Bereits 2006 wagten sich Eske Willerslev und Mitglieder seines Labors mit einem Bohrer nach Nordgrönland, um Sedimentkerne aus der Kap-København-Formation zu entnehmen. Sie suchten in ihren Kernen nach Umwelt-DNA oder eDNA – Puzzleteilen, die helfen könnten, ein Bild der Pflanzen und Tiere zu zeichnen, die vor 2 Millionen Jahren in der Region vorhanden waren.
Doch die längste Zeit gingen sie leer aus. „Jedes Mal, wenn wir Verbesserungen in Bezug auf die DNA-Extraktions- oder Sequenzierungstechnologie hatten, haben wir diese Proben erneut überprüft“, sagte Willerslev, Evolutionsgenetiker an der Universität Cambridge, in einer Pressekonferenz am Dienstag.
Egal was, die Forscher konnten nicht bekommen, wonach sie suchten. Die Pechsträhne führte dazu, dass sich Mitglieder des Labors für eine Erklärung an das Okkulte wandten; Sie nannten ihre Probleme “den Fluch der Kap København-Formation”.
Aber mit stetigen Verbesserungen der DNA-Extraktions- und Sequenzierungstechnologien wurde der Fluch endlich gebrochen.
Am Mittwoch, das Team veröffentlichten die Ergebnisse ihrer 16-jährigen Suche nach alter DNA in der Zeitschrift Nature. Sie waren in der Lage, eDNA aus 41 Sedimentproben zu sequenzieren, die 2006, 2012 und 2016 aus der Kap-København-Formation gesammelt und 2 Millionen Jahre lang von Menschen ungestört waren. Ihre Analysen ergaben, dass einst ein üppiger Wald voller Rentiere, Hasen, Mastodons und einer großen Vielfalt an Pflanzen in der heutigen grauen Polarwüste stand.
Willerslev, ein bahnbrechender Genetiker, der zuvor eDNA aus Eisbohrkernen gewonnen und gezeigt hat, dass sie in Gletschern überleben kann, stellte fest, dass der „Durchbruch“ auf Fachwissen, Fortschritten bei genetischen Sequenzierungstechniken und Bioinformatik beruhte.
Geschichte im Boden
DNA, die die Anweisungen für das Leben trägt, ist kein besonders robustes Molekül. Die Bindungen, die es zusammenhalten, sind schwach und brechen mit der Zeit zusammen.
Aus diesem Grund haben wir, obwohl wir eine Fülle von Dinosaurierfossilien haben, keine Dinosaurier-DNA. Die Bestien starben vor 66 Millionen Jahren aus, und die DNA würde einfach nicht so lange überleben.
Wenn die DNA abgebaut wird, zerfallen die einst langen Informationsstränge in immer kleinere Stücke. Es wird fast unmöglich, diese Fragmente in der richtigen Konfiguration wieder zusammenzusetzen, besonders wenn sie mit viel anderer DNA aus der Umgebung vermischt sind.
Willerslev und ein Kollege beim Sammeln von Proben in Nordgrönland.
Mit freundlicher Genehmigung von NOVA/HHMI Tangled Bank Studios/Handful of Films
Stellen Sie sich DNA wie ein Buch vor. Sagen wir Alice im Wunderland. Wenn Sie das ganze Buch haben, können Sie die Geschichte verstehen. Aber wenn Sie ein paar Seiten vermissen, verstehen Sie vielleicht nicht, woher das weiße Kaninchen kam oder warum Alice mit dem verrückten Hutmacher auf einer Teeparty landete. Wenn Ihnen viele Seiten fehlen, können Sie wahrscheinlich nicht einmal sagen, womit die Geschichte begonnen hat. Alice? Wer ist er? Und warum ist sie 10 Fuß groß?
