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Mar. 02 2021

科學家從百萬年前的猛瑪象牙齒中取出了世界上最古老的DNA

  • 100萬年前,西伯利亞的草原猛瑪象帶有許多適應低溫的基因,較晚期的真猛瑪象族群因這些基因而得以茁壯。這幅重建圖的基礎是從科學家曾定序過最古老的DNA中新獲取的知識。ILLUSTRATION BY BETH ZAIKEN, CENTRE FOR PALAEOGENETICS

    100萬年前,西伯利亞的草原猛瑪象帶有許多適應低溫的基因,較晚期的真猛瑪象族群因這些基因而得以茁壯。這幅重建圖的基礎是從科學家曾定序過最古老的DNA中新獲取的知識。ILLUSTRATION BY BETH ZAIKEN, CENTRE FOR PALAEOGENETICS

  • 西伯利亞東北部蘭格爾島(Wrangel Island)的永凍土中有時會冒出真猛瑪象的長牙。蘭格爾島是猛瑪象最後的棲地之一,其中有些猛瑪象存活到公元前2500年,這座島因此成為尋找猛瑪象DNA的實用地點。PHOTOGRAPH BY LOVE DALÉN

    西伯利亞東北部蘭格爾島(Wrangel Island)的永凍土中有時會冒出真猛瑪象的長牙。蘭格爾島是猛瑪象最後的棲地之一,其中有些猛瑪象存活到公元前2500年,這座島因此成為尋找猛瑪象DNA的實用地點。PHOTOGRAPH BY LOVE DALÉN

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這筆破紀錄的遺傳物質為北美猛瑪象的生活與演化提供了新洞見。

100萬年前,西伯利亞的草原猛瑪象帶有許多適應低溫的基因,較晚期的真猛瑪象族群因這些基因而得以茁壯。這幅重建圖的基礎是從科學家曾定序過最古老的DNA中新獲取的知識。ILLUSTRATION BY BETH ZAIKEN, CENTRE FOR PALAEOGENETICS

100萬年前,西伯利亞的草原猛瑪象帶有許多適應低溫的基因,較晚期的真猛瑪象族群因這些基因而得以茁壯。這幅重建圖的基礎是從科學家曾定序過最古老的DNA中新獲取的知識。ILLUSTRATION BY BETH ZAIKEN, CENTRE FOR PALAEOGENETICS

科學家打破古代基因組研究的象徵性屏障,定序出了目前最古老的DNA,由此開啟了一扇前所未有的窗,可藉此一探北美洲已滅絕的冰河期巨獸──哥倫比亞猛獁象(Columbian mammoth)與真猛瑪象(woolly mammoth)的演化過程。

這項成就不大可能會促成哺乳類版本的《侏羅紀公園》風格影劇;這並不是第一篇定序猛瑪象基因組的研究,也沒有讓人類更接近複製猛瑪象使其重生的目標。這篇於2月中發表在《自然》(Nature)期刊上的研究以超過100萬年前的DNA為主題,將已定序最古老基因組的紀錄年代往前推了將近兩倍,為快速成長的古代DNA研究領域樹立了新的里程碑。

這份DNA來自於三顆於1970年代從西伯利亞出土的猛瑪象臼齒,發現者是以猛瑪象研究聞名的學界傳奇人物,俄國古生物學家安德烈.謝爾(Andrei Sher)。研究人員推測這三顆牙齒中最年輕的大約有50萬至80萬年之久,較古老的兩顆年代則介在100萬年至120萬年之間。史上曾經被定序過的第二古老DNA來自加拿大育空地區出土的一匹將近70萬年前的馬化石。

「這個以100萬年為界的神奇屏障被打破以後,就此開啟了一段新的時間區段,也可以說是新的演化觀點,」研究第一作者湯姆.馮德沃克(Tom van der Valk)說,他是烏普薩拉大學的生物資訊學家,在任職於瑞典斯德哥爾摩古遺傳學中心(Centre for Palaeogenetics)時進行這項研究。

