古老DNA显示北极或曾郁郁葱葱且可能再次重现

据外媒报道,想象一下,不是白色而是绿色的北极,那里的木本灌木一直向北延伸到北冰洋的加拿大海岸。这就是12.5万年前北美最北部地区的样子,即最后的间冰期–这是来自科罗拉多大学博尔德分校的新研究发现。

据了解,研究人员在分析了从北极湖泊沉积物中提取的超10万年前的植物DNA后发现了加拿大北部生态系统原生灌木的证据,据悉,这种灌木比现在的范围往北250英里(400公里)。

由于北极对气候变化的反应比地球上其他任何地方都要快得多,所以最新的发现可能不仅是对过去的一瞥,也是对我们潜在未来的一幅快照。

“我们对过去一个特定的温暖时期有了非常罕见的看法,这可以说是北极比现在更温暖的最近一段时间,”研究人员Sarah Crump说道。

为了重现这一景象,研究人员不仅分析了DNA样本还必须先乘坐ATV和雪地摩托到北极的一个偏远地区收集样本并带回。

矮桦树是低北极苔原的关键物种,在那里,稍高的灌木(达到人的膝盖)可以生长在寒冷和不适宜居住的环境中。但矮桦目前无法在加拿大北极地区巴芬岛南部生存。然而,研究人员在古湖泊沉积物中却发现了这种植物的DNA,这表明它曾经生长在更远的北方。

“这跟现在苔原植物的分布有着很大的不同,”另一位研究人员Crump说道。

尽管矮桦向北蔓延会产生许多潜在的生态效应,但Crump和她的同事们研究了跟这些覆盖北极更多地区的灌木有关的气候反馈。许多气候模型不包括植被的这些变化,但这些高大的灌木在春夏两季可以突出于雪之上,这使得地球表面变成深绿色而不是白色从而使其吸收更多来自太阳的热量。“这是一种跟海冰融化相似的温度反馈,”Crump说道。

在11.6万至12.5万年前的上一个间冰期,这些植物有数千年的时间来适应和移动以适应更温暖的温度。如今气候变暖的速度如此之快,植被很可能跟不上,但这并不意味着它就不会在影响从永久冻土融化到冰川融化和海平面上升等一切方面发挥重要作用。“当我们思考景观将如何平衡当前的变暖时,考虑这些植物分布范围将如何变化是非常重要的,”Crump称。

北极极易在2100年看到高于工业化前水平9°F(5°C)的情况发生。同样的温度变化曾发生在过去的间冰期。这些发现可以帮助人们更好地了解我们的地貌也许会改变北极有望再次在本世纪末达到这些古老的温度状态。

为了获得他们想要的古代DNA,研究人员不能从海洋或陆地上寻找–他们必须从湖泊中寻找。

巴芬岛位于加拿大北极的东北侧,在格陵兰岛的斜对角位置,那里属于努勒维特和奇基塔尼因纽特人的领土。它是加拿大最大的岛屿,也是世界上第五大岛屿,其东北边有山脉。但这些科学家对一个小湖感兴趣,这个湖在山的后面、靠近海岸。

在北极圈之上,这个湖的周围地区是典型的高北极苔原,年平均温度低于15°F(−9.5°C)。在这种不适宜的气候下,土壤稀薄,什么东西也不长。但储存在下面湖床中的DNA却在讲述着一个截然不同的故事。

为了得到这一珍贵的资源,Crump和她的同事们在夏天小心翼翼地在便宜的充气船上保持平衡–这是唯一能携带他们的轻便型船–在冬天则要注意在湖冰中寻找食物的北极熊。他们使用长圆柱形管道刺穿厚泥浆,探至其表面下30英尺(10米)位置并将其锤入沉积物中。

虽然一些泥浆在科罗拉多大学博尔德分校可持续能源与环境社区(SEEC)的最先进的有机地球化学实验室接受分析,但这些泥浆还需要到达珀斯科廷大学的一个专门解码古代DNA的实验室接受进一步的研究。

为了分享它们的秘密,这些泥芯必须穿越半个地球从北极抵达澳大利亚。

进入实验室后,科学家们必须像宇航员一样穿上宇航服,然后在一个超干净的空间里检查泥浆以确保他们自己的DNA不会污染辛苦得来的样本。

这是一场与时间赛跑。

Crump表示:“最好的办法就是弄到新的泥巴。一旦它从湖里出来,DNA就会开始降解。”这就是冷藏的老湖床样本无法抵达目的地的原因。

虽然其他研究人员也收集并分析了来自北极永久冻土层的更古老的DNA样本,但湖泊的沉积物保持凉爽,而非被冻结住。有了更新鲜的泥土和更完整的DNA,科学家们就能对该地区曾经生长过的植被有更清晰、更详细的了解。

重建历史植被最常用的方法是利用保存在沉积物中的化石花粉记录。但花粉往往只能显示出大的画面,因为它很容易被风吹来吹去,无法停留在一个地方。

Crump和她的同事使用的新技术则能让他们直接从沉积物中提取植物DNA、对DNA进行测序并推断出当时生活在那里的植物物种。沉积DNA分析给研究人员提供的不是区域图片,而是当时生活在那里的植物物种的当地快照。

现在他们已经证明提取10万年以上的DNA是有可能的,未来的可能性比比皆是。Crump称这个工具在这些更长的时间尺度上将非常有用。

这项研究也为研究植物以外的东西播下了种子,在他们湖沉积物的DNA样本中,有生活在湖中和湖周围的各种生物发出的信号。

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