Das ist das Problem bei der Arbeit mit alter DNA. Sie können möglicherweise kleine DNA-Fragmente abrufen, aber sie ist im Allgemeinen zu fragmentiert, um zu erkennen, woher sie stammt – und sicherlich zu fragmentiert, um zu verstehen, woher sie stammt.
Aber unter bestimmten Umständen können DNA-Fragmente die Tiefen der Zeit überleben.
“Die ‘Überlebenszeit’ der DNA in der Umwelt ist unglaublich variabel und stark von der Umgebung selbst abhängig”, bemerkt Michael Knapp, Ökologe und Genetiker an der Otago University in Neuseeland.
Zuvor stammte die älteste jemals geborgene DNA aus Mammutfossilien, die im sibirischen Permafrost gefunden wurden. In einem Nature-Artikel aus dem Jahr 2021 zeigten Forscher, dass die DNA von Mammutzähnen möglicherweise etwa 1,6 Millionen Jahre alt war. Die gewonnene DNA wurde in kleine Fragmente zerlegt, aber sie wurden nicht so stark abgebaut, dass sie nicht wieder zusammengesetzt werden konnten. Die Kälte des Permafrosts hat sicherlich dazu beigetragen.
In der neuen Studie ist es ähnlich.
Willerslev und seine Mitarbeiter postulieren, dass die lange Überlebenszeit der DNA in ihren Sedimentkernen aus zwei Gründen möglich war. Die erste ist die konstante Kälte der Polarwüste. Die zweite ist die Art und Weise, wie die DNA an Mineralien in den Kernen gebunden ist, wodurch ein Abbau über längere Zeiträume verhindert wird. Die Idee ist, dass diese mineralischen Oberflächen verhindern, dass Enzyme die DNA abbauen.
Karina Sand, Geochemikerin an der Universität Kopenhagen und Co-Autorin des Artikels, erklärte, dass einer der technologischen Sprünge, die dieses Kunststück ermöglichten, die Extraktion von DNA aus Ton- und Quarzmineralien war. Letzteres lieferte eine Fülle von DNA, aber aus Ersterem war es schwieriger, gute DNA zu extrahieren. Glücklicherweise lässt das die Tür für noch ältere DNA-Extraktion offen.
„Wenn wir die DNA aus den Tonmineralien besser extrahieren können, glauben wir, dass wir mit der DNA weiter in die Vergangenheit zurückgehen können“, sagte sie.
Das Forschungsteam konnte DNA aus den Sedimentkernen extrahieren und damit beginnen, die überlebenden Fragmente zu lesen. Diese Fragmente wurden dann mit einer Datenbank von Genomen (vollständige DNA-Sequenzen) moderner Pflanzen und Tiere verglichen, um nach DNA-Übereinstimmungen zu suchen. Im Laufe der Zeit konnten sie die leeren Seiten der Geschichte füllen und das blühende Ökosystem des alten Grönlands demonstrieren.
Der Urwald Grönlands
Vor zwei Millionen Jahren war Grönland ein anderer Ort.
„Das Ökosystem von Kap København, das kein heutiges Äquivalent hat, existierte bei erheblich höheren Temperaturen als heute“, bemerkte Mikkel Pederson, Genetiker am Lundbeck Foundation GeoGenetics Centre, in einer Pressemitteilung.
In Nordgrönland lagen die Durchschnittstemperaturen in dieser Zeit wahrscheinlich um mehr als 11 Grad Celsius (etwa 20 Grad Fahrenheit) höher als heute. Frühere Studien am Kap København haben gezeigt, dass dort ein borealer Wald beheimatet war, aber die in der neuen Studie extrahierte und analysierte eDNA bietet eine vollständige Neuinterpretation des Gebiets und fügt Megafauna und eine große Vielfalt an Pflanzen hinzu.
