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西伯利亚发现的百万年前猛玛象牙齿中取出世界上最古老的DNA

100万年前,西伯利亚的草原猛玛象带有许多适应低温的基因,较晚期的真猛玛象族群因这些基因而得以茁壮。这幅重建图的基础是从科学家曾定序过最古老的DNA中新获取的知

100万年前,西伯利亚的草原猛玛象带有许多适应低温的基因,较晚期的真猛玛象族群因这些基因而得以茁壮。这幅重建图的基础是从科学家曾定序过最古老的DNA中新获取的知识。 ILLUSTRATION BY BETH ZAIKEN, CENTRE FOR PALAEOGENETICS

西伯利亚东北部兰格尔岛(Wrangel Island)的永冻土中有时会冒出真猛玛象的长牙。兰格尔岛是猛玛象最后的栖地之一,其中有些猛玛象存活到公元前2500年,

西伯利亚东北部兰格尔岛(Wrangel Island)的永冻土中有时会冒出真猛玛象的长牙。兰格尔岛是猛玛象最后的栖地之一,其中有些猛玛象存活到公元前2500年,这座岛因此成为寻找猛玛象DNA的实用地点。 PHOTOGRAPH BY LOVE DALéN

(蜘蛛网eeook.com报道)据美国国家地理(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:石颐珊):科学家从百万年前的猛玛象牙齿中取出了世界上最古老的DNA,这笔破纪录的遗传物质为北美猛玛象的生活与演化提供了新洞见。

科学家打破古代基因组研究的象征性屏障,定序出了目前最古老的DNA,由此开启了一扇前所未有的窗,可借此一探北美洲已灭绝的冰河期巨兽──哥伦比亚猛犸象( Columbian mammoth)与真猛玛象(woolly mammoth)的演化过程。

这项成就不大可能会促成哺乳类版本的《侏罗纪公园》风格影剧;这并不是第一篇定序猛玛象基因组的研究,也没有让人类更接近复制猛玛象使其重生的目标。这篇于2月中发表在《自然》(Nature)期刊上的研究以超过100万年前的DNA为主题,将已定序最古老基因组的纪录年代往前推了将近两倍,为快速成长的古代DNA研究领域树立了新的里程碑。

这份DNA来自于三颗于1970年代从西伯利亚出土的猛玛象臼齿,发现者是以猛玛象研究闻名的学界传奇人物,俄国古生物学家安德烈.谢尔(Andrei Sher)。研究人员推测这三颗牙齿中最年轻的大约有50万至80万年之久,较古老的两颗年代则介在100万年至120万年之间。史上曾经被定序过的第二古老DNA来自加拿大育空地区出土的一匹将近70万年前的马化石。

「这个以100万年为界的神奇屏障被打破以后,就此开启了一段新的时间区段,也可以说是新的演化观点,」研究第一作者汤姆.冯德沃克(Tom van der Valk)说,他是乌普萨拉大学的生物资讯学家,在任职于瑞典斯德哥尔摩古遗传学中心(Centre for Palaeogenetics)时进行这项研究。

这项发现为科学家能掌握的北美洲猛玛象演化图像增添了意料之外的细节。举例来说,这些牙齿的DNA有力地指向北美洲主要的猛玛象物种,哥伦比亚猛玛象,是40至50万年前崛起的一支混血种——真相之所以得以揭露,完全是因为研究中较古老的DNA刚好戏剧性地处在这波杂交之前。 「如果我们光看像脊椎动物之类的高阶生物,我想不到任何案例曾经成功取得过某一物种起源以前的样本,」研究共同作者乐弗.达兰(Love Dalén)说,他是古遗传学中心的遗传学家。

DNA纪录的时间推得越愈远,科学家就越能够知晓演化如何运作。这篇研究的成功也显示出如果有完美的条件,科学家可能可以窥见更深远的演化过程,甚至可能推至数百万年以前。 (再更久远的DNA会碎成无法拼凑的过小破片。)

这些牙齿的研究始于2017年,当时古遗传学中心从俄罗斯科学院收到这些牙齿。一支由现任哥本哈根大学博士后研究员的派翠西亚.潘奈洛娃(Patrícia Pečnerová)所带领的团队穿着新冠肺炎时代广为人知的防护衣,从每一件标本磨下50毫克的骨粉。潘奈洛娃接着小心地以一连串化学浴将DNA浓缩在不比胡椒粒大的点滴液体中,从而自每一搓骨粉中萃取出少量DNA。

「我基本上就是包成一颗戴着口罩和面罩的茧,一切都是为了尽可能降低对样本的污染,」潘奈洛娃说。 「单颗(人类)细胞可能就这样掉进管子里」然后毁了研究样本。

为这份DNA定序只是第一步。接下来冯德沃克和同事们必须确保他们只专注在真正古老且确定来自猛玛象的DNA片段。毕竟这些牙齿已经在充满微生物的永冻土里埋了100万年以上,接着在将近50年间又有数不清的科学家或挖掘或经手过它们。除了防堵污染的努力之外,研究人员还得对付这些牙齿在旅途中沾上的任何多余DNA。

