ジョージア西部の人里離れた洞窟のどこか、黒海沿岸の数十マイル東にある考古学的発掘調査では、科学者たちが点在する石筍の中から過去の断片を探していました。古代の骨が洞窟の床に散らばっていましたが、それらはチームにとってわずかな関心しかありませんでした.代わりに、彼らは古代の DNA を探して、堆積物のバケツを集めました。
銅器時代の人間や冷凍マンモスのミイラ化した遺体から抽出されたような古代の DNA は、かつては貴重な発見であり、保存状態の良い化石や骨を慎重に配列決定することによってのみ得られました。物を見つけるのは簡単ではなく、通常、北極への長い旅、多額の研究予算、そしてかなりの運が必要でした。しかし今、科学者たちはいたるところでそれを見つけています。
この 4 月に Scientific Reports に掲載された洞窟研究の結果 、クマ、ノロジカ、コウモリが少なくとも80,000年前までこの地域に存在していたことを示しました.しかし、更新世後期の動物の痕跡を見つけることは、環境 DNA、つまり eDNA でできることのほんの一部にすぎません。eDNA は、土壌や他の地形で細胞を含まない残留物として生き残る長い死んだ生物からの遺伝子分子の痕跡です。その強みの 1 つは、柔らかい体を持つ生物の残骸を検出できることです。これにより、科学者は植物や藻類などを含む完全な生態系全体を再構築できます。環境ゲノミクス（またはメタゲノミクスとしても知られています） は、数粒の砂の中に太古の世界を見せてくれます。
この論文には関わっていない、スウェーデンのウプサラ大学の進化植物生態学者であるローラ・パルドゥッチ氏によると、「[メタゲノム技術の]大きな利点は、化石記録には実際には見られない種から DNA を取得できることです」。 Parducci は、スカンジナビアの湖底の堆積物から eDNA を抽出することにより、古代の生態系を研究しています。彼女は、植物群落が過去に気候変動にどのように対応したかを理解したいと考えています。種子や木材などの植物の残骸は、耐久性のある動物の骨よりも腐敗しやすく、地質学的記録で見つけるのが難しいため、古代の植物に関する洞察を収集することは、伝統的に動物のそれよりも遅れてきました。さらに、パルドゥッチは、微生物など明らかな痕跡を残さない生物の過去を再構築したいと考えています。
「その DNA はどうなるの？」
生物が死んだ瞬間、その体は腐敗し始めます。細胞が破裂し、その内容物が環境に流出します。過去 20 年間に科学者が認識したことは、身体の物理的構造が消失しても、その DNA は何世紀にもわたって存続できるということです。
コペンハーゲン大学の進化遺伝学者である Eske Willerslev は、氷河の下の土壌や洞窟など、最も可能性が低い場所でこの DNA を発見しました。彼の研究は、450,000 年前、あるいはそれよりも古い生態系を再構築することによって、世界中の多くの場所の自然史を書き換えるのに役立ってきました。彼は、このアイデアは大学院生のときに思いついたと主張しています。 「秋だった。木々から落ち葉が落ちているのを見た。道で犬ががらくたを食べているのを見た」と彼は思い出す。それが置かれた堆積物や土の中にどうにかして保存されているのでしょうか?」
2,000 ～ 4,000 年前に氷床に閉じ込められていた微生物に関する卒業生の研究では、氷河の氷床コアから古代の DNA を抽出する必要がありました。しかし、氷のコアを入手するには費用がかかり、古代の DNA が蓄積された、よりアクセスしやすい場所が他にあるかもしれないという考えは、彼にとって魅力的でした。
しかし、ウィラースレフがそのアイデアを持ち出したとき、彼の論文顧問は笑いました。時間の経過とともに、細胞外の DNA はさまざまな種類の損傷を蓄積します。たとえば、それは小さな断片に分解され、その末端はヌクレオチドの塩基対置換によるエラーでいっぱいになり、コード化された情報がさらに混乱します。 DNA が多かれ少なかれ何千年も無傷で生き残る可能性がある唯一の場所は、氷河の氷の深い凍結のように思われました。
それでも、ウィラースレウは前進した。彼は、通常は廃棄される考古学的発掘現場から永久凍土の土壌に手を置き、そこからDNAを抽出することに成功しました。一般的な通念では、DNA は過去について価値のあることを言うには、塩基対エラーでいっぱいになっているはずであると言われていました.
