科學(xué)家發(fā)現(xiàn)迄今最古老DNA揭示格陵蘭島失落的世界

王方

在格陵蘭島冰封的最北端，有著一個(gè)名為Kap K?benhavn組的獨(dú)特地質(zhì)結(jié)構(gòu)。這片位于北極圈深處的區(qū)域，有著地球上最為寒冷和干燥的環(huán)境之一。

然而，在200萬(wàn)～300萬(wàn)年前，這里是一個(gè)與現(xiàn)在截然不同的地方。那時(shí)，夏季和冬季的平均最低氣溫分別為10℃和17℃，比現(xiàn)在的氣溫高出10℃以上。

近40年來(lái)，雖然科學(xué)家已經(jīng)對(duì)北極地層的地質(zhì)沉積物進(jìn)行了深入調(diào)查，但由于化石記錄稀少，因此人們對(duì)這段時(shí)期居住在北極的生物群落知之甚少。

最近，一個(gè)由多達(dá)40多名科學(xué)家組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)新的研究。他們報(bào)告在對(duì)這片沉積物中的黏土和石英樣本進(jìn)行分析后，提取到了迄今為止最古老的環(huán)境DNA（eDNA）。

DNA能存在多久？?

顯然，DNA不會(huì)永遠(yuǎn)存在。隨著時(shí)間的推移，它會(huì)穩(wěn)步衰退，衰減速度取決于周圍的環(huán)境。

過(guò)去有研究表明，在如深度凍結(jié)的永久凍土之類的環(huán)境條件下，DNA片段應(yīng)該能保存超過(guò)100萬(wàn)年。2021年，一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)從西伯利亞發(fā)現(xiàn)的3顆埋藏在永久凍土中的猛犸象牙齒進(jìn)行了DNA分析，發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)百萬(wàn)年之久的古DNA。

Kap K?benhavn組的冰凍沉積物是保存古DNA的理想環(huán)境。新研究通過(guò)分析來(lái)自這片沉積物的樣本，收獲了新的驚喜：他們發(fā)現(xiàn)，這些樣本中的DNA可以追溯到200多萬(wàn)年前，這刷新了之前保持的最古老DNA的紀(jì)錄，將時(shí)限再次往前推進(jìn)了100萬(wàn)年。

研究人員注意到，這些DNA分子通過(guò)與黏土顆粒的表面結(jié)合，能夠以某種方式免受時(shí)間的破壞，使得DNA在沉積物中作為自由分子的存活時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于在它們?cè)舅鶎俚膭?dòng)物骨骼中。

? 一個(gè)已滅絕的生態(tài)系統(tǒng)?

在新研究中，研究人員將微小的DNA片段拼湊在一起，再將每一個(gè)DNA片段與從現(xiàn)代動(dòng)物、植物和微生物中收集的大量DNA庫(kù)進(jìn)行了比較。

這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。首先，他們需要確定黏土和石英樣本中是否隱藏著DNA。接著，他們需要確定該如何成功地從沉積物中分離出這些DNA以進(jìn)行檢測(cè)。

通過(guò)DNA識(shí)別和比對(duì)，研究人員很快就將一些DNA片段歸類為某些現(xiàn)代物種（如馴鹿、鵝、野兔和旅鼠）的祖先；還有一些則是植物的DNA痕跡，比如樺樹(shù)、楊樹(shù)，以及藻類和其他微生物。

一個(gè)由多達(dá)40多名科學(xué)家組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)新的研究。他們報(bào)告在對(duì)這片沉積物中的黏土和石英樣本進(jìn)行分析后，提取到了迄今為止最古老的環(huán)境DNA（eDNA）。

但也并非所有DNA片段都能進(jìn)行物種定位，有的DNA只能在“屬”的層級(jí)上進(jìn)行關(guān)聯(lián)，還有一部分則是完全無(wú)法與任何現(xiàn)代已知物種進(jìn)行匹配。

有意思的事，他們還發(fā)現(xiàn)了一種已滅絕的象類生物的基因痕跡——乳齒象，在此之前，沒(méi)有人知道乳齒象曾踏足過(guò)格陵蘭島……

最終，研究人員描繪出了一個(gè)完全不同于現(xiàn)代世界的生態(tài)系統(tǒng)，繪制出了一幅幅在200多萬(wàn)年前，生活在Kap K?benhavn組的植物、動(dòng)物和微生物的DNA圖譜。

看到遙遠(yuǎn)的過(guò)去?

不過(guò)，這項(xiàng)研究最令人興奮之處不僅僅是發(fā)現(xiàn)了某個(gè)物種，而是它讓科學(xué)家了解到，這些物種是如何在比現(xiàn)在溫暖得多的史前生態(tài)系統(tǒng)中共存的。了解這些信息對(duì)我們有著至關(guān)重要的意義，它有助于我們了解在變暖時(shí)期，生物的多樣性可能受到怎樣的影響，以及氣候變暖又會(huì)如何推動(dòng)生物的進(jìn)化。

我們知道，所有生物細(xì)胞內(nèi)的DNA都是緩慢突變的，因?yàn)榄h(huán)境變化會(huì)推動(dòng)適應(yīng)和進(jìn)化發(fā)生在代代之間。然而，我們很少有可以直接回到過(guò)去觀察以前的DNA分子。

現(xiàn)在，通過(guò)這些古老的DNA，科學(xué)家終于打開(kāi)了跨越100萬(wàn)年歷史的新篇章，首次直接看到了遙遠(yuǎn)過(guò)去的生態(tài)系統(tǒng)的DNA。這意味著，現(xiàn)在科學(xué)家們能夠直接深度觀察分子進(jìn)化的過(guò)程，恢復(fù)并直接研究形成于200萬(wàn)年前的動(dòng)植物體內(nèi)的分子，不需再局限于現(xiàn)代物種當(dāng)前的遺傳信息。

◎ 來(lái)源|中國(guó)科學(xué)報(bào)