Что год грядущий нам готовит? В 2021 году палеогенетикам впервые удалось преодолеть возраст древней ДНК, считавшийся до этого предельным: 1 млн лет. Речь шла о зубах мамонтов из Якутии. Теперь, похоже, рекорд превышен сразу вдвое. Конечно, это удалось в том числе благодаря особым условиям многолетней мерзлоты Земли Пири — полуострова на крайнем севере Гренландии. Здесь находится формация Кап-Копенгаген, которую учёные исследуют уже почти 40 лет. Сейчас Земля Пири представляет собой полярную пустыню, но когда-то, сотни тысяч лет назад, климат здесь был существенно более тёплым, со средними температурами на 10 градусов выше, чем сейчас. На свободной ото льда земле росли леса и, видимо, фауна была разнообразной. Тогда и сформировалась 90-метровая толща отложений, богатых органикой — формация Кап-Копенгаген.
О том, что на севере Гренландии бурлила жизнь, говорят многочисленные находки остатков древних растений и насекомых, хотя со следами позвоночных палеонтологам повезло меньше: найдены только кости ископаемого зайца. Кроме того, судя по присутствию остатков жуков-навозников, существовала обильная среда для их жизнедеятельности — навоз. Сами отложения, по-видимому, сформированы потоками воды, смывавшими органические остатки с берега в море, где они перемешивались с илом и песком (да простят меня геологи за такое упрощение).
Статья, посвящённая всестороннему исследованию формации Кап-Копенгаген, вышла в Nature. Отрадно, что в международный коллектив авторов входят и российские ученые — палеонтолог Алексей Тесаков и палинолог Александра Симакова из Геологического института РАН.
Усилиями специалистов отложения Кап-Копенгаген удалось довольно точно датировать. Помогло сочетание палеомагнетизма и активно используемого сейчас метода космогенных нуклидов. Установлено, что во время формирования отложений произошла инверсия магнитного поля Земли — с обратной направленности на нормальную. В раннем плейстоцене такое событие происходило трижды: 1,93 млн лет, 2,14 млн лет и 2,58 млн лет назад.
Соотнеся эти результаты с абсолютными датировками, данными геологов и палеонтологов, исследователи пришли к выводу, что формация Кап-Копенгаген сформировалась примерно 2 млн лет назад, причём в течение относительно короткого интервала времени — 20 тысяч лет. Возможно ли, что в столь древних породах ещё осталась ископаемая ДНК? Надо сказать, что исследования экосистемной ДНК, т.е. ДНК из осадочных пород, проводятся уже ряд лет, но раньше речь шла о гораздо более молодых отложениях. Читатели, быть может, помнят о следах неандертальцев и денисовцев на ряде памятников Евразии, полученных таким методом в 2017 году.
Образцы для исследования в Кап-Копенгаген собирались с 2006 года с чрезвычайными предосторожностями, ведь самую большую опасность для палеогенетиков представляет загрязнение исследуемого материала современной ДНК. Замороженные образцы доставлялись в лабораторию в Копенгагене (можете самостоятельно измерить расстояние от Земли Пири до столицы Дании). Вся работа велась одноразовыми инструментами; из кернов вырезалась внутренняя часть и хранились при температуре ниже −22-х градусов Цельсия.
Исследователи рассчитали, что если это место оставалось замороженным, то в 2-миллионолетней породе ещё могли сохраниться кусочки ДНК длиной в 50 пар нуклеотидов. По мнению учёных, сохранению генетических последовательностей способствовал минеральный состав морских отложений. Исследования показали, что кварц, а также глинистые минералы, особенно смектит, способны поглощать ДНК, которая оказывается защищённой от распада.
Генетические цепочки длиной более 30 нуклеотидных пар удалось получить из 40 образцов, собранных на пяти разных участках формации Кап-Копенгаген. Полученные последовательности проанализировали на наличие пластомной ДНК растений, а также митохондриальной ДНК млекопитающих, сопоставляя с базами данных по современным организмам. Что же показал анализ?
Из 102 родов растений, обнаруженных в образцах, 70 родов до сих пор произрастают в Гренландии. Правда, большинство из них сейчас встречаются значительно южнее Земли Пири. Больше всего обнаружено генетических последовательностей ивы, дриады, вакциниума, берёзы, осоки и хвоща. Многие найденные роды в Гренландии сейчас вообще не растут, но встречаются в лесах континентальной Северной Америки, там, где нет многолетней мерзлоты, а температура повыше.
