DNA分析揭示遠古北極遍布植物 未來可能再現綠色世界

北京時間3月23日消息,現今的北極白雪皚皚,是一片白色世界,完全不適合人類生存,然而在十幾萬年前會是怎樣呢?目前,美國科羅拉多大學博爾德分校最新研究稱,大約12.5萬年前間冰期,遠古時期的北極竟然與現代北美洲最北部地區十分相似,那時的北極並非白色的,而是充滿綠色的植物,灌木叢一直向北延伸至現今的加拿大海岸。

研究人員分析了從北極湖泊沉積物中提取的10多萬年前植物DNA樣本(這是參考文獻數據中最古老的湖泊沉積物DNA),並發現了加拿大北部生態系統原生灌木的證據,該灌木叢比現今的范圍向北延伸400公里。

DNA分析揭示遠古北極遍布植物 未來可能再現綠色世界

圖中是夏天和冬天的矮樺樹,冬季它仍能從積雪中鑽出來,目前,美國科羅拉多大學博爾德分校最新研究稱,大約12.5萬年前間冰期,遠古時期的北極竟然與現代北美洲最北部地區十分相似,那時的北極並非白色的,而是充滿綠色的植物

未來可能出現「綠色北極」

由於北極對氣候變化的反應比地球其他任何地方快得多,近期發表在《美國國家科學院院刊》的一項研究發現,這可能不僅是對遠古時期的洞察,或許未來「綠色北極」可能再次出現!

莎拉·克倫普曾就讀於科羅拉多大學博爾德分校地質科學博士生,之後在該大學北極與高山研究所(INSTAAR)就讀博士生,其研究重點是北極歷史變遷,她說:「我們對遠古北極一個特定溫暖時期持有非常特殊的分析觀點,該時期可以說是比現今北極更溫暖的近代。」

為了重現這一歷史景象,研究人員不僅分析了遠古北極時期植物DNA樣本,還乘坐全地形車(ATV)和雪地摩托車到北極一處偏遠地區採集樣本並返回。

DNA分析揭示遠古北極遍布植物 未來可能再現綠色世界

在這里可以採集遠古北極湖泊沉積物,甚至能發現遠古生物DNA樣本

矮樺樹是北極苔原相對低緯地區的一種重要植物,在這里稍高的灌木(接近人體膝蓋)可以生長在寒冷和不適宜居住的環境中,但矮樺樹當前無法在現今加拿大北極地區巴芬島南部生長,然而,令研究人員驚訝的是,他們在遠古湖泊沉積物中發現該植物的DNA,暗示着遠古時期該植物曾生長在更遠的北方地區。

莎拉說:「這與現今苔原植物的分布差異很大!」據悉,她現在是美國加州大學聖克魯斯分校基因組實驗室博士後研究員。盡管矮樺樹向北蔓延生長會產生諸多潛在的生態效應,但她和同事們研究了與這些覆蓋北極更多地區的灌木有關的氣候反饋,許多氣候模型不包括植被的這些變化,但這些高大的灌木在春夏兩季可以突出在積雪之上,使北極表面變成深綠色,而不是雪白色,該環境可以吸收更多來自太陽的能量。

她強調稱,這種溫度反饋類似於海冰融化的狀況,在11.6萬-12.5萬年前的間冰期,當時的植物有數千年的時間來適應氣候趨暖變化,如今氣候變暖的速度太快,北極植物可能無法跟上,但這並不意味着它不會產生重大環境變化,例如:永久凍土融化、冰川消融、海平面上升……

莎拉說:「當我們思考地貌如何與當前氣候變暖趨勢相適應時,植物分布范圍如何發生變化是非常重要的。」預計到2100年,地球氣溫很有可能比工業化前高5攝氏度,而北極地區氣候趨暖更加明顯,那時或許再現間冰期的氣候特徵,這些發現可以幫助我們更好地洞察地貌環境如何變化,尤其是本世紀末北極有望再次恢復至遠古氣溫狀態。

