscht. Es war jedoch ein Physiker, der den entscheidenden Schritt zu groß angelegten Anwendungen ermöglichte. James Allerton vom National Physical Laboratory in London schlug Elizabeth Clare vor, Proben von 25 Luftmessstationen zu untersuchen, die zum britischen Schwermetall-Messnetzwerk gehören. Sie überwachen die Luft in Städten, auf dem Land und an Industriestandorten.

Das Forschungsteam analysierte Proben von 15 Standorten und veröffentlichte im Jahr 2025 die nach eigenen Angaben weltweit erste nationale Erhebung zur terrestrischen Biodiversität anhand der über die Luft verteilten eDNA. Nachweisen konnte es häufige britische Tierarten, aber auch exotische Haustiere wie Papageien und sogar den invasiven Silberkarpfen (Hypophthalmichthys molitrix), der zuvor in der Region nicht dokumentiert worden war. Insgesamt identifizierten die Fachleute 1100 Taxa, von Wirbeltieren bis zu einzelligen Protisten.

Zum Vergleich zogen sie große Datenbanken wie iNaturalist heran, in denen Hobbyforscher, sogenannte Citizen Scientists, Sichtungen von Arten dokumentieren. Dabei zeigte sich, dass iNaturalist die Hälfte der Organismen, die in den Luftproben nachgewiesen wurden, nicht erfasste. Umgekehrt fehlten in der Umwelt-DNA rund 43 Prozent der in iNaturalist verzeichneten Beobachtungen. Die Hobbybeobachter fanden meist mehr Vögel und andere auffällige Arten in ihrer Nähe. Die Luft-DNA lieferte laut Littlefair dagegen häufiger Hinweise auf kleine, unscheinbare oder nachtaktive Organismen, etwa Pilze, Flechten, Wirbellose und Pflanzen: »Das sind die wahren Kraftwerke der Ökosysteme.«

Die Methode, so das Team, sei »eine realistische Lösung, um die Dynamik des Lebens an Land zu überwachen«. Inzwischen unterstützt es Forscher in anderen Ländern dabei, ähnliche Programme aufzubauen.

Was wäre, wenn man auf eine Einrichtung zurückgreifen könnte, die riesige Luftmengen durch ihre Filter leitet und deren Aufzeichnungen Jahrzehnte zurückreichen? Im Jahr 2015 hörte der Molekularbiologe Per Stenberg von der Universität Umeå in Schweden von einer solchen Möglichkeit. Bei der Schwedischen Behörde für Verteidigungsforschung in Stockholm lagern Zehntausende solcher Filter. In ihnen stecken gewissermaßen 70 Jahre Geschichte biologischer Vielfalt, festgehalten in winzigen DNA-Spuren aus der Luft.

Stenberg besuchte damals ein Seminar über das schwedische Radionuklid-Überwachungsnetzwerk, das Ende der 1950er-Jahre zur Erkennung von Nuklearwaffentests eingerichtet worden war. Die 25 Messstationen saugen pro Stunde Hunderte Kubikmeter Luft ein und sammeln den Inhalt auf Glasfaserfiltern.

Der Molekularbiologe begann, die Filter einer Station nördlich des Polarkreises auszuwerten. Während Littlefairs Team nach kurzen DNA-Abschnitten suchte, die einzelne Arten identifizieren können – bekannt als DNA-Metabarcoding –, setzte Stenberg auf die Shotgun-Sequenzierung. Dabei wird die gesamte DNA in winzige Fragmente zerlegt, sequenziert und anschließend mit bekannten Referenzgenomen abgeglichen. Das Verfahren ist zeitaufwendiger und erfordert komplexere statistische Techniken als das Metabarcoding. Dafür liefert es deutlich detailliertere Ergebnisse.

