В вечной мерзлоте Гренландии ученые обнаружили генетический материал возрастом в два миллиона лет от множества видов растений и животных, включая мастодонтов, гусей, леммингов и муравьев.
Иллюстрация формации Кап Кобенхавн на севере Гренландии два миллиона лет назад, когда она была покрыта тополиными и березовыми лесами и населена мастодонтами.
В вечной мерзлоте на северной окраине Гренландии ученые обнаружили древнейшие известные фрагменты ДНК, позволяющие необычно взглянуть на необычайно древнюю экосистему.
Генетическому материалу по меньшей мере два миллиона лет — это почти вдвое старше ДНК сибирского мамонта, на которой был установлен предыдущий рекорд. Образцы, описанные в среду в журнале Nature, принадлежат более чем 135 различным видам.
Вместе они показывают, что регион, расположенный всего в 600 милях от Северного полюса, когда-то был покрыт лесом из тополей и берез, в котором обитали мастодонты. В лесах также обитали карибу и арктические зайцы. А теплые прибрежные воды были заполнены мечехвостами - видом, который сегодня не встречается дальше к северу от штата Мэн.
Независимые эксперты приветствовали исследование как крупный прогресс.
“Возможность составить такую полную картину древней экосистемы по крошечным фрагментам сохранившейся ДНК кажется почти волшебной”, - сказала Бет Шапиро, палеогенетик из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
“Я думаю, что это потрясет умы людей”, - сказал Эндрю Крист, геолог из Университета Вермонта, изучающий древнюю Арктику. “Это, безусловно, повлияло на меня”.
Открытие было сделано после двух десятилетий научных авантюр и разочаровывающих неудач.
Один из руководителей проекта, Эске Виллерслев, впервые разработал методы извлечения ДНК из отложений, когда 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.
Курт Х. Кьер и Эске Виллерслев собирали образцы почвы в формации Кап-Кебенхавн.
Это открытие установило рекорд для самой древней ДНК, и многие ученые сомневались, что удастся найти что-либо намного более древнее. Но в 2006 году доктор Виллерслев и Курт Кьер, геолог из Копенгагенского университета, попытались бросить вызов обстоятельствам в северной Гренландии. Они добрались до геологического образования под названием Кап Кобенхавн, череды 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 поразительным.
“Если вы хотите двигаться вперед, вам нужно сделать несколько рывков”, - сказал доктор Кьер.
Исследователи раскопали вечную мерзлоту и привезли ее в Копенгаген для поиска ДНК. Им не удалось ничего найти.
В последующие годы доктор Виллерслев и его коллеги добились большего успеха, когда исследовали более молодые отложения и кости из других частей света. Они обнаружили огромное количество древней человеческой ДНК, которая помогла изменить наше понимание истории нашего вида.
Попутно исследователи усовершенствовали свои методы извлечения ДНК из древних образцов и модернизировали машины, которые они использовали для ее секвенирования. По мере того, как они совершенствовались в поиске генов, они брали больше образцов Кап Кобенхавна для еще одного снимка.
Но в течение многих лет они терпели неудачу, снова и снова. Время от времени их соблазняло то, что выглядело как короткие фрагменты ДНК, которые называются считываниями. Исследователи не могли исключить возможность того, что фрагменты молодой ДНК в Гренландии или даже в их лаборатории загрязнили считываемые данные.
Наконец, после значительного усовершенствования своей технологии, они обнаружили ДНК в образцах в 2017 году. Оказалось, что вечная мерзлота богата генетическим материалом. Вскоре они собрали миллионы фрагментов ДНК.
“Это был прорыв”, - сказал доктор Уиллерслев. “Это был переход от ничего или очень малого, о существовании чего вы не подозреваете, к тому, что внезапно: Это есть”.
Исследователи сопоставили фрагменты с последовательностями ДНК живых видов, чтобы выяснить, к какому месту они принадлежали на эволюционном древе. Они обнаружили 102 различных вида растений, в том числе 78, которые ранее были идентифицированы по окаменелостям, и 24 новых. ДНК растения нарисовала картину лесов, в которых преобладают тополя и березы.
