Na Grenlandii odkryto najstarsze znane DNA. Znalezisko ujawnia ekosystem sprzed 2 mln lat

Mikroskopijne fragmenty środowiskowego DNA, najstarsze, jakie kiedykolwiek zidentyfikowano, znalezione w osadach z epoki lodowej w północnej Grenlandii, pozwoliły na rekonstrukcję ekosystemu wyspy, który panował tam dwa miliony lat temu. Obecnie Grenlandia jest jałowym pustkowiem, zamieszkanym przez nieliczne gatunki zwierząt i roślin, ale zebrany przez badaczy materiał sugeruje, że dwa miliony lat temu Grenlandię pokrywały gęste lasy, między którymi przechadzały się stada mastodontów i reniferów.

Naukowcy znaleźli DNA sprzed dwóch milionów lat. To najstarsze DNA, jakie kiedykolwiek znaleziono i jest o milion lat starsze od poprzedniego rekordowo starego DNA pobranego z kości mamuta znalezionego na Syberii. Odkrycia dokonał zespół naukowców kierowany przez profesora Eske Willersleva z Uniwersytetu w Cambridge oraz profesora Kurta H. Kjæra z Uniwersytetu w Kopenhadze. Uczeni łącznie zidentyfikowali 41 próbek środowiskowego DNA i wykorzystali je do rekonstrukcji ekosystemu Grenlandii sprzed dwóch milionów lat.

Rezultaty i opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-022-05453-y).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Każdy organizm pozostawia po sobie jakiś ślad w środowisku, w którym przybywa. To skrawki materiału genetycznego, które zostały odrzucone z organizmu do środowiska w postaci drobinek naskórka czy włosów, ale także moczu i innych odpadów. Opracowano skuteczne sposoby pozyskiwania DNA ze środowisk wodnych, co służy do określenia, jakie gatunki zamieszkują dany zbiornik. Udowodniono też na licznych przykładach, że można pozyskać DNA z gleby czy śniegu, a w badaniach sprzed roku uczeni pokazali, że da się to nawet zrobić z próbek... powietrza (więcej na ten temat w tekście: DNA można pozyskać także z... powietrza).

To tzw. środowiskowe DNA (z j. ang. environmental DNA, eDNA) można wyizolować bezpośrednio z próbek gleby, osadów, wody czy nawet z odchodów. Pozwala to na zidentyfikowanie organizmów zamieszkujących dany ekosystem. W najnowszych badaniach uczeni udowodnili, że dzięki eDNA można również zrekonstruować cały ekosystem.

- DNA może szybko ulec degradacji, ale pokazaliśmy, że w odpowiednich okolicznościach możemy cofnąć się w czasie dalej, niż ktokolwiek mógł to sobie wyobrazić – powiedział Willerslev. - Starożytne próbki DNA znaleziono zakopane głęboko w osadach, które zostały ostatecznie zachowane w lodzie oraz wiecznej zmarzlinie i, co najważniejsze, nie zostały naruszone przez ludzi przez dwa miliony lat – przyznał Kjær.

Niekompletne próbki, o długości kilku milionowych milimetra, pobrano z formacji Kap København, osadów o grubości prawie 100 metrów, zlokalizowanych u wybrzeży wyspy w najbardziej wysuniętym na północ punkcie Grenlandii. Osady te gromadziły się przez przez tysiąclecia w płytkich wodach pokrywających wówczas te tereny. Klimat na Grenlandii w tamtym czasie był o około 10-17 stopni Celsjusza cieplejszy niż obecnie.

W próbkach uczeni znaleźli dowody na istnienie na Grenlandii w tamtym czasie zwierząt, w tym reniferów, zajęcy, gęsi, lemingów czy mastodontów. Zastanawiające są szczególnie dane wskazujące na mastodonty - podobne do słonia ssaki z epoki lodowej, których szczątki wcześniej znajdowano tylko w Ameryce Północnej i Środkowej. Można by się spodziewać, że kości tych gigantycznych zwierząt trudno będzie przeoczyć w zapisie kopalnym, jednak na Grenlandii ich nie znaleziono. Swój ślad w osadach zostawiły także stworzenia morskie – koralowce i kraby.

Sekwencje DNA ujawniły również bogatą roślinność prastarej Grenlandii. DNA wskazało na lasy topolowe, brzozowe, świerkowe i cisowe, takie jak te, które obecnie występują na znacznie niższych szerokościach geograficznych. Do wykrytego ekosystemu leśnego należy doliczyć krzewy, paprocie, zioła i mchy rosnące wokół drzew.

Odkrycia te były możliwe dzięki najnowszym technologiom oraz żmudnej pracy ponad 40 naukowców z Danii, Wielkiej Brytanii, Francji, Szwecji, Norwegii, USA i Niemiec. Najpierw badacze musieli wyizolować DNA z osadów. Następnie porównali każdy pojedynczy fragment z obszernymi bibliotekami DNA zebranymi od współczesnych zwierząt, roślin i mikroorganizmów. Już na tym etapie prac zaczął wyłaniać się zaginiony świat pełen krzewów, drzew, ptaków i mikroorganizmów.

Niektóre fragmenty DNA można było łatwo sklasyfikować jako poprzedników współczesnych gatunków, inne udało się jedynie powiązać na podstawie rodzaju, a niektóre pochodziły od gatunków, których nie udało się znaleźć w bibliotekach DNA zwierząt, roślin i mikroorganizmów wciąż żyjących w XXI wieku, czyli gatunków nieznanych nauce.

Próbki nie wykazały żadnych drapieżników – prawdopodobnie dlatego, że było ich mniej – ale naukowcy spekulują, że mogły istnieć tam starożytne niedźwiedzie, wilki lub tygrysy szablozębne. – Nie wiemy, co tam było, ale prawdopodobnie coś, co zjadało mastodonty i renifery – powiedział Willerslev.

Podczas przeglądu starożytnego DNA naukowcy odkryli również DNA z szerokiej gamy mikroorganizmów, w tym bakterii i grzybów. Próbki są nadal badane i szczegółowy opis tego, w jaki sposób biologicznie działały interakcje między zwierzętami, roślinami i organizmami jednokomórkowymi w dawnym ekosystemie najbardziej wysuniętym na północ punkcie Grenlandii, zostanie przedstawiony w przyszłej publikacji.

Profesor Kjær przyznał, że niektóre próbki zostały zebrane jeszcze w 2006 roku podczas wyprawy badawczej w ramach zupełnie innego projektu. Od tamtej pory były one przechowywane. - Dopiero gdy opracowano nową generację sprzętu do ekstrakcji i sekwencjonowania DNA, byliśmy w stanie zlokalizować i zidentyfikować bardzo małe i uszkodzone fragmenty DNA w próbkach osadów. Dzięki temu udało się zrekonstruować ekosystem sprzed dwóch milionów lat – podkreślił badacz.

- DNA generalnie najlepiej zostaje zachowane w zimnych, suchych warunkach, takich jak te, które panowały przez większą część okresu od zdeponowania materiału w formacji Kap København. Teraz, gdy udało nam się wydobyć starożytne DNA z gliny i kwarcu, być może jest możliwe, że glina mogła zachować starożytne DNA w ciepłych i wilgotnych środowiskach chociażby w Afryce. Jeśli zaczniemy badać starożytne DNA w ziarnach gliny z Afryki, być może będziemy w stanie zebrać przełomowe informacje o pochodzeniu wielu różnych gatunków – być może nawet nową wiedzę o pierwszych ludziach i ich przodkach – możliwości są nieograniczone – podkreślił Willerslev.

Willerslev uważa, że praca jego zespołu może powiedzieć nam coś o tym, jak przyszłe ekosystemy zareagują na zmiany klimatu. - W znalezionych przez nas organizmach istnieje zdolność do przystosowania się pod względem składu i zakresu, którego nie rozumiemy i nie możemy przewidzieć – mówi.

- Ekosystem z Kap København, który nie ma współczesnego odpowiednika, istniał w znacznie wyższych temperaturach, niż mamy dzisiaj. Na pierwszy rzut oka ówczesny klimat wydaje się być podobny do tego, z którym prawdopodobnie będziemy mieć do czynienia w przyszłości z powodu globalnego ocieplenia – powiedział Mikkel W. Pedersen, współautor publikacji.

- Jednym z kluczowych czynników jest tutaj stopień, w jakim gatunki będą w stanie przystosować się do zmiany warunków wynikającej ze znacznego wzrostu temperatury. Dane sugerują, że jest znacznie więcej gatunków, niż dotąd sądzono, które mogą ewoluować i przystosować się do wyższych temperatur. Badania pokazują, że potrzebują na to czasu, ale szybkość postępowania globalnego ocieplenia oznacza, że mogą go nie mieć, więc kryzys klimatyczny pozostaje ogromnym zagrożeniem dla różnorodności biologicznej – zaznaczył Pedersen.

Badacze mają nadzieję, że niektóre sztuczki odkrytego właśnie DNA pradawnych roślin i zwierząt mogą zostać wykorzystane do uodpornienia niektórych zagrożonych gatunków na ocieplający się klimat. - Możliwe, że inżynieria genetyczna mogłaby naśladować strategię opracowaną przez rośliny i drzewa dwa miliony lat temu, aby przetrwać w klimacie charakteryzującym się rosnącymi temperaturami i zapobiec wyginięciu niektórych gatunków. Jest to jeden z powodów, dla których postęp naukowy jest tak znaczący, ponieważ może ujawnić, jak próbować przeciwdziałać niszczycielskim skutkom globalnego ocieplenia – ocenił Kjær.

Próbki sprzed dwóch milionów lat mogą pomóc również zbudować obraz nieznanego wcześniej etapu ewolucji DNA szeregu gatunków, które wciąż istnieją.

Źródło: University of Cambridge, Nature, Science Alert, fot. Beth Zaikenjpg