»Wir konnten alles sehen, was in der Umwelt vorkam und für das ein entsprechendes Referenzgenom existierte – jeden einzelnen Organismus, solange er im Ökosystem nicht extrem selten war«Per Stenberg, Molekularbiologe

Vier Jahre vergingen, bis Stenberg und sein Mitarbeiter Mats Forsman, der Forschungsdirektor der Behörde, erste Ergebnisse erhielten. »Viren, Bakterien, Pilze, Pflanzen, Tiere, Vögel, Fische … sogar die Darmparasiten von Elchen«, erzählt Stenberg. »Wir konnten alles sehen, was in der Umwelt vorkam und für das ein entsprechendes Referenzgenom existierte – jeden einzelnen Organismus, solange er im Ökosystem nicht extrem selten war.« Die Ergebnisse bewiesen die Zuverlässigkeit der Technik, sagt er. »Da wurde uns klar: Das müssen wir unbedingt weiter erforschen.«

Ökologen dokumentieren mittlerweile wöchentliche, saisonale und zyklische Schwankungen in den Beständen vieler Arten und setzen diese etwa in Beziehung mit Klimaschwankungen. Dabei haben sie langfristige Veränderungen von Lebensgemeinschaften aufgedeckt. So ließ sich zum Beispiel nachvollziehen, wie sich die veränderte Forstwirtschaft auf das Vorkommen von Kiefern auswirkte und gleichzeitig andere Baumarten, Moose, Flechten und Pilze zurückgingen. Auch konnten bekannte Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten, etwa zwischen Fliegen und einigen Bakterien, über längere Zeiträume verfolgt werden. Zudem traten bislang unbekannte Beziehungen zutage.

Europa verfügt über zahlreiche Radionuklid-Messstationen, die laut Stenberg und seinen Mitautoren »eine beispiellose Gelegenheit bieten könnten, die ökologische Geschichte von Regionen zu rekonstruieren und fortlaufende Veränderungen zu erkennen«. Solche Messstationen haben jedoch einen Nachteil: Sie befinden sich an festen Standorten.

»Wir beginnen gerade erst zu verstehen, wie sich die DNA in Landschaften bewegt«Erin Hahn, Naturschutzgenetikerin

Einige Wissenschaftler experimentieren daher mit flexibleren Monitoring-Methoden. Erin Hahn, die an der Australian National Wildlife Collection in Canberra zu Naturschutzgenetik forscht, hat passive Luftsammler entworfen, die ohne Strom auskommen und per 3D-Druck hergestellt werden können. Sie verteilte sie an Landbesitzer in ganz New South Wales.

Das Projekt befindet sich derzeit noch in der Pilotphase. »Es gibt viele Einflussfaktoren wie Luftströmungen, die Sonneneinstrahlung oder die Nähe zu Wildpfaden«, sagt Hahn. »Wir beginnen gerade erst zu verstehen, wie sich die DNA in Landschaften bewegt.« Langfristig schwebt ihr ein flexibles Überwachungsnetzwerk vor, das Veränderungen rasch erkennt und invasive Arten oder einbrechende Populationen frühzeitig meldet, um Maßnahmen ergreifen zu können.

Monitoring für ganze Ökosysteme

Für Regierungen, Unternehmen, Wissenschaftler und Naturschützer, die die Gesundheit von Ökosystemen verfolgen wollen, könnte über die Luft verbreitete DNA eine umfassende, regelmäßige Bestandsaufnahme der Biodiversität an Land ermöglichen. »Damit könnten wir die Lebensräume vor, während und nach Naturschutzmaßnahmen schnell bewerten. Dann nehmen wir nicht nur an, dass sich die Biodiversität verbessert, sondern können sie tatsächlich quantitativ messen«, sagt David Duffy. Er untersucht, wie sich mit der Methode Maßnahmen zum Wiederherstellen von Wäldern überwachen lassen. DNA-Analysen könnten außerdem helfen, die Vitalität von Ökosystemen zu dokumentieren, indem sie die Belastung durch Krankheitserreger und die genetische Vielfalt einzelner Arten verfolgen – ein wichtiger Indikator für deren Gesundheit.