Die in den Kernen gefundene Schlagzeilen-Säugetier-DNA ist zweifellos das Mastodon – das dank sozialer Medien einen kleinen Moment hat. Einige der gefundenen eDNAs stimmten mit der Familie Elephantidae überein, zu der Elefanten, Mammuts und Mastodons gehören. Es scheint, dass Mastodons vor 2 Millionen Jahren Grönland durchstreift haben, obwohl die Forscher anmerken, dass die Beweise nicht sehr stark sind und auf relativ schwachen DNA-Übereinstimmungen beruhen.
Eine Sedimentkernprobe, die von einem Forscher vorbereitet wird.
Mit freundlicher Genehmigung von NOVA/HHMI Tangled Bank Studios/Handful of Films
Das Team fand auch DNA, die mit Rentieren, Hasen und Kaninchen und der Unterfamilie von Tieren verwandt ist, zu der Lemminge, Wühlmäuse und Bisamratten gehören. Besonders fehlt jedoch DNA von Fleischfressern. Die Forscher vermuten, dass dies an ihrer vergleichsweise geringen Biomasse im Vergleich zu den Pflanzenfressern liegt. “Es ist im Grunde ein Zahlenspiel”, sagte Willerslev.
Einer der faszinierenderen DNA-Funde ist der des Atlantischen Pfeilschwanzkrebses. Die Art kommt in solchen nördlichen Breiten nicht mehr vor, und die Autoren vermuten, dass dies bedeuten könnte, dass Kap København vor 2 Millionen Jahren wärmere Meeresoberflächentemperaturen erlebte. Frühere Forschungen haben ergeben, dass die Meeresoberfläche in höheren Breiten wärmer warund die Entdeckung von Pfeilschwanzkrebs-DNA verleiht dieser Hypothese weitere Unterstützung.
Wärmere Temperaturen sind der Schlüssel. Mehrere Autoren des Papiers haben erneut betont, wie wichtig es ist, ein solches Ökosystem angesichts der Auswirkungen der globalen Erwärmung zu verstehen. Vor zwei Millionen Jahren veränderte sich das Klima und die eDNA zeigt, dass arktische Arten mit Arten zusammenlebten, die viel wärmere Gefilde liebten. Dies hilft Wissenschaftlern, ein Verständnis dafür zu bekommen, wie sich die Natur an diese Veränderungen angepasst hat, und in den DNA-Signaturen gibt es möglicherweise Hinweise darauf, wie wir der heutigen Fauna und Flora helfen könnten, extreme Klimaschwankungen zu überleben.
Eine der erheblichen Einschränkungen beim Studium der eDNA besteht darin, dass Wissenschaftler über die Arten von Arten, die zu dieser Zeit lebten, postulieren müssen. Knapp stellt fest, dass eng verwandte alte Arten Ihnen eine DNA-Übereinstimmung geben könnten, aber dies ist „etwas ungenau“ – es liefert eine Annäherung an das, was existierte. Wir können die DNA möglicherweise nur auf Familien- oder Ordnungsebene zuordnen, daher können wir nicht genau wissen, was vor 2 Millionen Jahren den borealen Wald Grönlands durchstreifte.
Trotzdem öffnet die Gewinnung so alter DNA ein neues Fenster zur prähistorischen Erde, einen Weg für Wissenschaftler und Forscher, um die Ökosysteme zu untersuchen, die existierten, lange bevor es Menschen gab. Das Team wird nächstes Jahr nach Nordkanada reisen, um Kerne zu extrahieren, und hofft, noch weiter in die Vergangenheit reisen zu können.
Die Extraktionsmethode kann sich sogar dazu eignen, DNA in feuchteren Klimazonen auf der ganzen Welt zu finden, wie in Afrika und Australien.
„Wenn wir anfangen können, alte DNA in Tonkörnern aus Afrika zu erforschen, können wir möglicherweise bahnbrechende Informationen über den Ursprung vieler verschiedener Arten sammeln – vielleicht sogar neues Wissen über die ersten Menschen und ihre Vorfahren“, sagte Willerslev in einem Aussage.
“Die Möglichkeiten sind endlos.”