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(gè)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(lái)，泥漿還藏著其他東西：距今Eemian的遠(yuǎn)古DNA，這是125,000年前的北極，當(dāng)時(shí)北極地區(qū)比今天溫暖，而植被遺留下來(lái)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(xiàng)工作的科羅拉多大學(xué)古氣候?qū)W家莎拉·克魯姆(Sarah Crump)說(shuō)在本周的美國(guó)地球物理聯(lián)盟年會(huì)上。她承認(rèn)這一發(fā)現(xiàn)需要得到證實(shí)。但是，如果堅(jiān)持下去，就可以打開(kāi)北極高海拔生態(tài)系統(tǒng)的窗口，而此時(shí)溫度要比今天高出幾度。這也將證明沉積DNA的強(qiáng)大功能，以顯示北極植物如何對(duì)過(guò)去的氣候變化做出反應(yīng)，從而暗示它們將來(lái)的反應(yīng)方式。“我們現(xiàn)在認(rèn)為這對(duì)于重建生物多樣性確實(shí)是一個(gè)有用的信號(hào)，”德國(guó)波茨坦的阿爾弗雷德·韋格納研究所的古生態(tài)學(xué)家烏爾里克·赫茲舒(Urrike Herzschuh)說(shuō)，他使用這項(xiàng)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(gè)冰河時(shí)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(cè)序的成本直線下降，在過(guò)去的幾年中這種方法開(kāi)始了。由于低溫有助于保存DNA，北極一直是狩獵的主要場(chǎng)所，吸引了遺傳學(xué)家和地球科學(xué)家對(duì)多年凍土，洞穴土壤和其他環(huán)境進(jìn)行采樣，尋找曾經(jīng)漫游于此的巨型冰河時(shí)代動(dòng)物的分子線索。

近來(lái)，北極湖泊已經(jīng)成為沉積古代DNA的主要檔案庫(kù)，因?yàn)樗鼈兪占苏麄€(gè)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(xué)(UiT)的分子古生物學(xué)家彼得·海因茨曼(Peter Heintzman)說(shuō)：“那里的DNA混合物非常復(fù)雜。”DNA通過(guò)腐爛從細(xì)胞中彈出，然后附著在礦物顆?；蛴袡C(jī)化合物上，從而提供保護(hù)，防止紫外線輻射和氧化。湖底的溫度徘徊在冰點(diǎn)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(jiàn)。

傳統(tǒng)上，科學(xué)家使用湖床核心的花粉粒研究過(guò)去的植物群落。但是，北極地區(qū)的大多數(shù)植物都是通過(guò)昆蟲(chóng)而不是通過(guò)風(fēng)來(lái)授粉的，因此土壤中幾乎沒(méi)有花粉，遠(yuǎn)處也可能吹散了花粉。湖泊沉積物中的DNA更準(zhǔn)確地反映了附近發(fā)現(xiàn)的植物和野生動(dòng)植物。例如，在上個(gè)月發(fā)表于《全球變化生物學(xué)》的一項(xiàng)研究中，Crump等人使用古老的DNA來(lái)證明，在上個(gè)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(dá)巴芬島。 ?？藗惼照f(shuō)：“花粉的記錄有些偏頗，使我們相信遷移是迅速的，而事實(shí)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(xué)家必須小心收集樣本(通常為1克泥漿)，而不會(huì)被現(xiàn)代DNA污染。然后，在一個(gè)干凈的實(shí)驗(yàn)室中，必須經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試的艱苦過(guò)程才能提取DNA。加州大學(xué)圣克魯斯分校的進(jìn)化生物學(xué)家貝絲·夏皮羅(Beth Shapiro)說(shuō)：“沒(méi)有最有效的方法來(lái)清除這些物質(zhì)。”富含有機(jī)物的土壤似乎特別成問(wèn)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(cè)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(lái)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(kuò)增幾乎在植物中普遍存在但被物種獨(dú)特的部分包圍的DNA片段。其他研究人員只需對(duì)樣品中的所有DNA進(jìn)行測(cè)序，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)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(kù)并不總是足夠可靠以識(shí)別沉積物中的物種。UiT的古植物學(xué)家Inger Alsos說(shuō)：“上傳了許多錯(cuò)誤的序列。”

為了解決這個(gè)問(wèn)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(gè)名為PhyloNorway的完整基因組參考文庫(kù)，其中包含約2000種。(對(duì)阿爾卑斯山的類似努力描述了4000種。)有了這些改進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，索爾斯和她的合作者正在取樣超過(guò)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(gè)冰河時(shí)代結(jié)束時(shí)在苔原上擴(kuò)散。另一個(gè)名為“未來(lái)北極生態(tài)系統(tǒng)”的歐洲項(xiàng)目將研究北極圈內(nèi)大陸的十幾個(gè)湖芯，研究氣候和大型食草動(dòng)物(如猛mm象)在塑造過(guò)去植物種群方面的雙重作用。其他研究人員正在對(duì)中國(guó)西藏東南部的湖泊或懷俄明州的Tetons進(jìn)行采樣。

早期結(jié)果挑戰(zhàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的觀念，即氣候變化會(huì)觸發(fā)植物物種的批發(fā)周轉(zhuǎn)。“這通常是胡說(shuō)八道，”赫茲楚說(shuō)。以她學(xué)習(xí)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(shí)期之后，隨著地球變暖，某些落葉松物種并未向北移動(dòng)。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(gè)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(shù)木。但是北極的花朵持續(xù)存在，也許是在上坡時(shí)退縮了。