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    100多萬年前的猛犸象牙齒中發現最古老DNA

    100多萬年前的猛犸象牙齒中發現最古老DNA
    忍受嚴寒
    這是100萬年前的西伯利亞草原猛犸象,它們具有很多適應低溫的基因,這些基因幫助后來的真猛瑪象繁衍生息。最近,科學家對目前最古老的DNA進行了測序,這幅畫根據新掌握的知識繪制而成。
    繪制:BETH ZAIKEN, CENTRE FOR PALAEOGENETICS
     
    撰文:MICHAEL GRESHKO
     
      科學家對迄今為止最古老的DNA進行了測序,突破了古代基因組研究中的標志性界限,為研究已滅絕的冰河時代的北美巨獸(哥倫比亞猛犸象和真猛犸象)的進化,打開了一扇嶄新的窗戶。
     
      這項研究不太可能為我們帶來了類似《侏羅紀公園》的大片,也不是科學家首次對猛犸象的基因組進行測序,至于復活猛犸象更是遙遙無期。事實上,這次研究的對象是100多萬年前的DNA,它為快速發展的古代DNA研究樹立了一個里程碑,幾乎把最古老的基因組測序記錄翻了一番。研究結果發表于2月17日的《自然》雜志。
     
      DNA來自猛犸象的3顆臼齒;20世紀70年代初,俄羅斯古生物學家、猛犸象研究領域的傳奇人物Andrei Sher發現了這些臼齒。研究人員估計,這3顆牙齒中,最年輕的一顆來自50萬至80萬年前,另外兩顆則來自100萬至120萬年前。第二古老的測序DNA來自加拿大育空地區近70萬年前的馬化石。
     
      “可以這么說,從進化的角度來看,打破100多萬年這個魔法屏障相當于打開了一個新的時間窗口,”研究首席著者Tom van der Valk說。他是烏普薩拉大學的生物信息學家,在瑞典斯德哥爾摩古遺傳學中心進行了研究。
     
      研究結果為科學家了解北美猛犸象的進化過程,增添了驚人的細節。首先,牙齒中的古代DNA有力地證明,北美猛犸象的主要類型之一哥倫比亞猛犸象是雜交種,出現在40萬至50萬年前。之所以得出這個結論,是因為研究中更古老的DNA神奇地出現在了這個雜交種之前。“在研究脊椎動物這樣的高階生物時,對物種的取樣一定是在它出現之后,”研究合著者、古遺傳學中心的遺傳學家Love Dalén說。
     
      DNA記錄可追溯的時間越久遠,科學家就越能了解進化過程。這項研究的成功也意味著,理想狀況下,科學家可以更深入地研究進化過程,甚至追溯到幾百萬年前,研究著者說。(比這更早的話,DNA會被分解得太小,無法重組。)
     
      對牙齒的研究始于2017年,當時古遺傳學中心收到了俄羅斯科學院寄來的牙齒樣本。在遺傳學家Patrícia Pe?nerová的帶領下,研究團隊身穿防護服(經歷了新冠疫情的人對這種防護服不會陌生),從每個樣本研磨出50毫克骨粉。然后,Pe?nerová用一系列化學溶液,小心地從每一撮粉末中提取少量DNA;DNA集中在胡椒大小的液滴里。Pe?nerová現在是丹麥哥本哈根大學的博士后研究生。
     
      “基本上我就像在繭里,戴著口罩和面罩,盡量減少污染,”Pe?nerová說:“防止一個(人類)細胞落入試管”,毀掉樣本。
     
      DNA測序只是第一步。接下來,van der Valk和同事必須確保只關注真正古老、真正屬于猛犸的DNA片段。畢竟,這些牙齒被埋在充滿微生物的永久凍土中長達100多萬年;近50年來,無數科學家挖掘、處理過這些牙齒。盡管研究人員已經盡了最大的努力防止污染,他們仍然要與牙齒在旅途中沾染上的其他一切DNA作斗爭。
     
      經過幾周的運算,研究團隊可以準確識別短至35個堿基對的猛犸象DNA片段,并把它們繪制到擁有超過30億個堿基的基因組中。
     
    DNA序列的驚喜
     
      這項新研究已經解釋了北美猛犸象是如何進化的。令研究人員震驚的是,新研究的DNA序列非常古老,甚至早于哥倫比亞猛犸象的出現,這讓科學家對猛犸象的進化過程有了新的理解。哥倫比亞猛犸象是北美洲主要的兩類猛犸象物種之一。
     
      150萬年前,歐洲和亞洲草原猛犸象的親戚從西伯利亞出發,穿過如今被白令海峽覆蓋的大陸橋,抵達北美洲。這些新移民成為了后來的哥倫比亞猛犸象。大約10萬年至20萬年前,北美洲的猛犸象主要分為兩類:北方的真猛犸象和遠在南方墨西哥的哥倫比亞猛犸象。研究人員還從過去的基因分析中得知,這兩種猛犸象曾雜交。
     
