Verdens ældste DNA til dato: Her er koderne til et 2 mio. år gammelt økosystem
Et internationalt forskerhold under dansk ledelse har fundet og identificeret en lang række ultrakorte stykker DNA i to millioner år gamle lag i en sedimentaflejring i Nordgrønland.
Der er tale om det ældste DNA, som nogensinde er fundet og analyseret. Og det slår den hidtidige rekord for forhistorisk DNA - en sibirisk mammutknogle - med cirka en million år.
Det urgamle DNA er fundet på overfladen af mikroskopiske korn af hovedsagelig kvarts og ler i 41 boreprøver fra Kap København – en op til 100 m høj sedimentaflejring nær Grønlands nordspids.
Det to millioner år gamle DNA stammer fra en tid, hvor Grønland levede op til sit navn og var grønt og skovklædt. Materialet repræsenterer arvemasse fra planter, træer, dyr og mikroorganismer – hvilket for første gang gør det muligt for forskere at tegne et DNA-baseret billede af et forhistorisk økosystem.
Det klima, som dengang herskede i Grønland, var en slags hybrid mellem et arktisk- og et tempereret klima – hvor der året rundt var 10-17 grader C varmere i Nordgrønland, end i dag.
Samtidig viser det to millioner år gamle materiale, hvordan DNA’et – arvemassen – har set ud på et tidligere udviklingsstadie hos en række arter, som vi kender i dag.
”Her er DNA fra dette tidligere udviklingsstadie fra både dyr, planter og mikroorganismer – fx fra rensdyr, hare, lemming, gås, birk, poppel og tuja. Der er også DNA fra arter, som er uddøde – fx fra mastodont, hvilket er lidt vildt, for mastodonten, det store istidspattedyr, er aldrig tidligere konstateret i Grønland. Og fra havet har vi fundet DNA fra atlantisk dolkhale og fra grønalger, der begge lever i relativt varmt havvand. I sig selv er det dybt fascinerende at finde og kunne studere detaljer i dette gamle DNA. Samtidig er det i en eller anden forstand uvirkeligt pludselig at kunne se direkte ind i maskinrummet – ind i selve arvemassen - i et fortidigt økosystem”, siger professor Eske Willerslev og professor Kurt H. Kjær, fra Lundbeck Foundation Geogenetics Centre ved Københavns Universitet (KU).
De to professorer, der begge har speciale i urgammelt DNA, har stået i spidsen for undersøgelsen, som netop er publiceret i Nature, et af verdens mest indflydelsesrige videnskabelige tidsskrifter – og resultaterne vil få betydning for bl.a. vores forståelse af evolution og klimaforandringer:
Det klima, der for to millioner år siden – hen mod overgangen mellem de geologiske tidsperioder Pliocæn og Pleistocæn – herskede i det nordligste Grønland, synes nemlig i visse grundtræk at ”minde om det klima, den igangværende globale opvarmning antages at kunne skabe”, som det konkluderes i Nature-artiklen.
Materiale kom flyvende
Men hvordan har landskabet omkring Kap København set ud for to millioner år siden?
Det har været et lavt kystlandskab, og hvad bevoksning angår, har det i en række henseender lignet det terræn, man i dag finder op mod trægrænsen i det nordlige Sibirien.
Der var også mange insekter ved Grønlands nordspids dengang, hvilket man desuden ved fra tidligere fund af insektrester i Kap København-lagene - og blandt de 102 planteslægter, der nu er DNA-identificeret i de 41 boreprøver, er fx rypelyng, blåbær, agerpadderok og en række græsser.
Kap København blev i sin tid, over en periode på cirka 20.000 år, dannet af en blanding af sedimenter fra land og fra havet, der ophobede sig ved Independencefjordens udløb i det Arktiske Hav.
Her var der oprindelig en lavbundet havbugt, og meter for meter skød Kap København på dette sted ryg i løbet af de 20.000 år. I det materiale, som fik aflejringen til at vokse, lå de DNA-spor fra dyr, træer, planter og mikroorganismer, som nu beskrives i Nature-artiklen.
Der har arvemassen ligget godt, for den store aflejrings oprindelige lag har det meste af tiden frem til vore dage været dækket af is eller permafrost, og disse sedimentlag har aldrig været påvirket af mennesker.
I alt 40 forskere fra Danmark og en række andre lande - herunder fra Storbritannien, Frankrig, Sverige, Norge, USA og Tyskland - har med forskellige specialisttilgange deltaget i arbejdet med at få de mikroskopiske korn fra Kap København-aflejringen til at tale i Nature-artiklen.
Og det har været et langstrakt og sejt forløb, fortæller Kurt H. Kjær og Eske Willerslev:
”Det begyndte i 2006, hvor vi to var sammen på en videnskabelig ekspedition i Grønland. Ekspeditioner er dyre – man skal udnytte både tiden og ressourcerne bedst muligt – så da vi fik mulighed for at lægge turen forbi Kap København, slog vi til med det samme. Vi tog en række boreprøver af den store sedimentaflejring, og prøverne har siden været opbevaret i frysere på KU. Og det er det materiale – plus nogle supplerende prøver, som vi tog i 2012 og i 2016 - der ligger til grund for undersøgelsen og artiklen i Nature”.