Затем исследователи изучили пыльцу и ископаемые остатки растений в тех же образцах. 39 родов растений, определённых по пыльце и палеонтологии, соответствовали родам, идентифицированным по ДНК. На самом деле, совпали ещё 39 таксонов, но их не удалось определить на уровне рода. Учитывая неполноту палеонтологической летописи, исследователи считают такое совпадение очень хорошим. 24 рода выявлены только по ДНК — в том числе тополь, несколько кустарников и множество травянистых растений.
Дополнительно, исследователи попробовали определить возраст найденной ДНК методом молекулярных часов, взяв для этого генетические последовательности берёзы. У них получилось в среднем 1,3 млн лет. Верхний предел датировок упирается в 2 млн лет, что подтверждает геологическое определение возраста.
Но что мы всё о растениях, что там с животинками? Генетических следов животных нашлось существенно меньше, чем растений. Самая интересная находка — это ДНК мастодонта (Mammut), которую тоже датировали методом молекулярных часов (разные варианты методики дали 1,2 млн лет и 5,2 млн лет).
Кроме того, нашли генетические последовательности северного оленя, кого-то вроде полёвки или лемминга (определили на уровне подсемейства Arvicolinae), зайца и, наконец, казарки. Помним, что зайцы — единственные млекопитающие, чьи кости найдены в Кап-Копенгаген. Гренландские лемминги до сих пор живут в Гренландии, как и карибу — северные олени. А вот слоновых в Гренландии до сих пор как-то не замечали.
Млекопитающими и птицами дело не ограничилось. Кроме того, идентифицированы рифообразующий коралл, муравьи, блохи и мечехвосты. Исследователи считают, что следов насекомых могло быть и побольше — палеонтологами найдены останки более 200 видов. Но, возможно, скудность определений ДНК — следствие того, что многие вымершие виды были родственны друг другу, так что их генетические последовательности оказались неразличимы, а кроме того, они недостаточно представлены в используемых базах данных. А вот мечехвоста сложно с кем-то спутать. Сегодня мечехвосты не нерестятся севернее 45-й широты. Вот ещё одно свидетельство того, что в раннем плейстоцене у берегов Земли Пири вода была гораздо теплее, чем сейчас. Это подтверждается и наличием ДНК двадцати четырёх таксонов морского планктона.
Итак, полученная древняя ДНК ставит новый рекорд в палеогенетике. Обнаружены генетические следы растений, которых в Гренландии раньше не находили. Не знали палеонтологи и о том, что 2 млн лет назад на Земле Пири жили олени и мастодонты, наряду с зайцами, гусеобразными и леммингами. Мастодонт — крупное животное, ему нужно много кушать, а его навоз — хорошее удобрение, а значит, экосистема была разнообразной и продуктивной. В целом получается смесь видов арктических и умеренных широт — подобных экосистем сейчас на планете нет. А почему не нашли следов хищных животных, ведь они наверняка здесь встречались? Вероятно, это связано с тем, что растительноядные более многочисленны и их биомасса как правило существенно больше, чем биомасса тех, кто ими питается. Поэтому и шанс найти ДНК древнего травоядного выше.
По мнению исследователей, подобный подход открывает новые возможности для реконструкции древних экосистем. Становится доступной информация, которую не получить другими методами, хотя, конечно, у нового подхода есть ограничения. И это не только сохранность древней ДНК, для чего требуются особые условия многолетней мерзлоты. Можно заметить, что разрешающая способность методики порой невысока — на это обратил внимание, например, палеонтолог Алексей Бондарев, который пишет в обзоре на «Элементах»:
«Если по эДНК древнего зайца из 17 проб можно описать его как «какого-то зайца, базального на филогенетическом древе относительно выборки современных геномов», то по единственному зубу из обломка черепа можно сказать, что это был заяц конкретного вымершего рода Hypolagus sp.».
Сама методика пока что очень дорогая, но технологии развиваются быстро и дешевеют, так что, возможно, лет через 5—10 такой подход станет заурядной частью палеонтологических изысканий в высоких широтах. А до какой глубины доберутся палеогенетики? Перешагнут ли 3 миллиона лет? Увидим — возможно, уже в наступающем году.