16.12.2022 - University of Cambridge

Entdeckung der ältesten DNA der Welt bricht Rekord um eine Million Jahre

Zwei Millionen Jahre alte DNA wurde zum ersten Mal identifiziert und eröffnet ein neues Kapitel in der Geschichte der Evolution

Mikroskopisch kleine DNA-Fragmente aus der Umwelt wurden in eiszeitlichen Sedimenten im Norden Grönlands gefunden. Mit Hilfe modernster Technologie entdeckten die Forscher, dass die Fragmente eine Million Jahre älter sind als der bisherige Rekord für DNA-Proben aus einem sibirischen Mammutknochen.

Die uralte DNA wurde verwendet, um ein zwei Millionen Jahre altes Ökosystem zu kartieren, das extremen Klimaveränderungen ausgesetzt war. Die Forscher hoffen, dass die Ergebnisse dazu beitragen könnten, die langfristigen Umweltfolgen der heutigen globalen Erwärmung vorherzusagen.

Die Entdeckung wurde von einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Eske Willerslev und Professor Kurt H. Kjær gemacht. Professor Willerslev ist Fellow am St. John's College der Universität Cambridge und Direktor des GeoGenetik-Zentrums der Lundbeck-Stiftung an der Universität Kopenhagen, an der auch Professor Kjær, ein Geologieexperte, tätig ist.

Die Ergebnisse der 41 brauchbaren Proben, die in Ton und Quarz versteckt gefunden wurden, werden in Nature veröffentlicht.

Professor Willerslev sagte: "Ein neues Kapitel, das sich über eine Million Jahre in der Geschichte erstreckt, wurde endlich aufgeschlagen, und zum ersten Mal können wir einen direkten Blick auf die DNA eines vergangenen Ökosystems werfen, das so weit in der Vergangenheit liegt.

"DNA kann sich schnell zersetzen, aber wir haben gezeigt, dass wir unter den richtigen Umständen weiter in die Vergangenheit zurückgehen können, als man es sich je hätte vorstellen können."

sagte Professor Kjær: "Die alten DNA-Proben wurden tief in Sedimenten vergraben gefunden, die sich im Laufe von 20.000 Jahren gebildet hatten. Das Sediment wurde schließlich im Eis oder im Permafrostboden konserviert und, was besonders wichtig ist, zwei Millionen Jahre lang nicht von Menschen gestört."

Die unvollständigen Proben, die nur wenige Millionstel Millimeter groß sind, wurden der København-Formation entnommen, einer fast 100 Meter dicken Sedimentablagerung, die in der Mündung eines Fjords im Arktischen Ozean an Grönlands nördlichstem Punkt liegt. Das Klima in Grönland schwankte damals zwischen arktisch und gemäßigt und war 10-17 °C wärmer als das heutige Grönland. In einer flachen Bucht türmte sich das Sediment Meter für Meter auf.

Die Wissenschaftler entdeckten Nachweise von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen, darunter Rentiere, Hasen, Lemminge, Birken und Pappeln. Die Forscher fanden sogar heraus, dass Mastodon, ein eiszeitliches Säugetier, bis nach Grönland wanderte, bevor es ausstarb. Bisher war man davon ausgegangen, dass sich das Verbreitungsgebiet der elefantenähnlichen Tiere von ihren bekannten Ursprungsgebieten in Nord- und Mittelamerika nicht bis nach Grönland erstreckt.

Die Detektivarbeit von 40 Forschern aus Dänemark, dem Vereinigten Königreich, Frankreich, Schweden, Norwegen, den USA und Deutschland entschlüsselte die Geheimnisse der DNA-Fragmente. Der Prozess war mühsam - zunächst musste festgestellt werden, ob die DNA im Ton und Quarz verborgen war, und wenn ja, konnte sie erfolgreich aus dem Sediment gelöst und untersucht werden? Die Antwort lautete schließlich: Ja. Die Forscher verglichen jedes einzelne DNA-Fragment mit umfangreichen DNA-Bibliotheken, die von heutigen Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen gesammelt wurden. Es ergab sich ein Bild der DNA von Bäumen, Sträuchern, Vögeln, Tieren und Mikroorganismen.

Einige der DNA-Fragmente ließen sich leicht als Vorläufer heutiger Arten klassifizieren, andere konnten nur auf Gattungsebene zugeordnet werden, und einige stammten von Arten, die in den DNA-Bibliotheken von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen, die im21.