      一直以來,古生物學家憑借猛犸象獨特的上臼齒,來區分不同物種。根據猛犸象的牙齒化石,傳統上,古生物學家推測大約150萬年前出現在北美洲的猛犸象是哥倫比亞猛犸象。然而,雖然化石記錄顯示出一種連續性,新DNA研究中的遺傳記錄卻出現了一些變化。
     
      新研究中的兩個猛犸象基因組屬于后來的真猛犸象譜系,但三顆牙齒中最古老的那顆(發現地點位于克列斯托夫卡河附近,科學家據此稱之為“克列斯托夫卡”)似乎屬于一個之前未知的基因譜系。大約150萬年前,這個譜系從包含了另外兩顆牙齒的基因譜系中分離了出來。
     
    100多萬年前的猛犸象牙齒中發現最古老DNA
    在西伯利亞東北部的弗蘭格爾島,有時永久凍土中會出現真猛犸象的象牙。弗蘭格爾島是猛犸象最后的避難所之一,一些猛犸象一直存活到公元前2500年,這里因此成為猛犸象DNA的發現地。
    攝影:LOVE DALÉN
     
      Van der Valk的團隊對比了神秘的猛犸象基因組和之前測序的哥倫比亞猛犸象DNA,得出了一個驚人的結論:哥倫比亞猛犸象于40萬年至50萬年前出現,是克列斯托夫卡猛犸象和西伯利亞真猛犸象之間的雜交種。這發生在西伯利亞、北美洲或白令陸橋(即把兩者連接起來的大陸橋)的某個地方。
     
      大約20萬年前,北美洲發生了第二次雜交事件,哥倫比亞猛犸象從真猛犸象身上又獲得了11%到13%的基因組。到1.2萬年前,哥倫比亞猛犸象滅絕時,它們的基因組約五分之三來自真猛犸象,另外五分之二則可以追溯到神秘的克列斯托夫卡猛犸象,我們只能從一顆牙齒里的DNA了解這種猛犸象的信息。
     
      研究還顯示了早期猛犸象如何適應嚴寒。在之前對古代DNA的研究中,科學家已經深入探討了真猛犸象在低溫環境中繁衍的基因細節。但真猛犸象忍寒能力背后的很多基因變異,首先出現在更早的猛犸象身上。新研究發現,早在100多萬年前,真猛犸象超過85%的變異就已經存在于祖先表親西伯利亞草原猛犸象身上了。
     
      根據化石證據,100萬年前,猛犸象已經生活在高緯度地區,因此這些巨獸適應寒冷的氣候不足為奇。然而,這項研究提供了一個獨特的視角,觀察它們的適應過程。猛犸象似乎以穩定的速度進化出了適應寒冷氣候的基因突變,而非一蹴而就。
     
    DNA中的細節
     
      古生物學家表示,發現哥倫比亞猛犸象是雜交種這一點,將促使科學家進一步重新評估北美猛犸象化石記錄。
     
      最近一項研究對比了猛犸象牙齒化石與基因譜系,發現不同猛犸象的牙齒并非完全相同;在整個北美洲,各地區猛犸象牙齒的形狀和排列很大程度上是重疊的。新研究也強調了這一點:50萬年前后,北美猛犸象的牙齒化石沒有特別大的變化,雖然哥倫比亞猛犸象身上的基因變化是巨大的。
     
      “沒有遺傳學,我們通常看的是形態或形狀變化;而沒有這些形狀變化,我們就無法記錄物種的變化,”得克薩斯州韋科猛犸象國家保護區的古生物學家Lindsey Yann說:“有了基因方面的分析后,我們就可以把它們分離開來,有數據作為支撐。”
     
      研究合著者Adrian Lister是倫敦自然歷史博物館的古生物學家,也是世界上首屈一指的猛犸象研究專家。他認為,這項研究還突顯了未解決的難題:如何在缺失DNA的情況下,定義北美猛犸象的牙齒。從遺傳學角度來說,如果哥倫比亞猛犸象直到40萬年至50萬年前才出現,那么古生物學家如何定義看起來一模一樣、更古老的猛犸象牙齒?到目前為止,還沒有人發表關于50多萬年前北美猛犸象牙齒的DNA研究。
     
      Dalén說,為了解開更多的謎團,他和同事希望把破紀錄的技巧運用到北美猛犸象的牙齒上。研究團隊已確認了一顆來自加拿大的50萬年前的猛犸象牙齒,還有一顆20萬年前可能來自真猛犸象的牙齒,這些或將成為未來測序的候選對象。
     
      現在,科學家突破了100萬年的界限,假以時日,科學家可以揭開那些更古老的DNA隱藏的秘密。“這是一個很重要的問題,”Dalén說:“根據已有的數據,我認為,如果有好的標本,再向前推進到200萬年相對容易。”

    (譯者:Sky4)
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