Самая древняя ДНК в мире открывает вид на исчезнувший мир

На ледяной северной оконечности Гренландии, глубоко в Арктическом круге, слой осадочных пород в устье фьорда оставался замороженным и нетронутым в течение 2 миллионов лет.

Эта формация Кап-Кёбенхавн, реликт исчезнувшего мира, относится к периоду, когда Земля была намного теплее, чем сегодня. Отложения накапливались в мелководном заливе в течение 20 000 лет, прежде чем были погребены подо льдом и вечной мерзлотой.

Наша команда под руководством Курта Кьера, Миккеля Винтера Педерсена и Эске Виллерслева из Копенгагенского университета извлекла и проанализировала самую древнюю из когда-либо обнаруженных ДНК из образцов этих гренландских отложений. Она раскрывает растения, животных и микроорганизмы, процветавшие в экосистеме, не похожей ни на что в современном мире.

Как мы сообщаем сегодня в Nature, эта ДНК более чем на миллион лет старше предыдущего рекорда. Теперь мы можем восстановить и напрямую изучать молекулы, созданные внутри растений и животных 2 миллиона лет назад, открывая новое окно в историю жизни на Земле.

Снимок вымершей экосистемы

Два миллиона лет назад северная Гренландия была совсем другим местом. Средние зимние температуры были более чем на 10℃ выше, а в атмосфере Земли было меньше углекислого газа.

Наше исследование, проведенное более чем 40 учеными из Дании, Великобритании, Франции, Швеции, Норвегии, США и Германии, собрало воедино мельчайшие фрагменты ДНК и сопоставило их с последовательностями известных видов. Мы обнаружили генетические следы предков современных северных оленей, зайцев и леммингов, а также мастодонта — вымерших слоноподобных существ, о проживании которых в Гренландии ранее не было известно.

Мы также обнаружили следы ДНК растений, включая березу и тополь, а также водорослей и других микроорганизмов, — и большую долю фрагментов ДНК, которые мы не смогли сопоставить ни с одним известным видом.

Но интересны не только конкретные виды, но и то, как они сосуществовали в одной доисторической экосистеме, которая была намного теплее, чем сегодня. Это может многое рассказать о возможном влиянии на биоразнообразие в периоды потепления и о том, как это может стимулировать их эволюционный ответ.

По сути, наше исследование аналогично работе с «экологической ДНК» (eDNA), которую проводят сегодня экологи для понимания биоразнообразия в современных экосистемах. Разница в том, что мы изучаем экосистему, исчезнувшую миллионы лет назад, поэтому восстановление и биоинформатический анализ этих коротких, деградировавших молекул становится гораздо более сложной задачей.

Наблюдение за эволюцией

Мы знаем, что ДНК внутри клеток всех живых организмов медленно мутирует, поскольку изменения окружающей среды стимулируют адаптацию и эволюцию на протяжении многих поколений. Однако у нас очень редко есть «машина времени», чтобы вернуться назад и взглянуть непосредственно на старые молекулы ДНК.

Чтобы понять, как ДНК менялась со временем, мы обычно сравниваем геномы современных видов и работаем в обратном направлении, чтобы создать эволюционное генеалогическое древо. Однако возможность изучать ДНК возрастом в миллионы лет означает, что мы сможем непосредственно наблюдать процесс молекулярной эволюции в глубоком времени, вместо того чтобы ограничиваться текущим генетическим «снимком» современных видов.

Более того, ДНК предков современных видов может показать, как они адаптировались к условиям, сильно отличающимся от тех, с которыми они сталкиваются сегодня. Мы не получаем этих знаний в данном исследовании, но если в будущем мы сможем детально изучить эти доисторические генетические адаптации, это может позволить нам предсказать, способны ли виды адаптироваться к таким изменениям, как текущее глобальное потепление.

Как долго может сохраняться ДНК?

Несмотря на то, что могут утверждать фильмы «Парк Юрского периода», ДНК не сохраняется вечно. Она неуклонно распадается со временем, хотя скорость распада зависит от таких обстоятельств, как температура.

Около десяти лет назад мы с коллегами опубликовали исследование ископаемых останков моа, в котором рассчитали «период полураспада» для долгосрочного распада ДНК в костях. Мы предсказали, что узнаваемые фрагменты ДНК должны быть способны сохраняться более миллиона лет в идеальных условиях, таких как глубокая заморозка вечной мерзлоты.

И действительно, в 2021 году исследователи восстановили ДНК из зуба мамонта, жившего в Сибири примерно 1,2 миллиона лет назад.

Однако новое исследование показывает нечто совершенно удивительное. Похоже, что ДНК может сохраняться в виде свободных молекул в осадке гораздо дольше, чем в костях животного, которому она изначально принадлежала.

Молекулы ДНК могут связываться с поверхностью частиц глины, которые каким-то образом защищают их от разрушительного воздействия времени. Мы не знаем точно, как долго ДНК может сохраняться в осадке, но если условия сохранения идеальны, нет оснований полагать, что мы достигли предела в два миллиона лет.

Как только мы узнаем больше о том, какие виды осадков лучше всего сохраняют ДНК, мы сможем охотиться за ней по всему миру, хотя вряд ли когда-нибудь осуществим мечту об изучении 65-миллионолетних последовательностей ДНК динозавров. Хотя я был бы очень рад, если бы меня опровергли!