Древнейшая из когда-либо отобранных ДНК рисует сочный портрет затерянного арктического мира

Давным-давно, когда на севере было теплее, один из уголков Гренландии действительно был зеленым и кишел жизнью.

Отредактировано 2023-07-08
Шерстистые мамонты в лесах Гренландии после реконструкции эДНК Сцена является иллюстрациейБолее 2 миллионов лет назад Гренландия была действительно зеленой.

Несмотря на свое зеленеющее название, Гренландия вряд ли является местом, где вы ожидаете найти сад. По размерам остров больше Мексики, но на нем проживает менее 60 000 человек, большинство из которых живут на юго-западном побережье. И это неудивительно: Большая часть обширных внутренних территорий страны покрыта льдом, а во многих местах воздух слишком сухой, чтобы даже снег мог выпасть.

Однако на пустынном северном побережье острова исследователи собрали воедино целую древнюю экосистему, которая кардинально отличается от современной. Задолго до появления современных людей на этом острове мастодонты ходили по лиственным лесам, а крабы процветали на кораллах.

Вместо того чтобы использовать окаменелости, чтобы нарисовать этот затерянный мир, геологи и биологи использовали кисть другого типа: ДНК возрастом 2,4 миллиона лет, соскобленную с самой земли. В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, исследователи проанализировали самый древний генетический материал из когда-либо отобранных, чтобы понять, как выглядел крошечный уголок Гренландии, когда климат на Земле был намного теплее.

"Здесь показана экосистема, аналогов которой сегодня нет", - говорит Эске Виллерслев, эколог из Копенгагенского университета в Дании и Кембриджского университета в Великобритании, один из авторов исследования.

Любой вид древней ДНК - редкая находка. Хотя ученые обычно извлекают ее из живых существ, эти доказательства могут быстро исчезнуть после смерти. Когда организм жив, он выбрасывает в окружающую среду множество своих остатков - от волос до экскрементов, отмершей кожи и многого другого. ДНК, содержащаяся в этих остатках, может рассказать ученым, от какого вида животных они произошли, почти как штрих-код. Ученые называют эти следы экологической ДНК, или сокращенно эДНК.

"Это похоже на криминалистический анализ, который проводят на месте преступления", - говорит Мехрдад Хаджибабаеи, биолог из Университета Гельфа в Канаде, который не принимал участия в новом исследовании. "Вы можете определить организмы, которые живут в этой среде".

Эта практика, все еще относительно новая, оказалась полезной для мониторинга биоразнообразия, поиска новых видов и отслеживания инвазивных видов. Но это исследование - первое, в котором эДНК использовалась для реконструкции целой доисторической экосистемы. Суровый климат Гренландии, безусловно, помог этому.

Двое ученых в защитных костюмах на скалистой бесплодной Земле Пири в ГренландииЭске Виллерслев и его коллега берут пробы отложений на наличие ДНК окружающей среды на Земле Пири в Гренландии. Предоставлено NOVA, HHMI Tangled Bank Studios & Handful of Films

В большинстве случаев эДНК быстро разрушается, превращаясь в пыль времени. Но в правильных условиях - например, если она хранится в сухом месте, прикреплена к минералам или заморожена - она может сохраняться в течение тысяч или, возможно, даже миллионов лет. Электронные ДНК, о которых идет речь в анализе Nature, были получены из места, известного как Земля Пири - полуострова на арктическом побережье Гренландии, расположенного всего в 450 милях к югу от Северного полюса.

Виллерслев и несколько его коллег впервые откопали образцы вечной мерзлоты на Земле Пири еще в 2006 году. Поначалу они не были уверены, что смогут найти в субстрате хоть какую-то сохранившуюся эДНК. Хотя команда постоянно пробовала новые способы извлечения подсказок из стога минералов, многие из их усилий были бесплодными. "Мы возвращались к этим образцам, и у нас ничего не получалось и не получалось до тех пор, пока пару лет назад", - говорит Виллерслев.

Что же изменилось? Одна из сотрудниц Виллерслева, геобиолог Карина Санд, разработала более совершенные методы поиска конкретных минералов, несущих эДНК. Это позволило исследователям нацеливать кусочки глины и кварца, выделять эДНК и упорядочивать ее с помощью технологии, которая прошла долгий путь с 2006 года. Это также позволило им изучать еще более мелкие образцы.

До появления этой работы самая старая из известных ДНК была получена от двух шерстистых мамонтов, сохранившихся в сибирском льду, возраст которых оценивался от 1,2 до 1,7 миллиона лет. Но Виллерслев и Санд определили, что их эДНК намного старше: около 2,4 миллиона лет.

Затем они начали просеивать фрагменты эДНК в поисках совпадений. Это тоже не было простым делом, учитывая, как эволюционировала жизнь с начала плейстоцена. У рассматриваемой эДНК не было точного совпадения с современными животными или даже с животными в ископаемом состоянии. В качестве запасного варианта ученым пришлось определить близких родственников, что навело их на доисторических существ, которые никогда не были обнаружены в Арктике.

Ученый в защитном костюме обрабатывает образец гренландских отложений в лабораторииИсследователь готовит керн осадочных пород для отбора проб в Копенгагене, Дания. Предоставлено NOVA, HHMI Tangled

В записи эДНК они нашли свидетельства существования мастодонтов, родственников современных слонов. Они также обнаружили признаки животных, связанных с современными северными оленями, грызунами и гусями, а также животных, связанных с муравьями и блохами. Они также нашли остатки морской жизни, включая кораллы и крабов-подкову, которые когда-то обитали в арктических водах. Некоторые из этих мелких животных живут в Гренландии и сегодня, но для других там просто слишком холодно. Действительно, климатические данные показывают, что 2,4 миллиона лет назад в Гренландии было примерно на 20-34 градуса по Фаренгейту теплее, чем сегодня.

Что касается растений, то исследователи обнаружили любопытное сочетание лиственных деревьев, таких как тополя и березы (как в Великобритании или на востоке США), и арктических кустарников (как на севере Канады). Это было сочетание умеренных и полярных условий, которое сегодня не существует на Земле.

Руки в перчатках держат образец эДНК при анализе в ГренландииИсследователь извлекает образцы из керна осадочных пород для секвенирования ДНК. Предоставлено NOVA, HHMI Tangled Bank Studios & Handful of Films

"Это очень интересное исследование и выдающееся достижение авторов, которое показывает, насколько далеко продвинулась область разработки новых инструментов для изучения таких старых экологических систем", - говорит Линда Армбрехт, биолог из Университета Тасмании в Австралии, которая не была автором статьи.

"Это вносит огромный вклад в наше понимание того, как отличалась Земля в таких регионах, как Арктика", - говорит Хаджибабаеи. Более того, добавляет он, это исследование может показать ученым, как изучать экосистемы в условиях меняющегося климата.

Действительно, затерянный мир Гренландии иллюстрирует другую причину изменения климата. Вскоре после расцвета сада наступила череда ледниковых периодов. Температура в Арктике упала, и Земля Пири превратилась в бесплодную пустошь.

Сейчас эта ситуация развивается в обратном направлении - и гораздо, гораздо быстрее. Сегодня по всей планете организмы адаптируются к резкому потеплению с беспрецедентной скоростью. Часто ученые предполагают, что виды смогут выжить, переместившись на север из тропических и умеренных зон. Но это не значит, что стада слонов и северных оленей смешаются на Земле Пири.