Darüber hinaus könnte durch Luft verbreitete DNA dazu beitragen, grundlegende ökologische Fragen zu beantworten. Stenbergs Arbeitsgruppe entwickelt Modelle, die darauf abzielen, Ursache und Wirkung in Ökosystemen besser zu verstehen. »Wir wissen, dass Füchse Kaninchen fressen, Kaninchen bestimmte Pflanzen und so weiter«, sagt der Molekularbiologe. »Aber vom gesamten Ökosystem – wenn wir von Bakterien, Pflanzen, Nematoden, Insekten bis hin zu größeren Tieren sprechen – haben wir im Grunde kaum eine Vorstellung.« Ein genaueres Verständnis dieser Zusammenhänge könne wertvolle Hinweise liefern, wie Ökosysteme auf Schäden reagieren.

Offene Fragen zur DNA in der Luft

Bevor sich die Überwachung von Ökosystemen mithilfe von DNA in der Luft etablieren kann, müssen allerdings noch einige methodische Fehler behoben werden. Warum tauchte beispielsweise DNA vom Kabeljau in einer Waldprobe aus Schweden auf, die 160 Kilometer vom Meer entfernt entnommen wurde? Stenberg konnte diesen Fall inzwischen klären: Die Fisch-DNA trat zusammen mit dem Einsetzen starker Winde auf. Und was bedeutet es, fragt Erin Hahn, wenn die Probe eines Bauern Ratten-DNA enthält? Ist das Tier dann erst gestern vorbeigelaufen? Oder stammen die Spuren von jahrhundertealten Exkrementresten, die der Wind herangeweht hat?

Nach Ansicht des Molekularökologen Simon Creer hängt die Interpretation und Aussagekraft solcher Daten von vier zentralen Fragen ab: Wie gelangt die DNA überhaupt in die Umwelt? In welchem Zustand liegt sie vor? Wie schnell wird sie abgebaut? Wie wird sie transportiert?

Auch Andrew Nisbet beschäftigt sich mit diesen Fragen. Er leitet die Entwicklung innovativer Überwachungstechnologien bei Natural England, einer Regierungsbehörde in York, die den Schutz und die Wiederherstellung der natürlichen Umwelt Großbritanniens unterstützt. »Wenn wir ein Probenahmegerät aufstellen«, sagt er, »liefert es dann ein komplettes Bild eines ganzen Naturschutzgebiets? Oder sollten wir dazu zehn ausbringen? Und reicht es, wenn wir nur einen Tag lang messen?«

Frühwarnsystem für Krankheitserreger

Nisbet hält Luft-DNA derzeit für weniger aussagekräftig als beispielsweise akustische Signale, mit denen sich Tierarten anhand ihrer Lautäußerungen bestimmen lassen, oder als satellitengestützte Beobachtungen. Die Stärke der DNA-Analyse könnte sich zunächst eher in Bereichen zeigen, in denen »bereits ein Nachweis die entscheidende Frage beantwortet, ob etwa eine invasive Art oder ein Krankheitserreger neu in einem Gebiet ist«.

Genau auf solche Anwendungen konzentrieren sich Matt Clark und Richard Leggett. Seit ihrem ersten Nachweis pflanzlicher DNA in Luftproben haben sie Technologien entwickelt, die bestimmte Krankheitserreger von Pflanzen bereits Wochen vor dem Auftreten sichtbarer Schäden erkennen können. Dies ermöglicht laut den beiden eventuell einen gezielteren und sparsameren Einsatz von Pestiziden. 2026 gründeten sie ein Spin-off-Unternehmen, das eine Technologie namens AirSeq einsetzt. Nach ihren Angaben könnte sie unter anderem dazu dienen, Krankheiten bei Menschen und Tieren oder die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzen zu überwachen. »Wir sind gespannt, wofür die Leute es nutzen könnten«, sagt Clark.

Ein Vorteil solcher Systeme besteht darin, dass sie nicht gezielt nach einzelnen Krankheitserregern suchen. Stattdessen erfassen sie alles biologische Material und liefern so ein umfassendes Bild der an einem Ort vorhandenen Organismen. Diese Eigenschaft sei auch für Sicherheitsanwendungen nützlich, erklärt der Ingenieur Jamie Marsay des Detektorherstellers Kromek in Sedgefield, Großbritannien. Denn so ließen sich möglicherweise neue Krankheitserreger oder gentechnisch produzierte Biowaffen entdecken.

