科學家通過DNA重建史前北極森林

DNA重建200萬年前的北極森林

格陵蘭島是世界第一大島，其大部分都在北極圈之內，特別是島的北端靠近北極點，終年寒冷，是一片不毛之地。然而就在200萬年前，這里卻是另一番景象，充滿了鳥語花香，甚至還有大象漫步其間！

獨立峽灣位于格陵蘭島的最北端，維度達到了北緯82°，在峽灣附近的淺灘中保存了百萬年前冰河時代的沉積層，厚度可達100米。在2006年，一支來自丹麥的科考隊來到獨立峽灣，并且提取了淺灘沉積層中的樣本，但是由于當時的技術無法有效的分析樣本中的信息，所以樣本就被保存在了實驗室的倉庫中。

圖注：樣本采集地點及地層信息，圖片來自論文

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

隨著科技的發展，特別是新型DNA提取和測序設備的開發，科學家便打算從獨立峽灣帶回來的樣本入手，探索格陵蘭島北端在冰河時代的古生態。為了這一目標，英國艦劍橋大學與丹麥哥本哈根大學的科學家以及來自法國、瑞典、挪威、美國和德國的40位科學家組成的團隊開始著手研究樣本，從黏土和石英之中提取DNA片段，數量達到了驚人的160億段之多，樣本往往只有百萬分之一毫米的長度，而且還是不完整的。

在開始篩選和研究這些樣本之前，科學家先要干一件事，那就是將現代環境中的DNA污染進行分離，以免在之后的研究中造成干擾。通過最新的提取技術，科學家很快就將提取出來的DNA片段與今天的動物、植物、微生物的DNA數據庫進行對比。因為距離今天的時間很近，許多DNA片段都能夠與今天的物種對應，包括了樺樹、楊樹、馴鹿、野兔、旅鼠等等，此外還有已經滅絕的美洲乳齒象（Mammut americanum）。

圖注：通過DNA分析出的動物品種，圖片來自論文

圖注：通過DNA分析得出的植物品種，圖片來自論文

美洲乳齒象是一種大型的史前長鼻目動物，其體長約5米，肩高2.8米，體重可達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，南至中美洲的洪都拉斯，整個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的傳統邊界正是在阿拉斯加和加拿大的北方地區，但是這次的研究卻擴大了美洲乳齒象的分布范圍，包括了整個格陵蘭島呢，真的是改變了之前對于美洲乳齒象的認識。

圖注：美國自然歷史博物館中的乳齒象骨架，圖片來自科界

圖注：美洲乳齒象的傳統分布區，圖片來自網絡

正是通過對比DNA片段，科學家就好像是打開了一個時間膠囊，重建了冰河時期格陵蘭島北方的生態圖景。想象一起，幾百萬年前的格陵蘭島北端，氣候溫暖而潮濕，地面上生長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，而這里最大的動物就是乳齒象。為了重新這幅鳥語花香的景象，著名的古生物藝術家Beth Zaiken基于研究結果創作了一幅精美的復原畫，再現了那個神奇的世界。

圖注：200萬年前的格陵蘭島北部，作者Beth Zaiken

通過對于樣本的研究，科學家確認了乳齒象漫步在格陵蘭島北端的時間是距今約200萬年前，也就是說所有的DNA片段時間都有200萬年的歷史，這可是一個重大的突破！要知道，盡管我們已經發現了遠至中生代的DNA片段，但是已經發現的最古老的有效DNA卻只有120萬年，所以200萬年就是將之前的記錄翻了一番！

200萬年前的格陵蘭島北端明顯比今天溫暖得多，所以才會生長出大片的森林，生活著各種各樣的動物。研究表明，當時的平均氣溫比今天要高出10~17℃，那么問題就來了，冰河時期的溫度不應該比今天還要寒冷嗎？實際在長達200多萬年的冰河時期并不總是這么寒冷，其中溫度回升的時期被稱為間冰期（Interglacial Period）。當間冰期到來，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，而以乳齒象為代表的動物也會重新來到這里生活。就在2020年，古生物學家在《自然-通訊》發表了一篇名為《Americanmastodon mitochondrial genomes suggest multiple dispersal events in response toPleistocene climate oscillations》的論文，就以化石為基礎探討了乳齒象在過去80萬年的時間里，隨著冰期和間冰期的交替，在北美洲北部的擴張和遷移情況，而此次的發現又提供了新的材料。

圖注：乳齒象的骨骼及復原，圖片來自網絡

提取DNA的新方法不僅具有開創性，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，特別是提供關于人類起源及祖先的信息，這將是令人振奮的！

正因為這項研究的重要意義和價值，不僅成為《nature》的封面文章，而且被《Science》評選為2022年度十大科學突破！

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

圖片及相關資料來自論文及網絡