代わりに、彼がサンプルを分析したとき、彼はプライマーが古代のマンモス、バイソン、ウマ、およびさまざまな植物の DNA を引き出すことができることを見て驚いた. 1 万年から 5 万年前のわずか 2 グラムのシベリアの堆積物から、「この巨大な多様性が得られた」と彼は言いました。
2003 年に Science で発表された研究 は、古代の環境 DNA の可能性を最初に紹介したものの 1 つです。しかし、DNA を取得する新しい方法には、新しい分析技術も必要でした。 「骨を扱っている場合のように、DNA サンプルを採取して配列を決定することはできません。非常に面倒です」と Willerslev 氏は述べています。
過去の再構築
太古の土の塊には、かつてその地域に生息していた動物、植物、微生物の DNA の断片が含まれています。それぞれの種には、その種に固有の一連の DNA 文字があります。科学者にとっての課題は、As、G、C、および T の文字列を解析して、それらの起源の種を特定することです。
メタバーコーディングと呼ばれる技術では、DNA が土壌から抽出され、直接配列決定されるか、最初に増幅されて、より多くのコピーが作成されます。科学者は、1 つの種または科に属するすべての生物の DNA の小さな配列を認識するユニバーサル プライマーを使用することがあります。これらの分子は、ポリメラーゼ連鎖反応によって増幅または複製されるすべての植物 DNA または動物 DNA を識別することができます。ショットガン配列決定と呼ばれる別の手法では、すべての DNA 断片が同時に配列決定されます。次に、いずれかの手法で分離された配列が既知の配列のライブラリと照合され、科学者はサンプルに含まれる特定の植物、動物、または微生物を確認できます。 Willerslev はこのプロセスを、犯罪現場から得られた DNA が収集され、犯罪者のデータベースと照合される警察の法医学に例えています。
過去の正確な画像を作成できるかどうかは、古代の DNA サンプルの品質と保存にかかっています。生物が死ぬと、その DNA はさまざまな脅威に対して脆弱になります。たとえば、死んだ細胞からこぼれる DNA 消化酵素や、腐敗した組織を食べる微生物などです。環境も脅威となり、紫外線で遺伝物質を爆破します。時間が経つにつれて、DNA は小さな断片に断片化され、その配列はヌクレオチドの欠失やエラーでいっぱいになります。
たとえば、加水分解的脱アミノ化と呼ばれるプロセスでは、塩基のシトシンが自然にアミノ基を失い、ウラシルになります。通常、DNA では、シトシンはグアニンとペアになり、チミンはアデニンとペアになります。実験室で古代の DNA が複製されると、この損傷により、DNA 鎖のアデニンが通常より高くなります。このプロセスは古代の DNA で非常に予測可能であるため、科学者は分子の古さを確認する方法としてそれを探しています.
