位于加拿大巴芬島北極圈的高處，不到10米的水和更多的泥漿，保存著地球前世的冷藏檔案。一個名為CF8的小湖中的深層沉積物擁有古老的花粉和植物化石。但是現(xiàn)在看來，泥漿還藏著其他東西：距今Eemian的遠古DNA，這是125,000年前的北極，當時北極地區(qū)比今天溫暖，而植被遺留下來的痕跡使它們消失了。

“我們有信心獲得真正的結(jié)果，”介紹這項工作的科羅拉多大學古氣候?qū)W家莎拉·克魯姆(Sarah Crump)說在本周的美國地球物理聯(lián)盟年會上。她承認這一發(fā)現(xiàn)需要得到證實。但是，如果堅持下去，就可以打開北極高海拔生態(tài)系統(tǒng)的窗口，而此時溫度要比今天高出幾度。這也將證明沉積DNA的強大功能，以顯示北極植物如何對過去的氣候變化做出反應(yīng)，從而暗示它們將來的反應(yīng)方式。“我們現(xiàn)在認為這對于重建生物多樣性確實是一個有用的信號，”德國波茨坦的阿爾弗雷德·韋格納研究所的古生態(tài)學家烏爾里克·赫茲舒(Urrike Herzschuh)說，他使用這項技術(shù)研究了俄羅斯西伯利亞的落葉松林如何反應(yīng)在大約12,000年前的最后一個冰河時代結(jié)束之后。

盡管尋找沉積物中保存的DNA的片段始于20年前，但由于基因測序的成本直線下降，在過去的幾年中這種方法開始了。由于低溫有助于保存DNA，北極一直是狩獵的主要場所，吸引了遺傳學家和地球科學家對多年凍土，洞穴土壤和其他環(huán)境進行采樣，尋找曾經(jīng)漫游于此的巨型冰河時代動物的分子線索。

近來，北極湖泊已經(jīng)成為沉積古代DNA的主要檔案庫，因為它們收集了整個生態(tài)系統(tǒng)的線索。葉子，花朵，糞便-生活在湖周圍的每種生物的一部分最終都落入水中。挪威特羅姆瑟市北極大學(UiT)的分子古生物學家彼得·海因茨曼(Peter Heintzman)說：“那里的DNA混合物非常復雜。”DNA通過腐爛從細胞中彈出，然后附著在礦物顆?；蛴袡C化合物上，從而提供保護，防止紫外線輻射和氧化。湖底的溫度徘徊在冰點之上，保持DNA穩(wěn)定。一年又一年，沉積物不斷積累，其層使DNA的沉積物清晰可見。

傳統(tǒng)上，科學家使用湖床核心的花粉粒研究過去的植物群落。但是，北極地區(qū)的大多數(shù)植物都是通過昆蟲而不是通過風來授粉的，因此土壤中幾乎沒有花粉，遠處也可能吹散了花粉。湖泊沉積物中的DNA更準確地反映了附近發(fā)現(xiàn)的植物和野生動植物。例如，在上個月發(fā)表于《全球變化生物學》的一項研究中，Crump等人使用古老的DNA來證明，在上個冰期之后地球變暖之后，矮樺木比研究人員從花粉得出的結(jié)論晚了2000年到達巴芬島。 ?？藗惼照f：“花粉的記錄有些偏頗，使我們相信遷移是迅速的，而事實上遷移速度較慢并且受到遷移壁壘的抑制。”

提取DNA并不容易?？茖W家必須小心收集樣本(通常為1克泥漿)，而不會被現(xiàn)代DNA污染。然后，在一個干凈的實驗室中，必須經(jīng)過反復嘗試的艱苦過程才能提取DNA。加州大學圣克魯斯分校的進化生物學家貝絲·夏皮羅(Beth Shapiro)說：“沒有最有效的方法來清除這些物質(zhì)。”富含有機物的土壤似乎特別成問題。它們已經(jīng)成熟，具有腐殖酸之類的分子，其行為類似于DNA，并可能妨礙以后的測序。

為了鑒定最終產(chǎn)生的DNA混雜物中的植物物種(其中大部分來自微生物)，研究人員經(jīng)常求助于元條形碼技術(shù)，該技術(shù)靶向并擴增幾乎在植物中普遍存在但被物種獨特的部分包圍的DNA片段。其他研究人員只需對樣品中的所有DNA進行測序，然后對結(jié)果進行篩查以獲取遺傳金，或使用可以捕獲植物DNA短鏈的遺傳探針。但是現(xiàn)有的植物序列數(shù)據(jù)庫并不總是足夠可靠以識別沉積物中的物種。UiT的古植物學家Inger Alsos說：“上傳了許多錯誤的序列。”

為了解決這個問題，索爾斯和她的同伴們幾乎完成了為北極植物創(chuàng)建一個名為PhyloNorway的完整基因組參考文庫，其中包含約2000種。(對阿爾卑斯山的類似努力描述了4000種。)有了這些改進的數(shù)據(jù)庫，索爾斯和她的合作者正在取樣超過三打的湖泊在挪威北部和阿爾卑斯山，研究灌木如何在最后一個冰河時代結(jié)束時在苔原上擴散。另一個名為“未來北極生態(tài)系統(tǒng)”的歐洲項目將研究北極圈內(nèi)大陸的十幾個湖芯，研究氣候和大型食草動物(如猛mm象)在塑造過去植物種群方面的雙重作用。其他研究人員正在對中國西藏東南部的湖泊或懷俄明州的Tetons進行采樣。

早期結(jié)果挑戰(zhàn)了一個簡單的觀念，即氣候變化會觸發(fā)植物物種的批發(fā)周轉(zhuǎn)。“這通常是胡說八道，”赫茲楚說。以她學習的西伯利亞落葉松森林為例。赫茨楚(Herzschuh)發(fā)現(xiàn)，盡管喜歡較冷的氣候，但在最后一次冰河時期之后，隨著地球變暖，某些落葉松物種并未向北移動。她建議，取而代之的是，變暖使森林變得更茂密，這有利于喜歡落葉松的落葉松。Alsos正在研究位于俄羅斯烏拉爾山脈北端的Bolshoye Shchuchye湖的核心，該故事講述了一個相關(guān)故事。DNA表明，隨著該地區(qū)變暖，入侵的植物更高：首先是灌木，然后是樹木。但是北極的花朵持續(xù)存在，也許是在上坡時退縮了。