如何寻找世界上最古老的DNA,为何都是猛犸象

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作者:虞北冥

经典科幻片《侏罗纪公园》里,生物学家从封存在琥珀中的蚊子身上提取出了恐龙 DNA,让这种爬行类霸主重现江湖,酿成种种惨剧。

乍看起来,这个设定有些道理,然而,脱氧核糖核酸的半衰期仅为 521 年。以此推算,你实际上无法从超过 680 万年的化石中读取任何 DNA 信息,而恐龙灭绝在 6500 万年前。

所以从技术角度来讲,电影中的恐龙复活方式并不可行。只需要短得多的时间,比如 200 万年,化石中的 DNA 就会因为太过破碎而无法提供任何有意义的信息。

指望用恐龙的 DNA 使它们复活,还不如研究研究鸟类,反推它们老祖宗的情况。鹤鸵是一种不会飞的巨型鸟类,其头部有着巨大的骨盔,趾爪长而锋利,让人联想起它们的老祖宗 | 图/维基百科

尽管复活恐龙是不现实了,然而寻找可供解读的古老 DNA,对裸猿而言依然十分重要。

人类发明文字不过数千载,口口相传的祖先故事也不会超过万年,对过去的记忆实在有限。而古老的 DNA 犹如一扇扇窗口,能让我们瞥见百万年前的遥远时代。即使从功利角度来讲,了解过去也能帮助我们更好地面向未来。

问题是,我们该去哪儿寻找那些古老的 DNA 呢?

大多数年代久远的化石无法提取 DNA,是因为它们都降解了。水的膨胀与收缩会对 DNA 造成伤害。正如食物在冰箱里能得到更长久的保存那样,低温环境能有效减缓 DNA 的降解速度,所以我们需要把目光投向地球的南北高纬度地区。

但这个纬度又不能太高,南北极点附近动辄零下五六十摄氏度的低温,并不利于绝大多数动物的生存。而从极圈附近往低纬度方向寻找,那么你会发现,南半球只有南美洲巴塔哥尼亚狭长的南端略微接近极圈,陆地面积寥寥无几。

反观北极圈,则几乎被亚洲、欧洲和北美洲包围,有着大量的土壤温度常年零度以下的土层,也就是所谓的冻土层。

雌性真猛犸象幼崽柳芭 Lyuba 死于 40000 年前,死时只有一个月大。得益于永久冻土层的保护,它的保存状况好到惊人 | 图/维基百科

考古学家常常能在冻土层里挖出些好东西。比如 2003 年,一支研究团队在加拿大育空领地蓟溪的永久冻土层里发现了一块马腿骨化石,它残存了一小部分胶原和血液,距今约 56 万至 78 万年。

2013 年,人们从它内部获取了当时已知的最古老 DNA 样本——这项纪录保持了数年,才刚刚被打破。

你没看错,北美洲不但曾经有马类存在,而且是马的发源地,它们直到两万年前才灭绝。图中的始祖马体型和你家猫咪差不多 | 图/维基百科

就在最近,一支成员来自九个不同国家的科考团队在《自然》杂志上发表文章,称他们在对一批猛犸象牙进行基因测序后,发现其中部分化石有至少 100 万年的历史,其中最久远的甚至长达 160 万年。

这一新发现不仅为猛犸象的进化史提供了令人兴奋的新资料,还展示出一支前所未见的古猛犸象世系。

和地蓟溪马骨类似,这批猛犸象牙也出土自北极圈附近永久冻土层,不过不在北美,而在俄罗斯的西伯利亚地区。

根据化石的结构形态、沉积层的地质年代,以及对遗传物质的分析,研究小组将它们命名为克列斯托夫卡(Krestovka)、阿德恰(Adycha)和楚科奇(Chukochya)。距离现今最近的楚科奇也有 50 至 80 万年历史,最久远的克列斯托夫卡则可能距今 160 万年。

人们印象中的猛犸象,是一种肩高四米、重达十吨、浑身长毛的巨型长鼻目生物,如果丢到白垩纪时代,也许能和霸王龙一战。然而这种形象仅仅属于其末裔,它们并不是从一开始就长这样。

猛犸象起源于 500 万年前,从老家非洲一路向北迁徙至欧洲,最终扩散到北美。直到尼罗河畔的人类开始修金字塔的年代,它们才彻底灭绝。

西伯利亚北部一处湖泊又挖出了一具万年前的猛犸遗骸。这种大型生物的灭绝,和人类有着不小关系 | 图/CGTN资讯

已经灭绝的古生物千千万万,而猛犸象绝对是大众认知度最高的物种之一?为什么?这当然和它们威武雄壮,吸人眼球的体态有关,但还有个原因在于猛犸象化石数量庞大——尤其是象牙,据说十三世纪蒙古大汗贵由的王座甚至是以猛犸象象牙制成的。

但为什么是象牙?