科学者は、氷や永久凍土の中で DNA を見つけることを好みます。なぜなら、DNA はこれらの破壊的なプロセスを遅らせたり、阻害したりするからです。洞窟や湖底も保護環境です。これまでのところ、回収された最も古い eDNA は永久凍土からのものでした。年代測定法によると、それは 45 万年から 80 万年の間のどこかであるとされています。それよりも古いサンプルは、どうしようもなく劣化し、汚染されているため、意味がありません。残念ながら、ジュラシック パークのファンには 、数千万年または数億年前の恐竜の DNA が取り出されることはまずありません。
湖底に閉じ込められた古代の DNA を主に研究している Parducci 氏は、eDNA を使用する際には多くの注意点があると説明しています。まず、メタバーコーディングで使用されるプライマーの中には、他のプライマーよりもうまく機能するものがあります。その結果、標的とする DNA 断片をさまざまな速度で増幅し、元の DNA 比率を歪める可能性があります。
第二に、抽出された DNA を照合および識別するためのデータベースが完全ではありません。科学者が個々の種に関する DNA 配列データをアップロードするときに作成されるデータベースは、野生の生物多様性の総量を反映していません。それにもかかわらず、Willerslev 氏は、「データベースは指数関数的に成長しており、識別レベルが毎年向上していることを意味します」と楽観的な見方を示しています。
Manaaki Whenua Landcare Research の古生態学者で、過去 50,000 年にわたってニュージーランドの生態系の機能と構成を研究している Jamie Wood は、現代の DNA が古代のサンプルに混じらないようにするための骨の折れる対策も講じる必要があると説明しています。
彼は、古代のサンプルを現代の DNA で汚染するのは簡単であり、その 2 つを区別するのは難しいと述べています。たとえば、バナナは彼が eDNA を収集しているニュージーランド原産の植物ではありませんでしたが、彼はサンプルの中にバナナを見つけることがあります。そのバナナは、果物を食べてサンプルを扱った科学者、または試薬を製造した科学者によって導入された可能性があります。バナナも多くの配列が決定されており、植物 DNA データベースで十分に表現されているため、誤った一致の可能性が高くなります。彼の作品では、ウッドはフィクションから事実を取り除くことに注意する必要があります。
そのために、彼は DNA 分析と花粉や地質学的記録からの情報を組み合わせます。 「それぞれが過去について何かを教えてくれます」とウッド は言いました。 「それらをすべて一緒に使用すると、過去のエコシステムを理解することで真の力が発揮されます。」
古代病原体由来のDNA
ウッドは最近、チリのアタカマ砂漠の岩の隙間に埋もれていた 5 万年前の齧歯類の貝塚から古代の DNA を入手しました。植物のかけらでできていて、古代のげっ歯類の尿で覆われている貝塚には、よく保存された DNA が含まれていました。ウッドは、彼が発見する可能性のある植物病原体と、最後の氷河期の後、この地域の年間降水量が多かった時期に、それらの有病率がどのように変化したかについて特に興味を持っていました.
Scientific Reports に掲載された結果 昨年11月、植物病原体のみを含む6つの異なる分類群を発見しました。 DNAがあまりにも劣化していたため、存在する正確な種を特定することはできませんでしたが、サンプルを絞り込むことができました.一例として、彼は、水カビと呼ばれる生物のグループである卵菌を発見しました。これには、ジャガイモの枯病を引き起こす微生物であるフィトフトラなどが含まれます。
この論文は、植物病原体から回収された最も古い DNA と思われるものについて報告しています。これらの一部で見つかった木材は、降雨量の増加によりその蔓延を促進しました。彼は、過去のデータを使用して、植物の病気、特に作物に影響を与える病気が、温暖化と多湿の気候によってどのように影響を受けるかを予測することに関心を持っています。ウッド氏にとって、この種の作業は「モデルの改善と、将来の気候変動によって物事がどのように変化するかを予測する能力を向上させるのに役立つ可能性があります。」
サンゴ礁を掘る