Ursprünglich entwickelte Marsay das schuhkartongroße Gerät gemeinsam mit Clark und Leggett. Es kann kontinuierlich Luftproben nehmen, die DNA extrahieren und Daten an einen Algorithmus senden. Dieser soll genetische Sequenzen erkennen, die mit Virulenz oder dem Potenzial für Atemwegserkrankungen in Zusammenhang stehen. Doch die Vorstellung, im öffentlichen Raum kontinuierlich DNA zu sammeln, beunruhigt einige Fachleute. Die Bedenken ähneln jenen, die bereits bei genetischen Analysen von Abwasserproben diskutiert werden.

Wer bei einem abendlichen Spaziergang ausatmet, hinterlässt DNA-Spuren in der Umgebung. Gelangen diese in ein unauffällig platziertes Probenahmegerät, könnten moderne Sequenziermethoden sie nahezu in Echtzeit auswerten. Neue, günstige und portable Technologien machen das zunehmend möglich. Einige Verfahren könnten sogar Rückschlüsse auf einzelne Personen ermöglichen, sagt Duffy.

»Wenn schon das Atmen bedeutet, deine DNA in die Luft zu senden, wie passt das zu unserem Verständnis von Privatsphäre?«Ryan Kelly, Umwelt-DNA-Forscher

Sein Team analysierte Luftproben und ungeputzte Fensterscheiben in Dublin und Florida. Dabei gelang es ihnen, Individuen derselben Tierart zu unterscheiden. Die menschliche DNA, die ebenfalls in den Proben enthalten war, sequenzierten sie aus ethischen Gründen nicht auf diese Weise. Einfache Analysen lieferten jedoch Hinweise auf die geografische Herkunft der Menschen und auf Erbkrankheiten.

»Wenn schon das Atmen bedeutet, deine DNA in die Luft zu senden, wie passt das zu unserem Verständnis von Privatsphäre?«, fragt Ryan Kelly von der University of Washington. Er ist einer der Autoren eines »Nature«-Artikels von 2023, der ein Moratorium für die Analyse menschlicher DNA aus Umweltproben forderte, bis internationale Leitlinien vereinbart sind. Einige Fachzeitschriften haben bereits entsprechende Beschränkungen, etwa »Environmental DNA«, bei der Simon Creer Chefredakteur ist. Gemeinsam mit anderen Fachleuten setzt er sich für eine multidisziplinäre Gruppe ein, die die ethischen Folgen der Technologie bewerten soll.

Peter Gill, forensischer Genetiker an der Universität Oslo, untersucht zusammen mit Kollegen DNA aus der Luft von Büros und Klimaanlagen. »Von Personen, die sich ein oder zwei Tage zuvor in einem Gebäude aufgehalten haben, kann man innerhalb eines Tages ihre DNA sicher in der Luft nachweisen«, sagt Gill. Für längerfristige Aufzeichnungen seien vor allem Oberflächen interessant. »Man kann Staub von Türzargen nehmen, die fast nie geputzt werden. So könnte man gewissermaßen ein kleines historisches Archiv von Menschen aufstellen, die sich dort mal aufgehalten haben.«

Gill hält Luft-DNA grundsätzlich für ein nützliches Werkzeug in der Forensik, erkennt aber auch ihre Grenzen. Ähnlich wie bei etablierten Verfahren zur DNA-Analyse von Oberflächen braucht es Vergleichsdatenbanken mit menschlicher DNA. Ein Treffer liefert zudem keine eindeutige Identifikation, kein »Match«, sondern lediglich eine statistische Wahrscheinlichkeit.

Manche Fachleute befürchten, dass die Diskussion um Datenschutz und Privatsphäre ihre Arbeit einschränken könnte. Es sei aber wichtig, vorsichtig vorzugehen, findet Creer, »damit die wirklich spannende und fortschrittliche Erforschung der biologischen Vielfalt mithilfe von Umwelt-DNA keinen Schaden nimmt«.