Органический материал в прибрежных отложениях, в котором обнаружены следы богатой растительной флоры и фауны насекомых.
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.
“Она превзошла все, что мы себе представляли”, - сказал доктор Кьер.
Исследователи также исследовали вечную мерзлоту в поисках новых указаний на возраст окаменелостей. Они обнаружили слои в осадочных породах, в которых минералы свидетельствовали о том, что магнитное поле Земли изменилось. Возраст этих изменений помог исследователям определить, что Кап Кобенхавну по меньшей мере два миллиона лет, но они не смогли установить четкий верхний предел. “Мое внутреннее ощущение, как ученого-геолога, заключается в том, что она старше”, - сказал доктор Кьер.
Исследователи исключили возможность того, что ДНК произошла от более молодых видов, которые загрязнили более старую вечную мерзлоту. В ДНК берез отсутствовали многие мутации, присущие живым видам, что указывает на их древность. ДНК также имела отчетливый характер повреждений, который возникает только тогда, когда молекулы находились в осадочных породах в течение геологических периодов времени.
“Это действительно помогает показать, что это действительно старая ДНК”, - сказал Тайлер Мерчи, научный сотрудник Университета Макмастера, который не принимал участия в новом исследовании.
Исследователи были удивлены некоторыми обнаруженными ими видами. Карибу живут сегодня в Гренландии, как и на большей части Арктики. Но до сих пор их ископаемая летопись 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?” он спросил.
Доктор Дален отметил, что ближайшими известными окаменелостями мастодонта были останки возрастом 75 000 лет в Новой Шотландии, которые намного моложе ДНК Гренландии и намного южнее, чем Кап Кобенхавн. “Вы не можете продвинуться намного дальше на север по суше”, - сказал он.
Ствол лиственницы возрастом в два миллиона лет, застрявший в вечной мерзлоте среди прибрежных отложений. Дерево было унесено в море реками, которые размыли прежний лесной ландшафт.
Датские исследователи определили, что мастодонты в Гренландии два миллиона лет назад принадлежали к глубокой ветви генеалогического древа мастодонтов, которая ранее была неизвестна. “Это может означать, что они являются предками известных нам мастодонтов позднего плейстоцена или что они могут представлять новый вид”, - сказал доктор Дален.
С экологической точки зрения мастодонты хорошо вписались бы в тополево-березовый лес в Гренландии, как они это делали в лесах Северной Америки. В то время как карибу наиболее распространены в северных тундрах, подвид обитает в канадских лесах, что дает представление о том, как могли процветать древние карибу. Но присутствие мечехвостов в мелководных прибрежных водах наводит на мысль, что океан и суша были удивительно теплыми.
Доктор Виллерслев и его коллеги продолжают изучать ДНК в поисках ключей к пониманию того, как все эти виды смогли процветать в тысяче миль к северу от Полярного круга. Деревьям, например, пришлось выживать полгода в темноте. ДНК, сохранявшаяся в течение двух миллионов лет, может хранить свои секреты адаптации.
Ученых также интересует, как фрагментам ДНК удалось выжить так долго и превзойти ожидания. Их исследование показывает, 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. Доктор Кьер и его коллеги исследуют участки возрастом в четыре миллиона лет в Канаде в надежде побить свой собственный рекорд.
Доктор Дален сказал, что они могут добиться успеха. Но повреждения, которые и он, и датские исследователи находят в старейшей ДНК, наводят его на мысль, что будет невозможно найти древний генетический материал старше примерно пяти миллионов лет. “Это никоим образом не предполагает, что из окаменелостей динозаврового возраста будет получена какая-либо ДНК”, - сказал он.
Доктор Крист сказал, что обнаружение большего количества ДНК может помочь им лучше понять, как антропогенное изменение климата изменит Арктику. Мы не должны предполагать, сказал он, что регион будет напоминать экосистемы в местах, расположенных дальше к югу. В конце концов, экосистема Кап Кобенхавна, существовавшая два миллиона лет назад, сегодня не имеет аналогов.
“Жизнь адаптируется, но таким образом, которого мы не ожидаем”, - сказал доктор Крист.
Интересно написано