這項發現為科學家能掌握的北美洲猛瑪象演化圖像增添了意料之外的細節。舉例來說,這些牙齒的DNA有力地指向北美洲主要的猛瑪象物種,哥倫比亞猛瑪象,是40至50萬年前崛起的一支混血種——真相之所以得以揭露,完全是因為研究中較古老的DNA剛好戲劇性地處在這波雜交之前。「如果我們光看像脊椎動物之類的高階生物,我想不到任何案例曾經成功取得過某一物種起源以前的樣本,」研究共同作者樂弗.達蘭(Love Dalén)說,他是古遺傳學中心的遺傳學家。

DNA紀錄的時間推得越愈遠,科學家就越能夠知曉演化如何運作。這篇研究的成功也顯示出如果有完美的條件,科學家可能可以窺見更深遠的演化過程,甚至可能推至數百萬年以前。(再更久遠的DNA會碎成無法拼湊的過小破片。)

這些牙齒的研究始於2017年,當時古遺傳學中心從俄羅斯科學院收到這些牙齒。一支由現任哥本哈根大學博士後研究員的派翠西亞.潘奈洛娃(Patrícia Pečnerová)所帶領的團隊穿著新冠肺炎時代廣為人知的防護衣,從每一件標本磨下50毫克的骨粉。潘奈洛娃接著小心地以一連串化學浴將DNA濃縮在不比胡椒粒大的點滴液體中,從而自每一搓骨粉中萃取出少量DNA。

「我基本上就是包成一顆戴著口罩和面罩的繭,一切都是為了盡可能降低對樣本的汙染,」潘奈洛娃說。「單顆(人類)細胞可能就這樣掉進管子裡」然後毀了研究樣本。

為這份DNA定序只是第一步。接下來馮德沃克和同事們必須確保他們只專注在真正古老且確定來自猛瑪象的DNA片段。畢竟這些牙齒已經在充滿微生物的永凍土裡埋了100萬年以上,接著在將近50年間又有數不清的科學家或挖掘或經手過它們。除了防堵汙染的努力之外,研究人員還得對付這些牙齒在旅途中沾上的任何多餘DNA。

研究團隊花費數週運算、拆解定序完成的DNA之後,他們成功地準確辨識出35對猛瑪象DNA片段,並且將它們對到猛瑪象在世時長度超過30億對DNA的基因組上。

序列驚喜

新研究已經說明了北美洲猛瑪象如何演化。此外讓科學家震驚的是,新研究的DNA序列年代比北美大陸兩種主要猛瑪象之一的哥倫比亞猛瑪象還要更古老,讓科學家對於猛瑪象的演化有了新的見解。

150萬年前,歐洲與亞洲的草原猛瑪象(steppe mammoth)近親從西伯利亞經由現在沉入白令海峽(Bering Strait)的陸橋抵達美洲。這些新移民稍後造就了哥倫比亞猛瑪象的興起。到了10到20萬年前,主要至少有兩種猛瑪象以北美洲為家:北方的真猛瑪象與遠在南方墨西哥一帶的哥倫比亞猛瑪象。過去的遺傳研究已經告訴科學家哥倫比亞猛瑪象和真猛瑪象會雜交。

科學家長久以來都使用猛瑪象獨特的上臼齒來分辨不同的物種。傳統上,古生物學家依據猛瑪象牙齒化石推測出距今150萬年前以後生活在北美洲的是哥倫比亞猛瑪象。然而雖然化石牙齒紀錄展現出物種上的連續性,新的這篇DNA研究中的基因紀錄則揭露了變化。

新研究中的兩組基因組落在稍後演化出真猛瑪象的系譜中。然而三顆牙齒中最老的那顆──被科學家依出土地點附近的河川暱稱為克雷斯托夫卡(Krestovka)──似乎落在原先未知的基因系譜中,這支系譜大約在150萬年前從另外兩顆牙齒所在的系譜中分出。

西伯利亞東北部蘭格爾島(Wrangel Island)的永凍土中有時會冒出真猛瑪象的長牙。蘭格爾島是猛瑪象最後的棲地之一,其中有些猛瑪象存活到公元前2500年,這座島因此成為尋找猛瑪象DNA的實用地點。PHOTOGRAPH BY LOVE DALÉN

