Az eddig talált legősibb DNS-ből rekonstruálták, hogyan nézett ki Grönland 2 millió éve

Ősi DNS-mintákból rekonstruálták, hogyan nézhetett ki 2 millió éve Grönland északi része, ahol ma sarkvidéki éghajlat uralkodik. Az erdős területen masztodonok, rénszarvasok, nyulak és fekete ludak éltek, fűzfák és nyírfák között – derül ki egy, a Nature-ben szerdán megjelent kutatásból.

Eske Willerslev evolúciógenetikus, a Koppenhágai Egyetem geogenetikai intézetének igazgatója és kollégái áttörő eredményeiket a valaha meghatározott legősibb környezeti DNS-mintákra alapozzák. Ezek 7-900 ezer évvel idősebbek, mint az eddigi legkorábbi szekvenált genomi DNS, amit mamutfosszíliákból nyertek ki. Amennyiben független vizsgálatok megerősítik Willerslevék konklúzióit, munkájuk utat nyithat olyan genetikai kutatások előtt, amely több millió éves környezeteket tárhatnak fel soha nem látott módon.

photo_camera A rekonstruált észak-grönlandi élőhely művészi ábrázolása Illusztráció: Beth Zaiken

A fagyott környezetekben megtalált fosszíliákból a DNS bázissorendje modern módszerekkel több mint egy millió évig meghatározható maradhat, és az elmúlt években csúcstechnológiás eljárásokkal sikerült csökkenteni annak esélyét, hogy a minták modern DNS-el szennyeződjenek. Ezek kifejlesztésében fontos szerepet játszott Svante Pääbo, aki idén kapta meg az orvosi-élettani Nobel-díjat a neandervölgyi és a gyenyiszovai ember genomjának meghatározásáért.

A kutatók az ősi DNS-mintákat Grönland legészakibb részén, a 82. szélességi fokon elterülő Kap København formációból vették. A rétegek kétmillió éve rakódtak le egy, a pleisztocén elején kezdődő negyedidőszaki jégkorszakon belüli, viszonylag meleg interglaciális (eljegesedések közti) időszakban. Ekkor a terület átlaghőmérséklete a mainál 10 fokkal is melegebb lehetett, ami a szakemberek szerint a grönlandi jégtakaró jelentős visszahúzódását okozhatta.

photo_camera Eske Willerslev mintákat készít elő a koppenhágai laborban Fotó: NOVA, HHMI Tangled Bank Studios & Handful of Films

A környezeti DNS-t (environmental DNA, eDNA) nem egyes élőlényekből, hanem nevéből adódóan a környezetből, vagyis általában a talajból, tengervízből, vagy levegőből izolálják. A vizsgálata megmutathatja, hogy az adott területen vagy ahhoz közel milyen vírusok, baktériumok, archeák, egysejtűek, gombák, növények és állatok fordulnak elő. Az eDNS így hozzásegít a valódi biológiai sokféleség feltárásához, valamint a fajok elterjedtségének nyomon követéséhez.

Az ősi környezeti DNS vizsgálatának korlátait jól jelzi egy tavalyi kutatás körül az elmúlt napokban fellángoló vita. Vang Jücseng és kollégái 2021-ben, a Nature-ben közölt tanulmányukban azt állították, hogy a mamutok Szibériában egészen 4 ezer évvel ezelőttig túlélhettek. Most Joshua Miller és Carl Simpson ezt megkérdőjelezték, mert szerintük Vangék nem azt bizonyították, hogy a mamutok 5-7 ezer évvel tovább éltek Eurázsiában és Észak-Amerikában az eddig feltételezettnél, hanem csak olyan DNS-t találtak, amely a mamutok ősibb maradványaiból fokozatosan a környezetbe került. Vang és munkatársai válaszukban elfogadják a folyamat lehetőségét, de továbbra is biztosak eredményeik valódiságában.

Hogy őrződhetett meg a kétmillió éves DNS?

Eddig kevés információ volt arról, hogy az Északi-sarkvidék élővilága hogyan alakult a korai pleisztocénben, részben azért, mert a régióban kevés fosszília maradt hátra ebből az időszakból. Az elmúlt évek ősi DNS-sel végzett vizsgálatai megalapozták, hogy a hiányos képet Willerslev és munkatársai genetikai módszerekkel bővítsék ki. Bár a DNS-t mikrobák enzimjei és spontán kémiai reakciók is roncsolják, lehetségesnek tartották, hogy ha a rétegek fagyottak maradtak az elmúlt 2 millió év nagy részében, akkor akár 50 bázispár hosszúságú DNS-szakaszokra is lelhetnek bennük.

photo_camera Az egykori élőhely ma a grönlandi jégtakaró szélétől 100 kilométerre található és sarkvidéki éghajlat jellemző rá Fotó: Bing Maps