研究团队花费数周运算、拆解定序完成的DNA之后,他们成功地准确辨识出35对猛玛象DNA片段,并且将它们对到猛玛象在世时长度超过30亿对DNA的基因组上。

序列惊喜

新研究已经说明了北美洲猛玛象如何演化。此外让科学家震惊的是,新研究的DNA序列年代比北美大陆两种主要猛玛象之一的哥伦比亚猛玛象还要更古老,让科学家对于猛玛象的演化有了新的见解。

150万年前,欧洲与亚洲的草原猛玛象(steppe mammoth)近亲从西伯利亚经由现在沉入白令海峡(Bering Strait)的陆桥抵达美洲。这些新移民稍后造就了哥伦比亚猛玛象的兴起。到了10到20万年前,主要至少有两种猛玛象以北美洲为家:北方的真猛玛象与远在南方墨西哥一带的哥伦比亚猛玛象。过去的遗传研究已经告诉科学家哥伦比亚猛玛象和真猛玛象会杂交。

科学家长久以来都使用猛玛象独特的上臼齿来分辨不同的物种。传统上,古生物学家依据猛玛象牙齿化石推测出距今150万年前以后生活在北美洲的是哥伦比亚猛玛象。然而虽然化石牙齿纪录展现出物种上的连续性,新的这篇DNA研究中的基因纪录则揭露了变化。

新研究中的两组基因组落在稍后演化出真猛玛象的系谱中。然而三颗牙齿中最老的那颗──被科学家依出土地点附近的河川昵称为克雷斯托夫卡(Krestovka)──似乎落在原先未知的基因系谱中,这支系谱大约在150万年前从另外两颗牙齿所在的系谱中分出。

冯德沃克的团队将这组神秘的猛玛象基因组和先前定序过的哥伦比亚猛玛象DNA做比对之后得到惊人的结论:哥伦比亚长毛象是距今40万至50万年前出现的混种,由克雷斯托夫卡猛玛象和西伯利亚真猛玛象在西伯利亚、北美洲或白令陆桥上跨种杂交而生。

在大约20万年前于北美洲发生的第二波杂交以后,哥伦比亚猛玛象的基因组中又多了11%至13%来自真猛玛象的基因。直到哥伦比亚猛玛象于1万2千年前灭绝之前,它的基因组大约有60%可追溯至真猛玛象,另外40%则可追溯至迷样的克雷斯托夫卡猛玛象,后者目前的纪录只有单颗牙齿里保存的DNA。

这篇研究也展示出猛玛象多么擅长且多早就适应了寒冷的气候。过去的古代DNA研究曾经探究过真猛玛象如何在低温中繁盛的遗传细节。然而真猛玛象忍受低温的能耐背后有许多遗传变异都可以在更早以前的猛玛象身​​上找到。新研究发现这些真猛玛象遗传变异中至少有85%以上在超过100万年前就已经出现在它的古老表亲,西伯利亚的草原猛玛象身上了。

根据化石证据,在这标志性的100万年以前,猛玛象就已经生活在高纬度地区了,所以这些冰霜巨兽能适应寒冷气候的事实并不叫人意外。然而,这篇研究特殊之处在于,它对这个适应寒冬的过程进行速度略有着墨。猛玛象似乎按照大致稳定的速度演化出这些适应寒冷的遗传变异,而非一夕之间完成。

DNA中的细节

古生物学家说,哥伦比亚猛玛象为混种的消息将会进一步催化正在进行中的重新评估北美猛玛象的风潮。

近期有研究将猛玛象的牙齿化石和它的基因系谱树做比对,结果发现即便横跨北美洲各地的猛玛象长相大不相同,它们的牙齿形状与型态重叠度却相当高。这篇新研究更强调了这一观点:虽然创造出哥伦比亚猛玛象的遗传变化幅度相当大,但是北美洲的猛犸象牙齿化石在50万年前之前与之后并没有大幅变化。

「在没有遗传学资料的情形下,我们通常只看形态学,或者外型的变化,而当形状没有变化的时候,我们就纪录不到物种的改变,」美国德州韦科猛玛象国家纪念园区的古生物学家琳赛‧雅恩(Lindsey Yann)说:「一旦加进遗传因素,我们就能确实地将事情切分,而且我们就有资料可以呈现其中变化。」

研究共同作者,伦敦自然史博物馆的古生物学家艾德里安.李斯特(Adrian Lister)是世界顶尖的猛玛象专家,他认为这篇研究同时强调出一个悬而未决的议题:在没有DNA的状态下如何定义出北美猛玛象的牙齿?如果从遗传上看来,哥伦比亚猛玛象迟至40万到50万年前才出现,古生物学家应该如何定义看似相同的更古老猛玛象牙齿?目前还没有人发表过任何从超过50万年的北美猛玛象牙齿取出的DNA。

为了填补这幅拼图,达兰说,他和同事们想尝试将他们用以打破纪录的技术应用在北美猛玛象牙齿上。这支团队已经辨识出一颗50万年前来自加拿大的猛玛象牙齿,和一颗20万年前可能属于真猛玛象的牙齿,两颗牙齿都是进一步定序的候选对象。现在既然古生物学家已经突破了100万年的壁障,更古老的DNA迟早会公开自己的秘密。 「这是最重要的难题,」达兰说:「我们已经见识过手上有的资料了,我认为突破200万年应该相对简单,如果我们有够好的标本的话。」




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