遠古泥漿是「顯微鏡」

要想獲得遠古時期生物的DNA樣本,研究人員無法從海洋或者陸地上發現,他們必須從湖泊沉積物中尋找。

巴芬島位於加拿大北極區域的東北側,在格陵蘭島斜對面,屬於努勒維特和奇基塔尼因紐特人的領地,它是加拿大第五大島嶼,其東北側有山脈,目前科學家對該區域一處小湖泊非常感興趣,它位於山脈後方,鄰近海岸。

這個湖泊周圍是典型的高北極苔原地貌,年平均溫度低於零下9.5攝氏度,在這種不適宜的氣候下,土壤稀少,植物很難生長,但遠古時期這里是怎樣的呢?保存在湖床沉積物中的DNA將講述一個截然不同的故事……

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科學家們從湖源底部提取了湖泊沉積物岩芯樣本

為了獲得珍貴的遠古植物DNA樣本,莎拉和同事們在夏季小心翼翼地乘坐充氣船,在保持船體平衡的情況下,緩慢地將長圓柱管刺穿厚泥漿,深至水下10米處,並將長圓柱管刺入沉積物中提取樣本,據悉,夏季他們可以搬運質量較輕的充氣船,這是最佳選擇方案,如果冬季進行取樣,必須密切關注湖面冰層,很可能會遭受北極熊攻擊。

莎拉和同事的目標是順利提取遠古時期植物DNA樣本,然後將它帶回實驗室進行深入分析。

雖然一些泥漿樣本在科羅拉多大學博爾德分校可持續能源與環境社區(SEEC)最先進的有機地球化學實驗室進行分析,但這些泥漿還需要送到澳大利亞科廷大學一個專門解碼古代生物DNA的實驗室進行深入研究。因此,為了揭曉遠古時期北極的秘密,這些泥漿樣本必須穿越半個地球,從北極到達澳大利亞。

「本地快照」

一旦進入實驗室,科學家必須穿着隔離服,在一個超潔淨的空間里檢查泥漿樣本,以確保自己的DNA不會污染這些來之不易的遠古樣本。

這項研究並不簡單,這實際上是一場與時間的賽跑,莎拉說:「最好的方法就是弄到新鮮的泥漿樣本,一旦它從湖里提取出來,DNA就開始降解。」這就是為什麼冷藏的遠古湖床樣本未達到實驗標准。

雖然其他研究人員也收集並分析了來自北極永久凍土層(就像一個地下天然冰櫃)更古老的DNA樣本,但湖泊沉積物保持低溫狀態,而不是冰凍,獲得更新鮮的泥漿和更完整的DNA樣本,科學家就能對該地區曾經生長的植被有更清晰、更詳細的洞察。

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圖中是採集湖泊沉積物樣本

重建歷史植被最常用的方法是利用保存在沉積物中的化石植物花粉記錄,但花粉往往僅顯示宏觀環境特徵,因為花粉很容易被風散,不會停留在一個地方。

莎拉使用最新技術能夠直接從沉積物中提取植物DNA,對DNA進行測序,並推測出當時生活在這里的植物物種,沉積物DNA分析對研究人員提供的不是環境特徵,而是當時生活在這里的植物物種的本地快照。

目前,他們已證明提取10萬年以上的植物DNA樣本是可能的,未來的可能性或許更多。莎拉稱,DNA測序對分析遠古時期樣本非常有用。該研究也為研究植物以外的沉積物質奠定了基礎,在湖泊沉積物DNA樣本中,存在着湖泊和周圍環境各種遠古生物殘留的跡象。

通過這項最新研究,我們能分析遠古時期北極生態系統,事實上這僅是冰山一角,我們可以觀察到遠古時期存在的一切,從微生物到哺乳動物,我們可以開始對遠古生態系統的狀況進行分析,並且有助於揭曉未來伴隨全球氣候趨暖,產生的各種變化。(葉傾城)

來源:cnBeta