西伯利亞東北部蘭格爾島(Wrangel Island)的永凍土中有時會冒出真猛瑪象的長牙。蘭格爾島是猛瑪象最後的棲地之一,其中有些猛瑪象存活到公元前2500年,這座島因此成為尋找猛瑪象DNA的實用地點。PHOTOGRAPH BY LOVE DALÉN

馮德沃克的團隊將這組神祕的猛瑪象基因組和先前定序過的哥倫比亞猛瑪象DNA做比對之後得到驚人的結論:哥倫比亞長毛象是距今40萬至50萬年前出現的混種,由克雷斯托夫卡猛瑪象和西伯利亞真猛瑪象在西伯利亞、北美洲或白令陸橋上跨種雜交而生。

在大約20萬年前於北美洲發生的第二波雜交以後,哥倫比亞猛瑪象的基因組中又多了11%至13%來自真猛瑪象的基因。直到哥倫比亞猛瑪象於1萬2千年前滅絕之前,牠的基因組大約有60%可追溯至真猛瑪象,另外40%則可追溯至迷樣的克雷斯托夫卡猛瑪象,後者目前的紀錄只有單顆牙齒裡保存的DNA。

這篇研究也展示出猛瑪象多麼擅長且多早就適應了寒冷的氣候。過去的古代DNA研究曾經探究過真猛瑪象如何在低溫中繁盛的遺傳細節。然而真猛瑪象忍受低溫的能耐背後有許多遺傳變異都可以在更早以前的猛瑪象身上找到。新研究發現這些真猛瑪象遺傳變異中至少有85%以上在超過100萬年前就已經出現在牠的古老表親,西伯利亞的草原猛瑪象身上了。

根據化石證據,在這標誌性的100萬年以前,猛瑪象就已經生活在高緯度地區了,所以這些冰霜巨獸能適應寒冷氣候的事實並不叫人意外。然而,這篇研究特殊之處在於,它對這個適應寒冬的過程進行速度略有著墨。猛瑪象似乎按照大致穩定的速度演化出這些適應寒冷的遺傳變異,而非一夕之間完成。

DNA中的細節

古生物學家說,哥倫比亞猛瑪象為混種的消息將會進一步催化正在進行中的重新評估北美猛瑪象的風潮。

近期有研究將猛瑪象的牙齒化石和牠的基因系譜樹做比對,結果發現即便橫跨北美洲各地的猛瑪象長相大不相同,牠們的牙齒形狀與型態重疊度卻相當高。這篇新研究更強調了這一觀點:雖然創造出哥倫比亞猛瑪象的遺傳變化幅度相當大,但是北美洲的猛獁象牙齒化石在50萬年前之前與之後並沒有大幅變化。

「在沒有遺傳學資料的情形下,我們通常只看形態學,或者外型的變化,而當形狀沒有變化的時候,我們就紀錄不到物種的改變,」美國德州韋科猛瑪象國家紀念園區的古生物學家琳賽‧雅恩(Lindsey Yann)說:「一旦加進遺傳因素,我們就能確實地將事情切分,而且我們就有資料可以呈現其中變化。」

研究共同作者,倫敦自然史博物館的古生物學家艾德里安.李斯特(Adrian Lister)是世界頂尖的猛瑪象專家,他認為這篇研究同時強調出一個懸而未決的議題:在沒有DNA的狀態下如何定義出北美猛瑪象的牙齒?如果從遺傳上看來,哥倫比亞猛瑪象遲至40萬到50萬年前才出現,古生物學家應該如何定義看似相同的更古老猛瑪象牙齒?目前還沒有人發表過任何從超過50萬年的北美猛瑪象牙齒取出的DNA。

為了填補這幅拼圖,達蘭說,他和同事們想嘗試將他們用以打破紀錄的技術應用在北美猛瑪象牙齒上。這支團隊已經辨識出一顆50萬年前來自加拿大的猛瑪象牙齒,和一顆20萬年前可能屬於真猛瑪象的牙齒,兩顆牙齒都是進一步定序的候選對象。現在既然古生物學家已經突破了100萬年的壁障,更古老的DNA遲早會公開自己的祕密。「這是最重要的難題,」達蘭說:「我們已經見識過手上有的資料了,我認為突破200萬年應該相對簡單,如果我們有夠好的標本的話。」

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