DNA重建200萬(wàn)年前的北極森林

格陵蘭島是世界第一大島，其大部分都在北極圈之內(nèi)，特別是島的北端靠近北極點(diǎn)，終年寒冷，是一片不毛之地。然而就在200萬(wàn)年前，這里卻是另一番景象，充滿了鳥語(yǔ)花香，甚至還有大象漫步其間！

獨(dú)立峽灣位于格陵蘭島的最北端，維度達(dá)到了北緯82°，在峽灣附近的淺灘中保存了百萬(wàn)年前冰河時(shí)代的沉積層，厚度可達(dá)100米。在2006年，一支來(lái)自丹麥的科考隊(duì)來(lái)到獨(dú)立峽灣，并且提取了淺灘沉積層中的樣本，但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)無(wú)法有效的分析樣本中的信息，所以樣本就被保存在了實(shí)驗(yàn)室的倉(cāng)庫(kù)中。

圖注：樣本采集地點(diǎn)及地層信息，圖片來(lái)自論文

圖注：科研人員與今天格陵蘭島北部的景觀，圖片來(lái)自Prof Kurt HKj?r

隨著科技的發(fā)展，特別是新型DNA提取和測(cè)序設(shè)備的開發(fā)，科學(xué)家便打算從獨(dú)立峽灣帶回來(lái)的樣本入手，探索格陵蘭島北端在冰河時(shí)代的古生態(tài)。為了這一目標(biāo)，英國(guó)艦劍橋大學(xué)與丹麥哥本哈根大學(xué)的科學(xué)家以及來(lái)自法國(guó)、瑞典、挪威、美國(guó)和德國(guó)的40位科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)開始著手研究樣本，從黏土和石英之中提取DNA片段，數(shù)量達(dá)到了驚人的160億段之多，樣本往往只有百萬(wàn)分之一毫米的長(zhǎng)度，而且還是不完整的。

在開始篩選和研究這些樣本之前，科學(xué)家先要干一件事，那就是將現(xiàn)代環(huán)境中的DNA污染進(jìn)行分離，以免在之后的研究中造成干擾。通過(guò)最新的提取技術(shù)，科學(xué)家很快就將提取出來(lái)的DNA片段與今天的動(dòng)物、植物、微生物的DNA數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比。因?yàn)榫嚯x今天的時(shí)間很近，許多DNA片段都能夠與今天的物種對(duì)應(yīng)，包括了樺樹、楊樹、馴鹿、野兔、旅鼠等等，此外還有已經(jīng)滅絕的美洲乳齒象（Mammut americanum）。

圖注：通過(guò)DNA分析出的動(dòng)物品種，圖片來(lái)自論文

圖注：通過(guò)DNA分析得出的植物品種，圖片來(lái)自論文

美洲乳齒象是一種大型的史前長(zhǎng)鼻目動(dòng)物，其體長(zhǎng)約5米，肩高2.8米，體重可達(dá)7噸甚至更重。美洲乳齒象的分布范圍非常廣，北起阿拉斯加及加拿大的北方地區(qū)，南至中美洲的洪都拉斯，整個(gè)北美大陸上都能夠見到它的身影。美洲乳齒象的北方分布區(qū)的傳統(tǒng)邊界正是在阿拉斯加和加拿大的北方地區(qū)，但是這次的研究卻擴(kuò)大了美洲乳齒象的分布范圍，包括了整個(gè)格陵蘭島呢，真的是改變了之前對(duì)于美洲乳齒象的認(rèn)識(shí)。

圖注：美國(guó)自然歷史博物館中的乳齒象骨架，圖片來(lái)自科界

圖注：美洲乳齒象的傳統(tǒng)分布區(qū)，圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

正是通過(guò)對(duì)比DNA片段，科學(xué)家就好像是打開了一個(gè)時(shí)間膠囊，重建了冰河時(shí)期格陵蘭島北方的生態(tài)圖景。想象一起，幾百萬(wàn)年前的格陵蘭島北端，氣候溫暖而潮濕，地面上生長(zhǎng)著大片有樺樹和楊樹組成的森林，還有寬闊的草地，大群的馴鹿就漫步在草原之上，灌木叢中有野兔和旅鼠藏身，而這里最大的動(dòng)物就是乳齒象。為了重新這幅鳥語(yǔ)花香的景象，著名的古生物藝術(shù)家Beth Zaiken基于研究結(jié)果創(chuàng)作了一幅精美的復(fù)原畫，再現(xiàn)了那個(gè)神奇的世界。

圖注：200萬(wàn)年前的格陵蘭島北部，作者Beth Zaiken

通過(guò)對(duì)于樣本的研究，科學(xué)家確認(rèn)了乳齒象漫步在格陵蘭島北端的時(shí)間是距今約200萬(wàn)年前，也就是說(shuō)所有的DNA片段時(shí)間都有200萬(wàn)年的歷史，這可是一個(gè)重大的突破！要知道，盡管我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)至中生代的DNA片段，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最古老的有效DNA卻只有120萬(wàn)年，所以200萬(wàn)年就是將之前的記錄翻了一番！

200萬(wàn)年前的格陵蘭島北端明顯比今天溫暖得多，所以才會(huì)生長(zhǎng)出大片的森林，生活著各種各樣的動(dòng)物。研究表明，當(dāng)時(shí)的平均氣溫比今天要高出10~17℃，那么問(wèn)題就來(lái)了，冰河時(shí)期的溫度不應(yīng)該比今天還要寒冷嗎？實(shí)際在長(zhǎng)達(dá)200多萬(wàn)年的冰河時(shí)期并不總是這么寒冷，其中溫度回升的時(shí)期被稱為間冰期（Interglacial Period）。當(dāng)間冰期到來(lái)，氣候回暖，氣溫回升，原本被冰蓋覆蓋著的大地重新被森林和濕地占領(lǐng)，而以乳齒象為代表的動(dòng)物也會(huì)重新來(lái)到這里生活。就在2020年，古生物學(xué)家在《自然-通訊》發(fā)表了一篇名為《Americanmastodon mitochondrial genomes suggest multiple dispersal events in response toPleistocene climate oscillations》的論文，就以化石為基礎(chǔ)探討了乳齒象在過(guò)去80萬(wàn)年的時(shí)間里，隨著冰期和間冰期的交替，在北美洲北部的擴(kuò)張和遷移情況，而此次的發(fā)現(xiàn)又提供了新的材料。

圖注：乳齒象的骨骼及復(fù)原，圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

提取DNA的新方法不僅具有開創(chuàng)性，而且具有的前景。古老的DNA不僅能夠在寒冷的極地被保存，在非洲溫暖濕潤(rùn)的黏土中也可能保存，這些DNA的提取和研究很可能幫助我們了解許多物種的起源，特別是提供關(guān)于人類起源及祖先的信息，這將是令人振奮的！

正因?yàn)檫@項(xiàng)研究的重要意義和價(jià)值，不僅成為《nature》的封面文章，而且被《Science》評(píng)選為2022年度十大科學(xué)突破！

論文：Kj?r, K.H., Winther Pedersen, M.,De Sanctis, B. et al. A 2-million-year-old ecosystem in uncovered by environmental DNA. Nature 612, 283–291 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05453-y

文字編輯：江氏小盜龍

排版：江氏小盜龍

圖片及相關(guān)資料來(lái)自論文及網(wǎng)絡(luò)