Die zwei Millionen Jahre alten Proben helfen den Wissenschaftlern auch, sich ein Bild von einer bisher unbekannten Phase in der Entwicklung der DNA einer Reihe von heute noch existierenden Arten zu machen.

Professor Kjær sagte: "Expeditionen sind teuer, und viele der Proben wurden bereits 2006 genommen, als das Team für ein anderes Projekt in Grönland war.

"Erst die Entwicklung einer neuen Generation von Geräten zur DNA-Extraktion und -Sequenzierung ermöglichte es uns, extrem kleine und beschädigte DNA-Fragmente in den Sedimentproben zu lokalisieren und zu identifizieren. Damit waren wir endlich in der Lage, ein zwei Millionen Jahre altes Ökosystem zu kartieren".

Assistenzprofessor Mikkel W. Pedersen, Co-Erstautor der Studie und ebenfalls am GeoGenetik-Zentrum der Lundbeck-Stiftung tätig, sagte: "Das Ökosystem von Kap København, für das es kein heutiges Äquivalent gibt, existierte bei wesentlich höheren Temperaturen als wir heute haben - und weil das Klima auf den ersten Blick dem Klima ähnlich zu sein scheint, das wir aufgrund der globalen Erwärmung in Zukunft auf unserem Planeten erwarten.

"Einer der Schlüsselfaktoren ist, inwieweit die Arten in der Lage sind, sich an die veränderten Bedingungen anzupassen, die sich aus einem erheblichen Temperaturanstieg ergeben. Die Daten legen nahe, dass sich mehr Arten entwickeln und an stark schwankende Temperaturen anpassen können als bisher angenommen. Entscheidend ist jedoch, dass diese Ergebnisse zeigen, dass sie dafür Zeit brauchen. Die Geschwindigkeit der heutigen globalen Erwärmung bedeutet, dass Organismen und Arten diese Zeit nicht haben, so dass der Klimanotstand eine enorme Bedrohung für die biologische Vielfalt und die Welt bleibt - das Aussterben einiger Arten, einschließlich Pflanzen und Bäumen, steht bevor."

Bei der Durchsicht der alten DNA aus der Kap København-Formation fanden die Forscher auch DNA von einer Vielzahl von Mikroorganismen, darunter Bakterien und Pilze, die sie weiter kartieren werden. Wie das Zusammenspiel von Tieren, Pflanzen und Einzellern im ehemaligen Ökosystem am nördlichsten Punkt Grönlands biologisch funktionierte, wird in einer zukünftigen Forschungsarbeit detailliert beschrieben.

Man hofft nun, dass einige der "Tricks" der entdeckten zwei Millionen Jahre alten Pflanzen-DNA genutzt werden können, um einige gefährdete Arten widerstandsfähiger gegen eine Klimaerwärmung zu machen.

Professor Kjær sagte: "Es ist möglich, dass die Gentechnik die Strategie nachahmt, die Pflanzen und Bäume vor zwei Millionen Jahren entwickelt haben, um in einem durch steigende Temperaturen gekennzeichneten Klima zu überleben und das Aussterben einiger Arten, Pflanzen und Bäume zu verhindern. Dies ist einer der Gründe, warum dieser wissenschaftliche Fortschritt so bedeutsam ist, denn er könnte zeigen, wie man den verheerenden Auswirkungen der globalen Erwärmung entgegenwirken könnte."

Die Erkenntnisse aus der Kap København-Formation in Grönland haben eine ganz neue Periode in der DNA-Erkennung eröffnet.

Professor Willerslev erklärte: "DNA überlebt im Allgemeinen am besten unter kalten, trockenen Bedingungen, wie sie während des größten Teils des Zeitraums herrschten, in dem das Material am Kap København abgelagert wurde. Nachdem wir nun erfolgreich antike DNA aus Ton und Quarz extrahiert haben, könnte es möglich sein, dass Ton in warmen, feuchten Umgebungen an Fundorten in Afrika antike DNA erhalten hat.

"Wenn wir damit beginnen können, alte DNA in Tonkörnern aus Afrika zu erforschen, können wir vielleicht bahnbrechende Informationen über den Ursprung vieler verschiedener Arten sammeln - vielleicht sogar neue Erkenntnisse über die ersten Menschen und ihre Vorfahren - die Möglichkeiten sind endlos."

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