Nature | 环境DNA揭示了格陵兰岛200万年前的生态系统

《侏罗纪公园》系列电影相信不少读者都看过，大家在观看时是否有过这样的疑问：从恐龙血液中提取DNA并复原恐龙，真的可行吗？

答案 是不可能。这是因为DNA会自然降解，即使保存条件再好，例如一只吸了恐龙血的蚊子被保存为琥珀，也难逃降解的自然规律。

图1： Kap København 的地理位置和沉积层序。a.位于格陵兰岛北部的Kap København组的位置，位于独立峡湾的入口（82°24‘N22°12’W）和其他北极上更新世化石携带遗址的位置（红点）。b.泥德布格特与北部低山之间100m厚的浅海近岸沉积物序列侵蚀残余的空间分布（+b为位置74a和74b）。c.粘土构件A和构成砂质构件b的B1、B2和B3单元沉积序列的冰-间冰期划分。所有地点的采样间隔投影到第50地点的沉积序列上。经过参考文献修改后的沉积学日志。地图上的圆圈数字标记了环境DNA分析、绝对埋葬年代和古磁性的样本地点。

然而，由于脊椎动物化石的稀缺，人们对当时居住在北极区的生物群落不甚了解。通过分析迄今恢复最早的古代环境DNA，研究人员绘制了格陵兰北部约200万年前生态系统的样貌，包括曾存在的动植物物种。 使人们能以前所未有的程度探究并理解一个古代生态系统，同时揭示了一个没有现代等同物的生态系统。

DNA发现地点的艺术重建图（图片来源：Artist Beth Zaiken）

作者对从Kap Kobenhavn组5个不同遗址采集的41例有机质富集沉积物样本进行了DNA提取和测序。他们利用这些DNA重现了古代生态系统的样貌： 一片生长着杨树、桦树和崖柏以及各种北极和北方灌木、草本植物的开阔北方林。

图1 设置 A. 类型位置50表示地层单位 b.概述位置74a+b，具有完整的沉积物序列。C. 地点概述69。D. 古代eDNA样品挖掘和清理前B3单元富有机沉积物的细节。E. 在50地点B3单元的永久冻土中取样。F. 在74a+b区B2单元内大尺度交叉层理底部的富有机沉积物。白色的圆圈表示人的比例。

科学家提取了格陵兰岛最北端属于冰河世纪的沉积物，并且运用最新的DNA提取、测序技术从沉积物的黏土、石英中提取了纳米级的DNA片段，然后与现代环境DNA污染进行分离，获得了超过160亿段原始的DNA片段，再将这些片段与今天的动植物以及微生物DNA进行对比，成功的还原了200万年前格陵兰岛最北端的生态圈。

从这幅保存了200万年的生态图谱中， 科学家发现了驯鹿、野兔、旅鼠等动物，以及桦树、杨树和更多微生物的踪迹。他们甚至发现，冰河时期的哺乳动物乳齿象（Mastodon）在灭绝之前，竟然徒步到了格陵兰岛——这项发现也颠覆了此前的认识。

图4 格陵兰岛北部的早更新世动物。a，B1、B2和B3单元动物组合的分类概况。粗体部分的类群是仅作为DNA发现的属。b，系统发育位置和路径Phynder62的线粒体阅读结果，唯一分类为大象科或更低的大象科（源数据1）。由大化石或系统发育位置确定的灭绝物种用匕首标记。

在这些远古DNA片段中，一些片段很容易分类，是现代物种的祖先；另一些则无法在今天的DNA数据库中找到确切的位置。

研究人员表示，接下来他们将进一步检验在格陵兰岛的最北点，不同动植物、微生物之间的相互作用。此外， 由于200万年前的北极气候比今天更温暖，因此来自这个生态系统的发现或许能帮助今天的濒危物种应对不断变暖的气候。

该研究的另一位领导者Kurt H. Kjær教授解释道，DNA通常在寒冷、干燥环境中能得到更好的保存，正如这项研究已经从黏土、石英中成功提取出古DNA。此外，温暖、湿润环境中的黏土也有可能保存DNA，“如果我们开始探索非洲黏土颗粒的古DNA，将有可能对很多物种，甚至是人类及人类祖先的起源形成新的认识。”

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

创作人：

黎盼 清华大学深圳国际研究生院，环境与生态研究院