Затерянный мир в северной Гренландии воссоздан на основе ДНК из древней почвы
На этой реконструкции художника мастодонты обитают в пышной экосистеме, существовавшей 2 миллиона лет назад на северной оконечности Гренландии.
В мрачной долине недалеко от массивного ледникового щита Гренландии ученые восстановили богатую древнюю экосистему, вплоть до бродячих мастодонтов и гладкоствольных берез. Подсказкой послужила самая древняя из когда-либо найденных ДНК: фрагменты генетического материала более чем сотни видов животных и растений, извлеченные из погребенных отложений, которым 2 миллиона лет. Этот подвиг может дать представление о том, как будет развиваться жизнь в условиях потепления, и, возможно, даже позволит ученым воскресить давно исчезнувшие гены, чтобы помочь современным видам справиться с изменением климата.
"Это просто потрясающая работа. Просто поразительно", - говорит Росс Макфи, палеонтолог из Американского музея естественной истории, который не принимал участия в работе, опубликованной сегодня в журнале Nature. "Идея о том, что теперь мы можем восстановить эти действительно короткие фрагменты ДНК и понять их смысл, довольно захватывающая", - добавляет Бет Шапиро, эксперт по древней ДНК из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, также не принимавшая участия в работе. "Теперь мы можем проникнуть дальше в прошлое, чем считали возможным".
Результаты исследования демонстрируют возможности экологической ДНК (эДНК) - генетического материала, полученного не из отдельных организмов, а из окружающей среды - для реконструкции целых экосистем: в данном случае прибрежного леса, включающего тополя, туи и другие хвойные деревья, которые больше не растут в Гренландии, а также северных оленей, леммингов, черных гусей, крабов-подков и мастодонтов. "Никто не мог предсказать подобную экосистему. Некоторые виды можно встретить южнее, в Гренландии, а ряд видов вообще не встречается в Арктике", - говорит Эске Виллерслев, палеогенетик из Кембриджского университета, возглавлявший группу из 40 человек. "Это экосистема, не имеющая аналогов в наши дни".
Еще один сюрприз заключается в том, что ДНК - хрупкая органическая молекула - может оставаться нетронутой так долго. Кварц и глина в почве сыграли решающую роль: Заряженные поверхности минералов захватили ДНК и защитили ее от разрушающих ферментов и окислителей, говорит соавтор исследования Карина Санд, геохимик из Центра геогенетики Фонда Лундбек при Копенгагенском университете. Наступление ледникового периода - плейстоценовой эпохи - около 2,5 миллионов лет назад помогло сохранить ДНК в замороженном состоянии до наших дней.
То, что такая пышная экосистема могла существовать через полмиллиона лет после начала плейстоцена, говорит о том, что Гренландия еще не полностью оледенела, либо экосистема возникла в теплый межледниковый период. Или же найденная ДНК может существовать до плейстоцена - такая возможность существует, поскольку команда выбрала наиболее консервативную интерпретацию датировки участка, говорит Виллерслев.
Впервые Виллерслев задумался о поиске древней эДНК в 2000 году, когда он начинал работу над докторской диссертацией в Копенгагене. Он праздно смотрел в окно своей квартиры, когда "увидел собаку, которая гадила на улице", - говорит он. Он предположил своему научному руководителю, что ДНК из экскрементов и других органических материалов может сохраняться в почве в течение тысяч лет. "Он просто рассмеялся. Он сказал: "Я никогда в жизни не слышал такой глупости".
Не успокоившись, Виллерслев потратил следующие 2 года на оттачивание методов извлечения ДНК из вечной мерзлоты. В декабре 2002 года он в буквальном смысле нащупал почву, извлекая из сибирской земли генетические останки мамонтов ледникового периода, мускусного быка и всевозможных растений. В следующем году его команда извлекла эДНК из ледяных кернов вблизи коренных пород под Гренландским ледниковым щитом, обнаружив лес, существовавший там около 400 000 лет назад.
Пионеру древней ДНК Эске Виллерслеву и его команде потребовалось 15 лет, чтобы выведать в северной Гренландии генетические секреты, относящиеся к началу ледникового периода.
В новой работе группа Виллерслева обратилась к гораздо более древним образцам, которые она собирала в северной Гренландии с 2006 года. Исследователи сосредоточились на формации Кап Кёбенхавн, осадочном слое толщиной почти 100 метров, который находится в устье фьорда. Отложения, обнаруженные в 1978 году, предположительно накапливались в течение 20 000 лет.
Сегодня месторождение Кап Кёбенхавн изобилует окаменевшими пнями и другими остатками древнего бореального леса, но до сих пор там была обнаружена всего одна окаменелость позвоночных - зуб зайца. Виллерслев решил, что в почве должны быть следы других существ, но его команда не смогла извлечь из нее читаемую ДНК. "Мы терпели неудачи, терпели и терпели", - говорит он.
Эске Виллерслев и его коллега берут пробы древних отложений в Гренландии на наличие ДНК окружающей среды.
Палеоклиматические исследования показывают, что когда существовала эта экосистема, температура в Кап-Кёбенхавне была в среднем на 10°C выше, чем сегодня. Окно эДНК в более спокойную эпоху может дать представление о том, какие изменения климата ожидают высокоширотную Арктику, и, возможно, указать на генетические адаптации, которые позволят видам процветать в условиях потепления среды обитания.
Виллерслев полагает, что такие гены можно будет когда-нибудь вырвать из древних геномов и, используя редактирование генов CRISPR, вшить в современные формы жизни. Заимствованные гены могли бы, например, помочь сельскохозяйственным культурам прорастать раньше во время скоротечного арктического лета. "Мы могли бы помочь эволюции на ее пути", - говорит Виллерслев.
Пока же он удовлетворен исследованием прошлого. "Мы показали, что при правильных обстоятельствах мы можем отправиться в прошлое дальше, чем кто-либо мог себе представить", - говорит Виллерслев. Он надеется проникнуть еще глубже в прошлое - на этом и других объектах, - поскольку он и его коллеги продолжают совершенствовать свои методы.
Это радует Наталью Рыбчински, палеонтолога из Канадского музея природы. Тем не менее, по ее словам, чем дальше в прошлое углубляются палеогенетики, тем сложнее будет идентифицировать вымершие формы жизни - особенно те, которые относятся к тупиковым линиям, чьи геномы, вероятно, имеют мало сходства с геномами современных видов. Действительно, говорит Педерсен, некоторые из эДНК из Кап-Кёбенхавна - "черный ящик", представляющий вымерших существ, имеющих лишь отдаленных современных родственников.
По мере того, как эксперты по древней ДНК становятся все более искусными в извлечении форм жизни из этого черного ящика, говорит Макфи, "можно увидеть будущее, в котором то, что мы сейчас называем палеонтологией, будет происходить в лаборатории молекулярной биологии".
Источник: science.org
425
2023.02.26 11:24:43