Fra 2006 til der omsider var ’bingo’ i 2021, prøvede forskerne ved Lundbeck Foundation Geogenetics Centre mange gange at undersøge boreprøverne, og man eksperimenterede med en lang række forskellige forsøgsopstillinger og analyseteknikker. Men lige meget hjalp det, for kvarts- og ler-kornene nægtede stædigt at afsløre noget som helst.
Først da en helt ny generation udstyr til DNA-ekstraktion og gen-sekventering for få år siden kom på markedet, turde KU-forskerne – forsigtigt – begynde at fæste lid til, at prøverne fra Kap København gemte på en helt unik historie. For dette udstyr, som løbende raffineres, har nu gjort det muligt at finde og derefter identificere meget små og ekstremt beskadigede DNA-stykker på helt ned til 30-50 basepar (bp) i blandt andet sand og jord. Det vil sige DNA-fragmenter, som blot er få milliontedele af en millimeter lange.
Takket være dette udstyr kunne forskerne – efter en lang række yderligere undersøgelser – i 2021 notere det endelige gennembrud i jagten på Kap Københavns oprindelige økosystem. Det kom, da det stod uigendriveligt klart, at nu var der videnskabeligt belæg for at svare ’ja’ til to helt centrale spørgsmål, som de havde bokset med i årevis:
- Er der overhovedet DNA i de to millioner år gamle ler- og kvartsprøver fra Kap København?
- Og hvis der er DNA, kan vi da få det løsgjort fra prøverne, så det kan undersøges?
”Det var et stort øjeblik, da begge dele blev bekræftet siger”, siger Eske Willerslev og Kurt H. Kjær, ”for nu kunne kortlægningen af et fortidigt økosystem endelig begynde. Det var jo den drøm, vi havde, da vi tilbage i 2006 tog de første boreprøver fra Kap København. Men når vi skal være ærlige, så kom vi undervejs mere end én gang til at tvivle på, om den nogensinde ville gå i opfyldelse”.
Håndsrækning til truede arter?
Når man står og kigger ”direkte ind i maskinrummet” på det to millioner år gamle økosystem fra Nordgrønland kan det være svært – nærmest grænsende til det umulige – at komme med et bud på, hvad den største betydning af denne kortlægning egentlig er. For detaljeret viden om det gamle økosystem, som både hvad temperaturer og artssammensætning angår var en hybrid mellem et arktisk- og et tempereret klima, kan få betydning på en række felter. Og det er fx oplagt at tale om, at det gamle DNA kan rumme værdifulde informationer om økosystemers reaktioner på klimaforandringer, vurderer Eske Willerslev og Kurt H. Kjær:
”Det er det, fordi økosystemet ved Kap København, som ikke har nogen nutidig analog, eksisterede ved markant højere temperaturer, end vi kender i dag – og fordi det umiddelbart synes at kunne ligne det fremtidsklima, vores planet forventes at bevæge sig i retning af på grund af den globale opvarmning. Et af de helt centrale spørgsmål i den anledning er jo, i hvilken grad arter vil være i stand til at tilpasse sig de ændrede betingelser, som følger med en markant temperaturstigning. Her tyder data fra Kap København på, at mange arter under indflydelse af evolution kan være endnu mere plastiske – mere overlevelsesstærke gennem tilpasning - end vi hidtil har antaget. Og lige her kommer mikroorganismerne ind”, understreger de to professorer.
I gennemgangen af det gamle DNA fra Kap København har forskerne nemlig også fundet arvemasse fra en lang række mikroorganismer, herunder bakterier og svampe – og dem er de nu ved at kortlægge. Dette arbejde vil blive offentliggjort i en kommende forskningsartikel, og artiklen vil præsentere en mere detaljeret beskrivelse af, hvordan samspillet i det fortidige økosystem på Grønlands nordspids rent biologisk fungerede – mellem dyr, planter og encellede organismer.
”På sigt kan den viden muligvis bruges i kampen mod den udtynding af biodiversiteten, vi nu slås med”, mener Kurt H. Kjær og Eske Willerslev:
”Mange steder er biodiversiteten allerede under stærkt pres på grund af den globale opvarmning, og arter kan være i fare for at uddø – bl.a. visse planter og træer. Her kan den strategi, som planter og træer i sin tid udviklede for at kunne leve i et klima præget af stigende temperaturer – som tilfældet jo var for to millioner år siden ved Kap København – måske bruges til at gøre nogle truede arter mere varmetolerante. Fx vil det ved hjælp af genmanipulation være muligt at kopiere nogle af de to millioner år gamle ´trick´ fra planternes DNA over i moderne planter. Samtidig kan det måske også give god mening af sørge for en bestemt balance i jorden ved at tilføre mikroorganismer med egenskaber svarende til dem, der i sin tid var til stede ved Kap København. Og det bør også kunne klares ved gensplejsning, hvis man altså ønsker at prøve at gå den vej”.