多くの科学者が古代の DNA を求めて洞窟、湖、化石化したげっ歯類の糞を探している一方で、海に出ている科学者もいます。海洋生物学者のマリア デル カルメン ゴメス カブレラ氏とオーストラリアのクイーンズランド大学の研究者チームは、海底から採取した古代の環境 DNA を使用して、グレート バリア リーフのサンゴ群集が時間とともにどのように変化したかを理解しています。
過去 200 年ほどの間に、グレート バリア リーフの急速に成長するサンゴは、成長が遅く、汚染に強いサンゴに取って代わられました。この変化は、オーストラリアにおけるヨーロッパ人の植民地化の台頭と一致しており、過去 70 年間にさらに顕著になりました。この 70 年間は、土地の開墾、家畜の飼育、および単一栽培作物の栽培による広範囲にわたる水質汚染によって特徴づけられました。
サンゴ礁は何千もの種が生息する驚くほど多様な生態系であり、その多くは化石の記録を残しません。 Gómez Cabrera 氏にとって、グレート バリア リーフとサンゴを共有する他の生物について学ぶことは、サンゴ礁の健全性に関する豊富な情報を提供してくれるでしょう。たとえば、サンゴが水中の汚染やサンゴの白化と呼ばれる病的状態によって死ぬと、海藻が急速に定着する空きスペースが残ります。したがって、特定の種類の海藻は、サンゴの死滅を測定するための代用として使用できます。そのためゴメス・カブレラは、グレート バリア リーフの eDNA 記録に海藻の痕跡を見つけ、そこでのサンゴの死滅率の歴史を知ることに着手しました。
「ごく少数のプレイヤーのみに基づいて過去のエコシステムの全体像を描こうとしていたという、私たちの心の奥底には常にこのしつこい問題がありました」と Gómez Cabrera 氏は述べています。
堆積物コアを入手するために、彼女と彼女のチームはスキューバ ギアを着用し、グレート バリア リーフに向かい、堆積物のサンプルを収集しました。彼らは、長さ約 5 メートル、直径 10 センチメートルのアルミニウム パイプを、サンゴ礁の 13,000 年の寿命の間に堆積した固くセメントで固められたサンゴに打ち込みました。ゴメス・カブレラ氏は、「（チューブが）入り込める限り、ハンマーでたたき、たたき、たたきます」と語った。 「とても重労働です。」
コアが取り除かれ、分析のために研究室に戻された後、科学者たちは750年前までさかのぼる海藻のDNAを入手しました。 2月に発表された彼らの論文では、サンゴを見つけるのが難しい時期に茶色の海藻の相対的な量が多く、逆の場合もあることがわかりました.この結果は、茶色の海藻の DNA を使用して、サンゴの経時的な成長を理解できることを示しています。
著者らは、すべての生物や場所の DNA が時間の経過に伴う分解に対して等しく十分に保護されているとは限らないため、彼らの結果は古代の DNA の異なる保存によって影響を受ける可能性があると警告している。しかし、発見はサンゴ礁全体の多くの異なるコアで再現され、彼らの結論を裏付けています.
この初期の研究は、eDNA がサンゴ礁の軟体生物の群集構造に関する貴重な情報を提供できることを示しています。将来的には、サンゴ礁の健康状態をより完全に把握できるかもしれません.
方法が改善され、リファレンス DNA ライブラリーが拡大するにつれて、多くの科学者は、環境 DNA によって過去の生物多様性だけでなく、過去の進化的変化も垣間見ることができるようになると考えるよう奨励されています。数年以内に、「たとえば、選択のようなものを検討し始めることができると思います」とウィラースレブは言いました。ある種の遺伝子頻度を経時的に観察することで、その生物が環境変化と選択圧力に応じてどのように進化したかを把握することができます。
ライプツィヒにあるマックス・プランク進化人類学研究所の進化人類学者であるマライケ・コーデュラ・シュタールシュミット氏は、「環境DNAの研究は、過去について私たちが知っていることを大幅に増やすでしょう」と述べています。石筍の論文の最初の著者であるスタールシュミットは、石筍は古生態学のツールボックスに新たに追加された強力なものだと考えています。
シーンは世界中の考古学的発掘現場で繰り広げられています。科学者は、骨や遺物だけでなく、考古学的発掘から発掘された土の山にますます関心を持っています. 1 つの考古学的発掘現場が、骨を入手する費用の何分の 1 かで数十の研究室に材料を提供できると想像するなら、この分野は急速に拡大すると言うのが妥当です.
「ここに未来があると思います」と Willerslev 氏は言いました。