因为象牙不仅是长鼻目动物最容易识别的骨骼,也是最坚固的。实际上,你无法在大多数出土象牙附近找到它遗骸其他部分,因为它们已经朽坏殆尽。至于其他动物骨骼的坚固程度,还不及猛犸象。

猛犸象标本。大象的臼齿也属于象牙。这次的 DNA,就是从它们的臼齿中提取出来的 | 图/维基百科

所以,要寻找世界上最古老的 DNA,猛犸象的象牙绝对是第一选择。

事实也的确如此。

这批象牙,其实早在上世纪 70 年代就出土了,但直到最近这十年,人们才有能力从中提取 DNA,并加以测序分析。二十年前,科学家仅能对几千几万条基因进行排序,十年前,这个数字增加到了几百万,而这个项目中,科研团队成功读取到了十数亿的序列。

所谓「读取」,是指分离 DNA 片段的 30 至 60 个碱基对。如果我们将获得的 DNA 片段比作书本,那么读取到的每个碱基对相当于书本中的一个字,而这样的书本数量惊人——哺乳动物基因组的碱基对总数超过三十亿。

想对浩如烟海的 DNA 数据进行分析,就要对它们进行排序,绘制基因图谱。往细了说,人们需要先找到现存生物中与该灭绝物种亲缘最接近的物种,获取它们的基因图谱,再让计算机进行分析,把灭绝物种的 DNA 碎片尽量匹配到亲缘物种相似度高的段落之中。

当这一步完成后,人们再对两张图谱进行比对,并推导出已灭绝物种的性状,比如有没有被毛,或者是否存在某些先天缺陷。

基因突变对果蝇性状的影响。研究已经灭绝的哺乳动物当然不会像研究果蝇那么简单,但道理是一样的 | 图/B站@不务正业的科研狗

而具体到这件事,最麻烦的地方在于人们获取的猛犸象 DNA 经历了 160 万年时光摧残,已经残破不堪。

研究团队领袖 Patrícia Pečnerová 形象地将猛犸象基因排序比喻成玩拼图。相比用一千块小拼图组成图像,一万块拼图无疑要困难上许多。更糟糕的是,他们能参考的还不是原图,而是其他大象的图谱。

此外,由于碎片化程度严重,一个 DNA 片段似乎经常能够填充到图谱的数个不同部分。

确认 DNA 的位置,然后想方设法弄清其含义是一个漫长的过程,好在这个国际研究小组终于取得了突破。

在研究克列斯托夫卡化石和北美哥伦比亚猛犸象的关系时,研究人员突然意识到了许多基因为什么看起来如此怪异——因为他们的研究对象来自一个完全未知的猛犸象世系,它们在更新世与长毛猛犸象共同生活在西伯利亚地区。

到目前为止,还没有其他化石能提供更多关于这种猛犸象的细节。

草原猛犸象骨架。一个小知识:我们在博物馆见到的古生物大型骨架,基本上都只是树脂模型,真货可经不起组装悬挂的连番折腾 | 图/维基百科

而从基因来看,克列斯托夫卡世系的猛犸象似乎与长毛猛犸象杂交,导致了北美哥伦比亚猛犸象的诞生。换言之,人们发现了从西伯利亚迁徙至北美的猛犸象祖先。

以此来看,基因高度不同的物种杂交可能并不鲜见,即使没有人类的直接参与(比如让马和驴生下骡子),也一样会发生。

猛犸象的历史似乎比人们预想的要复杂得多。对于哺乳动物之间的杂交,我们尚未深入了解,所以本次发现意义重大。而这也是基因研究的价值所在。

在整个十八十九世纪,以及二十世纪的绝大多数时间里,古生物学家只能通过化石对那些消逝已久的生物进行形态学分析,但如果只是测量骨骼,是无法获得今天这样的发现的。

这支研究团队也希望他们的成功能够鼓励其他科学家去化石中寻找同样古老的 DNA。

腱龙 图/维基百科

弯龙 图/维基百科

禽龙 图/维基百科

禽龙从十九世纪至今的形象变化,说明形态学分析可以多么不靠谱。比如第一张图里它鼻尖的突刺,其实长在大拇指的位置

事实上,同样在今年年初,另一支科研团队在高加索山脉发现了一批洞熊头骨,并成功提取了部分 DNA。

这些洞熊生活在 36 万年前。对大众而言,洞熊的知名度可能不如猛犸象,但它却是很重要的物种。洞熊比今天的棕熊大了近三分之一,120 万年前和其他的熊类分支开,并最终灭亡于 2.5 万年前。

新的洞熊化石当然有利于演化论的完善,而它们的出土地点更加重要——因为那里属于温带,而传统上人们相信 DNA 在温暖地区很难得到保存。这项发现表明,我们完全可以在永久冻土层之外寻找距今约 50 万年的古老 DNA。

不止猛犸或者洞熊,人们对于哺乳动物这 100 万年来的演化历程,还有很多未知。而随着技术的进步,从更古老或保存更差的化石中获取信息的时机已经成熟。

这些信息包括了 DNA、蛋白质及其他保存完好的生物分子。我们将对物种、种群和生态系统的演化有更多的了解。可以想见,接下来还会有其他许多令人惊讶的发现。

[1]Patrícia Pečnerová, et al.(2017).Genome-Based Sexing Provides Clues about Behavior and Social Structure in the Woolly Mammoth

[2] Agnolin, F. L.; Chiarelli, P. (2009). The position of the claws in Noasauridae (Dinosauria: Abelisauroidea) and its implications for abelisauroid manus evolution

[3]Fisher, D,et al.(March 2012). Anatomy, death, and preservation of a woolly mammoth (Mammuthus primigenius) calf, Yamal Peninsula, northwest Siberia

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