Kap København
Udforskningen af Kap København begyndte for alvor i 1979, hvor den danske geolog Svend Funder besøgte stedet, og i de gamle lag kunne konstatere rester af bl.a. insekter, planter, trærødder og muslinger.
Funder, der var tilknyttet Københavns Universitet – hvor han stadig forsker som emeritus – har i over 40 år arbejdet med Kap København.
Kap Københavns eksistens har længe været kendt i videnskabelige kredse – og den danske geolog og polarforsker Lauge Koch besøgte det i begyndelsen af 1920erne.
Fra Lauge Kochs besøg til Svend Funder kom til Kap København i 1979, havde imidlertid kun få andre geologer været der. Og Funder var den første forsker, der for alvor forstod, hvilket formidabelt tidsvidne aflejringen i virkeligheden er.
Laksesæd viste vejen
De 41 boreprøver fra Kap København består i vid udstrækning af kvarts, som er et mineral, og af ler – og både kvarts- og ler-delen i prøverne fremtræder som korn, når man nærstuderer materialet i mikroskop.
Det fortidige DNA viste sig at sidde på overfladen af disse korn i form af bitte-bittesmå fragmenter af arvemasse fra dyr, planter og mikroorganismer, der nærmest klæbede sig fast til kornenes overflader.
Stykkerne målte blot milliontedele af en millimeter – typisk 30-50 basepar (bp) – og repræsenterede dermed langtfra det pågældende dyr, plante eller mikroorganismes fulde arvemasse.
At DNA’et sad på overfladen af kornene, svarede til, hvad forskerne havde antaget og håbet. Men at påvise det, var en ganske anden sag – som krævede et omfattende detektivarbejde. Og lige her kom lektor Karina K. Sand fra Lundbeck Foundation Geogenetics Center ved KU til at stå i rollen som efterforskningsleder.
Karina K. Sand, der er en af forfatterne bag Nature-artiklen, har speciale i interaktionen mellem organiske molekyler – fx DNA – og mineralske overflader. Denne interaktion er af stor betydning for mange livsformer, og for at forstå den, må man kunne manøvrere inden for et komplekst videnskabeligt krydsfelt af både geologi, biologi og kemi.
Karina K. Sand gennemførte en række forsøg, hvor hun placerede nutidigt DNA i form af laksesæd på mineralske overflader, som svarede til materialet fra de 41 boreprøver fra Kap København – især kvarts og ler.
Forsøgene skulle vise, hvordan dette DNA interagerede med de mineralske overflader: Om det overhovedet blev siddende? Om det i givet fald kunne løsnes? Og om det var muligt at aflæse DNA-koder fra overfladen på mikroskopiske korn?
Karina K. Sand benyttede en særlig mikroskoperingsteknik – atomisk kraft mikroskopi, der kan se strukturer, som er 1000 gange mindre, end hvad der kan observeres gennem et optisk mikroskop – og ved hjælp af den lykkedes det hende at undersøge spørgsmålene, der alle viste sig at kunne besvares med et ’ja’.
Derefter begyndte forskerne at kigge efter to millioner år gammelt DNA i de 41 boreprøver ved hjælp af et særligt udstyr til DNA-ekstraktion.
Da de urgamle DNA-fragmenter var identificeret, fulgte så en ny fase. Her programmerede forskerne deres gensekventeringsudstyr til at sammenligne hvert eneste DNA-fragment med store biblioteker over DNA fra nulevende dyr, planter og mikroorganismer.
Og da denne enormt omfattende kørsel var færdig, tegnede der sig omsider et billede af det daværende økosystem ved Kap København: I form af DNA fra træer, buske, fugle, dyr og mikroorganismer.
Nogle af DNA-fragmenterne kunne umiddelbart rubriceres som forgængere til nulevende arter, andre kunne ’kun’ forbindes på slægtsniveau – og atter andre stammer fra arter, der ikke umiddelbart kan placeres i DNA-bibliotekerne over nulevende dyr, planter eller mikroorganismer.
Det genstridige ler
Det var klart lettest af trække DNA ud af kvartskornene fra Kap København-prøverne.
Lerkornene var langt mere genstridige.
Og det betyder, at der vil være endnu flere informationer at hente om livet ved Kap København for to millioner år siden, hvis der kan udvikles en metode, som kan tvinge ler til at give slip på DNA, siger Kurt H. Kjær og Eske Willerslev:
”Lykkes det at udvikle en sådan metode, kan perspektiverne være store – og pege langt ud over Kap København. Generelt overlever DNA bedst under tørre og kolde forhold, som tilfældet har været det meste af perioden siden materialet ved Kap København i sin tid blev aflejret. Men det kan ikke udelukkes, at ler kan bevare DNA også i fugtige og varme omgivelser som dem, man fx finder i mange steder i Afrika. Og kan vi begynde at undersøge urgammelt DNA i lerkorn fra Afrika, kan vi måske få helt nye informationer om mange arters opståen – og muligvis også ny viden om de første mennesker og deres forfædre”.