科学家通过DNA重建史前北极森林

　　#2022生机大会#DNA重建200万年前的北极森林
　　格陵兰岛是世界第一大岛，其大部分都在北极圈之内，特别是岛的北端靠近北极点，终年寒冷，是一片不毛之地。然而就在200万年前，这里却是另一番景象，充满了鸟语花香，甚至还有大象漫步其间！
　　独立峡湾位于格陵兰岛的最北端 纬度达到了北纬82°，在峡湾附近的浅滩中保存了百万年前冰河时代的沉积层，厚度可达100米。在2006年，一支来自丹麦的科考队来到独立峡湾，并且提取了浅滩沉积层中的样本，但是由于当时的技术无法有效的分析样本中的信息，所以样本就被保存在了实验室的仓库中。
　　图注：样本采集地点及地层信息，图片来自论文
　　图注：科研人员与今天格陵兰岛北部的景观，图片来自Prof Kurt H Kjær
　　随着科技的发展，特别是新型DNA提取和测序设备的开发，科学家便打算从独立峡湾带回来的样本入手，探索格陵兰岛北端在冰河时代的古生态。为了这一目标，英国舰剑桥大学与丹麦哥本哈根大学的科学家以及来自法国、瑞典、挪威、美国和德国的40位科学家组成的团队开始着手研究样本，从黏土和石英之中提取DNA片段，数量达到了惊人的160亿段之多，样本往往只有百万分之一毫米的长度，而且还是不完整的。
　　在开始筛选和研究这些样本之前，科学家先要干一件事，那就是将现代环境中的DNA污染进行分离，以免在之后的研究中造成干扰。通过最新的提取技术，科学家很快就将提取出来的DNA片段与今天的动物、植物、微生物的DNA数据库进行对比。因为距离今天的时间很近，许多DNA片段都能够与今天的物种对应，包括了桦树、杨树、驯鹿、野兔、旅鼠等等，此外还有已经灭绝的美洲乳齿象（Mammut americanum）。
　　图注：通过DNA分析出的动物品种，图片来自论文
　　图注：通过DNA分析得出的植物品种，图片来自论文
　　美洲乳齿象是一种大型的史前长鼻目动物，其体长约5米，肩高2.8米，体重可达7吨甚至更重。美洲乳齿象的分布范围非常广，北起阿拉斯加及加拿大的北方地区，南至中美洲的洪都拉斯，整个北美大陆上都能够见到它的身影。美洲乳齿象的北方分布区的传统边界正是在阿拉斯加和加拿大的北方地区，但是这次的研究却扩大了美洲乳齿象的分布范围，包括了整个格陵兰岛呢，真的是改变了之前对于美洲乳齿象的认识。
　　图注：美国自然历史博物馆中的乳齿象骨架，图片来自科界
　　图注：美洲乳齿象的传统分布区，图片来自网络
　　正是通过对比DNA片段，科学家就好像是打开了一个时间胶囊，重建了冰河时期格陵兰岛北方的生态图景。想象一起，几百万年前的格陵兰岛北端，气候温暖而潮湿，地面上生长着大片有桦树和杨树组成的森林，还有宽阔的草地，大群的驯鹿就漫步在草原之上，灌木丛中有野兔和旅鼠藏身，而这里最大的动物就是乳齿象。为了重新这幅鸟语花香的景象，著名的古生物艺术家Beth Zaiken基于研究结果创作了一幅精美的复原画，再现了那个神奇的世界。
　　图注：200万年前的格陵兰岛北部，作者Beth Zaiken
　　通过对于样本的研究，科学家确认了乳齿象漫步在格陵兰岛北端的时间是距今约200万年前，也就是说所有的DNA片段时间都有200万年的历史，这可是一个重大的突破！要知道，尽管我们已经发现了远至中生代的DNA片段，但是已经发现的最古老的有效DNA却只有120万年，所以200万年就是将之前的记录翻了一番！
　　200万年前的格陵兰岛北端明显比今天温暖得多，所以才会生长出大片的森林，生活着各种各样的动物。研究表明，当时的平均气温比今天要高出10~17℃，那么问题就来了，冰河时期的温度不应该比今天还要寒冷吗？实际在长达200多万年的冰河时期并不总是这么寒冷，其中温度回升的时期被称为间冰期（Interglacial Period）。
　　当间冰期到来，气候回暖，气温回升，原本被冰盖覆盖着的大地重新被森林和湿地占领，而以乳齿象为代表的动物也会重新来到这里生活。就在2020年，古生物学家在《自然-通讯》发表了一篇名为《American mastodon mitochondrial genomes suggest multiple dispersal events in response to Pleistocene climate oscillations》的论文，就以化石为基础探讨了乳齿象在过去80万年的时间里，随着冰期和间冰期的交替，在北美洲北部的扩张和迁移情况，而此次的发现又提供了新的材料。
　　图注：乳齿象的骨骼及复原，图片来自网络
　　提取DNA的新方法不仅具有开创性，而且具有的前景。古老的DNA不仅能够在寒冷的极地被保存，在非洲温暖湿润的黏土中也可能保存，这些DNA的提取和研究很可能帮助我们了解许多物种的起源，特别是提供关于人类起源及祖先的信息，这将是令人振奋的！
　　正因为这项研究的重要意义和价值，不仅成为《nature》的封面文章，而且被《Science》评选为2022年度十大科学突破！
　　论文：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
　　文字编辑：江氏小盗龙
　　排版：江氏小盗龙
　　图片及相关资料来自论文及网络