Некогда пышная Арктика

В вечной мерзлоте на северной окраине Гренландии ученые обнаружили древнейшие из известных фрагментов ДНК, благодаря которым открывается необыкновенный взгляд на необыкновенную древнюю экосистему.

Генетический материал датируется по крайней мере двумя миллионами лет — это почти в два раза старше ДНК мамонта в Сибири, которому принадлежал предыдущий рекорд. А образцы, описанные в среду в журнале Nature, принадлежали более чем 135 различным видам.

Вместе они показывают, что регион всего в 600 милях от Северного полюса когда-то был покрыт лесом из тополей и берез, населенным мастодонтами. Леса также были домом для карибу и арктических зайцев. А в теплых прибрежных водах обитали мечехвосты — вид, который сегодня не встречается дальше к северу от штата Мэн.

Один из руководителей проекта, Эске Виллерслев, впервые применил методы извлечения ДНК из осадка, когда он был аспирантом Копенгагенского университета. В 2003 году, изучая кусок сибирской вечной мерзлоты, он и его коллеги обнаружили ДНК таких растений, как ива и маргаритки, возраст которых составляет 400 000 лет.

Это открытие установило рекорд самой старой ДНК, и многие ученые сомневались, что можно найти что-то намного более древнее. Но в 2006 году доктор Виллерслев и Курт Кьер, геолог из Копенгагенского университета, попытались бросить вызов обстоятельствам на севере Гренландии. Они направились к геологической формации под названием Кап-Кобенхавн, череде голых холмов, пустынных, как лунный пейзаж. Ранее ученые находили там окаменелости растений, возраст которых, по их оценкам, составляет 2,4 миллиона лет. Обнаружение ДНК в отложениях было бы удивительным.

Исследователи раскопали вечную мерзлоту и привезли ее в Копенгаген для поиска ДНК. Им не удалось найти ни одного.

В последующие годы доктор Виллерслев и его коллеги добились большего успеха, когда исследовали более молодые отложения и кости из других частей мира. Они обнаружили богатую древнюю человеческую ДНК, которая помогла изменить наше понимание истории нашего вида.

В течение многих лет они терпели неудачу, снова и снова. Время от времени их дразнили то, что выглядело как короткие фрагменты ДНК, которые называются считываниями. Исследователи не могли исключить возможность того, что кусочки молодой ДНК в Гренландии или даже в их лаборатории загрязнили показания.

Наконец, после крупной модернизации технологии, в 2017 году в образцах была обнаружена ДНК. Оказалось, что вечная мерзлота насыщена генетическим материалом. Вскоре они собрали миллионы фрагментов ДНК.

Исследователи сопоставили фрагменты с последовательностями ДНК живых видов, чтобы выяснить, какое место они занимают на эволюционном древе. Они обнаружили 102 различных вида растений, в том числе 78 ранее идентифицированных по окаменелостям и 24 новых. ДНК растений нарисовала картину леса, в котором преобладали тополя и березы.

Другие последовательности происходят от наземных животных, включая карибу, зайцев, мастодонтов, гусей, леммингов и муравьев. Исследователи также обнаружили морские виды, такие как мечехвосты, кораллы и водоросли.

Исследователи также искали в вечной мерзлоте новые ключи к разгадке возраста окаменелостей. Они обнаружили слои в отложениях, в которых минералы показали, что магнитное поле Земли перевернулось. Возраст этих инверсий помог исследователям определить, что Кап-Кобенхавну было не менее двух миллионов лет, но они не смогли установить четкий верхний предел. «Моя интуиция как геолога подсказывает, что он старше», — сказал доктор Кьяер.

Исследователи исключили возможность того, что ДНК принадлежала более молодым видам, загрязнившим старую вечную мерзлоту. В ДНК берез отсутствовали многие мутации, присущие живым видам, что указывает на то, что они были древними. ДНК также имела отчетливую картину повреждения, которое происходит только тогда, когда молекулы находятся в отложениях в течение геологических отрезков времени.

Они были удивлены некоторыми видами, которые они обнаружили. Сегодня карибу живут в Гренландии, как и в большей части Арктики. Но до сих пор их летопись окаменелостей предполагала, что они эволюционировали миллион лет назад. Их ДНК теперь удваивает их эволюционную историю.

Лав Дален, палеогенетик из Стокгольмского университета, которая в прошлом году обнаружила в Сибири ДНК мамонта возрастом 1,2 миллиона лет, была поражена тем, что мастодонты появились в Гренландии. — Какого черта они там делают?

Датские исследователи определили, что мастодонты в Гренландии два миллиона лет назад принадлежали к глубокой ветви генеалогического древа мастодонтов, ранее неизвестной. «Это может означать, что они являются предками мастодонтов позднего плейстоцена, о которых мы знаем, или что они могут представлять новый вид», — сказал доктор Дален.

Экологически мастодонты хорошо вписывались в тополино-березовые леса в Гренландии, как и в лесах Северной Америки. В то время как карибу наиболее распространены в северной тундре, в канадских лесах обитает подвид, который дает представление о том, как мог процветать древний карибу. Но присутствие мечехвостов на мелководье прибрежных вод предполагает, что и океан, и суша были удивительно теплыми.

Доктор Виллерслев и его коллеги продолжают изучать ДНК в поисках ключей к тому, как все эти виды смогли процветать за тысячу миль к северу от Полярного круга. Деревья, например, должны были выживать полгода в темноте. ДНК, сохраненная в течение двух миллионов лет, может хранить секреты адаптации.

Ученых также интересует, как фрагментам ДНК удалось так долго просуществовать и не оправдать ожиданий. Их исследования показывают, что молекулы ДНК могут цепляться за минералы полевого шпата и глины, которые защищают их от дальнейшего повреждения.

Основываясь на этом открытии, исследователи разрабатывают новые методы, которые, как они надеются, позволят им извлечь еще больше ДНК из древних отложений.