В Гренландии найдена самая древняя ДНК в мире

Старейшая ДНК в мире  дает представление о некогда пышной Арктике. 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.

В вечной мерзлоте на северной окраине Гренландии ученые обнаружили древнейшие известные фрагменты ДНК, предлагающие новый взгляд на необычайно древнюю экосистему.

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

Результаты анализов этой ДНК 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.

“Это почти чудо - иметь возможность составить такую полную картину древней экосистемы по крошечным фрагментам сохранившейся ДНК”, - сказала Бет Шапиро, палеогенетик из Калифорнийского университета в Санта-Крус.

“Я думаю, это поразит умы людей”, - сказал Эндрю Крист, геолог из Университета Вермонта, изучающий древнюю Арктику. “Это, безусловно, помогло мне”.

Как было сделано открытие

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 он был аспирантом в Копенгагенском университете. 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 для самой старой 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 найти более старый генетический материал в северной 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 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, однако, там не смогли найти ничего.

В последующие годы доктор Виллерслев и его коллеги добились большего успеха, когда исследовали более молодые отложения и кости из других частей света. Они обнаружили множество древних человеческих ДНК, которые помогли 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 Kap Kobenhavn для еще одного снимка.

Но в течение многих лет они терпели неудачу, снова и снова. Время от времени их мучили 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 данные.

Наконец, после серьезной модернизации своей технологии, в 2017 году они обнаружили ДНК в образцах. Оказалось, что вечная мерзлота полна генетического материала. Вскоре они собрали миллионы фрагментов ДНК.

“Это был прорыв”, - сказал доктор Виллерслев. 

Исследователи сопоставили фрагменты с последовательностями ДНК живых видов, чтобы выяснить, к какому месту они принадлежат на эволюционном древе. Они обнаружили 102 различных вида растений, в том числе 78, которые ранее были идентифицированы по окаменелостям, и 24 новых. ДНК растений нарисовала картину лесов, в которых преобладают 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.

“Это вытеснило все, что мы себе представляли”, - сказал доктор Кьер.

Исследователи также искали в вечной мерзлоте новые подсказки о возрасте окаменелостей. Они обнаружили слои в осадочных породах, в которых минералы показали, 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, аспирант Университета Макмастера, который не участвовал в новом исследовании.

Исследователи были удивлены некоторыми видами, которые они обнаружили. 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 оказались в Гренландии. “Какого черта они там делают?” он спросил.

Доктор Дален отметил, что ближайшими известными ископаемыми останками 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.

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 мастодонтов позднего плейстоцена, о которых мы знаем, 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, предлагая подсказки о том, как мог процветать древний 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. Например, деревьям пришлось выживать полгода в темноте. ДНК, сохранившаяся в течение двух миллионов лет, может хранить свои секреты адаптации.

Ученых также интересует, как фрагментам ДНК удалось выжить так долго и не оправдать ожиданий. 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 места, которым четыре миллиона лет, в Канаде в надежде побить свой собственный рекорд.

Доктор Дален сказал, что они могут добиться успеха. Но повреждения, которые он и датские исследователи находят в самой старой ДНК, подсказывают ему, что будет невозможно найти древний генетический материал старше примерно пяти миллионов лет. “Это ни в коей мере не говорит о том, 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. По его словам, мы не должны предполагать, что регион будет напоминать экосистемы в местах, расположенных дальше на юг. В конце концов, экосистема Кап-Кобенхавна, существовавшая два миллиона лет назад, сегодня не имеет аналогов.

“Жизнь адаптируется, но так, как мы этого не ожидаем”, - сказал доктор Крист.