A kutatók különböző kormeghatározási, például a Föld mágneses terének egykori jellegét rögzítő vagy radioizotópos módszerekkel arra jutottak, hogy a formáció 1,9-2,1 millió éve rakódott le. Az 51 mintát a rétegeken belül öt különböző mintavételi helyről szerezték be, 2006 és 2016 között. Ezek szerves anyagokban gazdagok, és valószínűleg a víz által magasabban fekvő régiókból elszállított, majd a területen koncentrálódott DNS-t tartalmaznak. A későbbi vizsgálatok azt is feltárták, hogy a mintákban azonosított DNS a korának megfelelően erősen károsodott.

photo_camera A Kap København formáció Grönland északkeleti részén található Fotó: Bing Maps

A DNS az üledékrétegekben ásványok felszínéhez kapcsolódhatott, ami segíthetett lassítani az enzimek általi lebomlását. Ez hozzájárulhatott ahhoz, hogy a molekulák 2 millió évig megmaradtak. Az agyagásványok különösen sok DNS-t őriztek meg, de belőlük nehezebb is volt azt kivonni. Ezeknek a tapasztalatoknak a marskutatásban is lehet jelentősége, mivel a Perseverance marsjáró a Jezero-kráterben éppen egy olyan deltatorkolat-maradványt vizsgál, amelyben a grönlandihoz hasonlóan szerves molekulák koncentrálódhattak, és azok agyagásványokban megőrződhettek.

Milyen növények és állatok éltek a területen?

A genomikai vizsgálattal a jelenleg Grönlandon őshonos 175 szövetes növényi nemzetségből 70-et sikerült megtalálni, amelyek nagy része ma a területtől jóval délebbre él. Egy más módszerrel folytatott vizsgálat 102 nemzetséget azonosított, de ezek 39 százaléka ma már nem fordul elő Grönlandon, csak az észak-amerikai tajgán. Ezek közül több nemzetség egyszerűen nem képes örökké fagyott talajon (permafroszt) megélni, és a mai grönlandi viszonyokhoz képest magasabb hőmérsékletet igényel.

A terület növényzete 2 millió évvel ezelőtt egy nyitott tajga volt (open boreal forest), amelyben többek közt nyárfák (Populus sp.), nyírfák (Betula sp.), fűzfák (Salix sp.), tuják (Thuja sp.), valamint sások (Carex sp.) és áfonyák (Vaccinium sp.) fordultak elő. Az, hogy az egyes növényekhez tartozó DNS-ből mennyit találtak, a kutatók szerint nem feltétlenül tükrözi a valós számukat a területen, mivel látszólagos gyakoriságukat a molekulákat szállító vízfolyások hatása befolyásolhatta.

A nyírfákhoz tartozóként azonosított DNS-szakaszokat további vizsgálatoknak vetették alá, amelyek során molekuláris órákkal meghatározták, hogy 0,68-2 millió évvel ezelőtt élhettek. A növényi rendszertani csoportokhoz rendelt minták hitelességét erősíti, hogy 76 százalékuknak a fosszíliáját vagy pollenjét is megtalálták a mintavételi rétegben.

Az egykori állatokból azonosított genomi és mitokondriális DNS kevésbé volt változatos a növényekéhez képest. A genetikai információ egy részét masztodonok hagyták hátra, amelyek a ma csak az elefántok által képviselt ormányosok csoportjának egy kihalt családjához, az Észak- és Közép-Amerikában élt masztodonfélékhez tartoztak. A masztodon (Mammut sp.) mitokondriális DNS-e a molekuláris órák szerint 1,2-5,2 millió évesre tehető, ami bár tág tartomány, illeszkedik a lelőhely korához.

photo_camera Egy amerikai masztodon (Mammut americanum) művészi rekonstrukciója Fotó: Sergiodlarosa

A mintákban emellett nyúlfélék DNS-ére is bukkantak, amiknek ma egyetlen képviselője található meg Grönlandon, a sarki nyúl. A genetikai vizsgálatok továbbá a gerincesek közül rénszarvasok, hörcsögfélék, és fekete ludak jelenlétét valószínűsítik a területen. A gerincteleneknél kőkorallokból, bolhákból, hangyákból és tőrfarkú rákfélékből (Limulidae sp.) megmaradt DNS-t észleltek. Utóbbiak valószínűleg atlanti tőrfarkú rákokból (Limulus polyphemus) származnak, amelyek ma az északi szélesség 45. fokától délre élnek.

Ez egybevág azzal, hogy a korai pleisztocénben a terület éves tengerfelszíni átlaghőmérséklete (sea surface temperature) a mainál akár 8 fokkal is magasabb lehetett. Az azonosított növények emellett arra utalnak, hogy permafroszt sem nagyon volt ekkoriban Grönland északi részén, a masztodonok és rénszarvasok jelenléte pedig gazdag növényvilágot feltételez. A szakemberek szerint az élőhelyen 2 millió éve előforduló növények és állatok a sarkvidéki és tajgán élők sajátos keverékét adják, amire nem létezik modern példa.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: