Реконструкция экосистемы возрастом 2 миллиона лет на основе древней ДНК раскрывает наше будущее

В отложениях ледникового периода на севере Гренландии были обнаружены микроскопические фрагменты ДНК окружающей среды, датируемые двумя миллионами лет. Они позволили исследователям реконструировать экосистему того времени и открыть новую главу в эволюционной истории нашей планеты, поскольку этот период похож на то, что ждет нас в будущем в контексте глобального потепления.

В эпохи позднего плиоцена и раннего плейстоцена, от 3,6 до 0,8 млн. лет назад, климат был похож на тот, который ожидается при будущем потеплении. Почти 40 лет палеоэкологических и климатических исследований на участке в северной Гренландии дают уникальную возможность увидеть период, когда участок находился в бореальном арктическом экотоне, с реконструированными средними летними и зимними минимальными температурами 10 °C и -17 °C соответственно, что более чем на 10 °C теплее, чем сегодня.

Эти условия привели бы к существенной оттепели Гренландского ледяного щита, возможно, к одному из последних безледных интервалов за последние 2,4 миллиона лет. Но биологические сообщества, населявшие Арктику в это время, остаются малоизученными, поскольку ископаемые останки скудны.

Недавно международная группа из более чем 40 исследователей из Дании, Великобритании, Франции, Швеции, Норвегии, США и Германии использовала древнюю ДНК окружающей среды, возраст которой составляет два миллиона лет, для составления карты этой экосистемы, которая выдержала экстремальные изменения климата. Эти фрагменты на миллион лет старше предыдущего рекорда ДНК, взятой из кости сибирского мамонта.

Результаты исследования 41 пригодного для использования образца, найденного скрытым в глине и кварце, опубликованы в журнале Nature. Они могут помочь предсказать долгосрочные экологические последствия нынешнего глобального потепления.

Получение древней ДНК в осадочных породах с помощью новых методов исследования

Неполные образцы длиной в несколько миллионных долей миллиметра были взяты из формации Кап Кёбенхавн - осадочного слоя толщиной почти 100 метров, расположенного в устье фьорда в Северном Ледовитом океане на крайнем севере Гренландии. Отложения накапливались метр за метром в мелководном заливе. В итоге осадочные породы сохранились в вечной мерзлоте, не загрязненной человеком в течение двух миллионов лет.

Хотя формация Кап Кёбенхавн известна хорошо сохранившимися макрофоссилиями бореального хвойного леса и богатой фауной насекомых, следов позвоночных найдено мало.

Для того чтобы изучить ДНК окружающей среды, исследователи сначала должны были установить, присутствует ли ДНК в глине и кварце, и если да, то успешно извлечь ее из осадка для изучения. Большинство из этих образцов они получили в 2006 году во время других работ. Они находились на складе, ожидая подходящего проекта, поскольку организация экспедиций стоит дорого.

Геолог Курт Кьер из Университета Копенгагена в своем заявлении объясняет: "Только когда было разработано новое поколение оборудования для выделения и секвенирования ДНК, мы смогли обнаружить и идентифицировать чрезвычайно маленькие и поврежденные фрагменты ДНК в образцах отложений". Он добавляет: "Это означает, что мы наконец-то смогли составить карту экосистемы возрастом 2 миллиона лет".

Целая экосистема, содержащаяся во фрагментах ДНК

Затем исследователи сравнили каждый фрагмент ДНК с большими библиотеками ДНК современных животных, растений и микроорганизмов. Начала вырисовываться картина ДНК деревьев, кустарников, птиц, животных и микроорганизмов. В частности, запись ДНК подтверждает присутствие зайцев, мастодонтов, северных оленей, грызунов и гусей. Присутствие морских видов, включая мечехвоста и зеленые водоросли, способствовало более теплому климату, чем сегодня. Восстановленная экосистема не имеет современного аналога.

Некоторые фрагменты ДНК было легко классифицировать как предшественников современных видов, другие можно было связать только на уровне рода, а некоторые происходили от видов, которые невозможно поместить в библиотеки ДНК животных, растений и микроорганизмов, живущих в 21 веке.

Образцы, возраст которых составляет два миллиона лет, также помогают ученым получить представление о ранее неизвестном этапе эволюции ДНК целого ряда видов, существующих и по сей день.

Изучая древнюю ДНК из формации Кап Кёбенхавн, исследователи также обнаружили ДНК широкого спектра микроорганизмов, включая бактерии и грибы, которые они все еще картируют. Подробное описание того, как взаимодействие - между животными, растениями и одноклеточными организмами - внутри древней экосистемы в самой северной точке Гренландии работало биологически, будет представлено в будущей научной работе.

Риск вымирания, но все еще остается надежда

Одна из проблем этого исследования, помимо новой возможности обнаруживать ДНК в крайне деградировавших образцах, заключается в том, насколько виды смогут адаптироваться к экстремальным изменениям климата, вызванным значительным повышением температуры. Полученные данные свидетельствуют о том, что число видов, способных к таким изменениям, гораздо выше, чем ожидалось.

К сожалению, доцент Миккель Педерсен из Центра геогенетики фонда Lundbeck и соавтор первого исследования говорит: "Эти результаты показывают, что им нужно время для этого. Скорость современного глобального потепления означает, что у организмов и видов нет этого времени, поэтому чрезвычайная климатическая ситуация остается огромной угрозой для биоразнообразия и всего мира - вымирание некоторых видов, включая растения и деревья, уже на горизонте".

Ученые надеются, что некоторые "хитрости" в ДНК растений, обнаруженные два миллиона лет назад, могут быть использованы для повышения устойчивости некоторых видов, находящихся под угрозой исчезновения, к глобальному потеплению. Курт Кьер объясняет: "Возможно, что генная инженерия может имитировать стратегию, разработанную растениями и деревьями два миллиона лет назад, чтобы выжить в климате, характеризующемся повышением температуры, и предотвратить вымирание некоторых видов, растений и деревьев".

Вот почему результаты этого исследования так важны и представляют собой значительный шаг вперед в нашей борьбе с драматическими последствиями глобального потепления.