作者：陳亮
校稿：劉宇宸、陳奕叡
古代 DNA？
DNA 鑑定是最近非常流行的生物學研究方法，透過比較 DNA 序列之間的差異，辨認出其 DNA 來源。在現行的科學研究中，主要根據已知的 DNA 序列建構資料索引，再將蒐集到的樣本與資料庫比對，進而鑑定出樣本在不同分類位階中的位置。這個方法可以視樣本品質以及資料庫大小與需求，進行個體、地理族群、從種一直到界門綱的鑑別，因此廣泛地用於生物調查。近年來聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）的發明以及次世代定序（next generation sequencing, NGS）技術的進步，從過去培養細菌擴增目標 DNA ，到現在可以將極少量的樣本擴增到足以進行定序的數量，有一支研究分枝因此悄悄興盛了起來，那就是環境 DNA（environmental DNA, eDNA）分析。
環境 DNA 是指採集自底質、水體、空氣等各種環境的 DNA，而非直接從生物組織萃取，因此可能來自非常多生物體。透過分析環境 DNA，可以一定程度地顯示當地的生物組成，或者嚴格來說，這個組成是當地的生物體與環境交互作用後的結果，或許是糞便、蛻皮、毛髮掉落、屍體等等。而當這些渣滓隨著地層的埋藏，經過萬千年的分解衰變所倖存下來的片段，便成為了一群特別的 eDNA —古代 DNA（ancient DNA, aDNA）。
這群 DNA 的特別之處在於，它們非常破碎，甚至原本大家認知中的 ATCG 已經衰變成其他更加穩定的鹼基。另外，在研究這群 DNA 時，也要非常注意不能被現代 DNA 汙染。因此，學者們使用各種方式排除現代 DNA 汙染樣本的可能。舉例而言，由於脲嘧啶（uracil, U）相對於胞嘧啶（cytosine, C）穩定許多，因此透過計算胞嘧啶倒換成脲嘧啶的比例，可以推算這條 DNA 的「年齡」，太年輕的 DNA 就會被從樣本中剔除。經過這樣的修正，剩下的 DNA 八九不離十就是古代 DNA 了。[ 更多參考資料詳見文末 ]
Kap København Formation現今研究介紹
貝里托臨死前，想著他的孫子剛出生時還是個乾巴巴的小子，現在已經快要離開群體獨自生活了。身為乳齒象家族的領導，他的眾多妻兒們圍繞在他身邊，他已經老得走不動了，牙齒脫落得無法吃東西。他想著他已逝多年的鄰居，大鴨子龐德。他們年輕時曾經一起或飛或走，穿越森林與草原，在從神聖的雪山留淌至此的聖河中洗澡。不過在貝里托成為他家族的頭兒後，就很少跟龐德出去玩了。貝里托的眼睛失去了光芒。他死後，家人們進行了為時不多天的悼念，便由貝里托的兒子接管了家族，繼續在這片森林上繁衍生活。
格蘭陵北部有一片極地沙漠，長期被沙與碎石覆蓋，遠處有白頭的雪山（圖一）。誰能想到，這片褐黃沙丘在兩百萬年前，是一片鬱鬱蔥蔥的北方溫帶森林？正是我們方才介紹的古代 DNA，揭示了這項驚人的發現。這裡是 Kap København Formation（圖二），其中較深層的單元，暫且稱為 A 區吧！A 區是五十公尺厚的泥岩，埋有許多北極介型蟲、有孔蟲、以及一些軟體動物群落，是一個離岸的深海環境。有趣的是，上層的 B 區是四十五米左右的砂質、粉砂質交錯的沉積物，其中砂質層含有間冰期大型化石群集的有機質層，富含北方植物以及無脊椎動物的碎屑。它是一條古代河流的出海口與近岸淺海環境，因此在這個地層蒐集到的 DNA，最能反映沿著這條河沖刷下來的生物群集。它們經過這條河流的侵蝕、搬運並堆積在河口。粉砂質層則是有曾經存於深海的跡象，即有較多的深海物種 eDNA。另外，透過放射性定年法、地磁反轉事件的證據，可以將 B 區的年齡限縮在 2.7 百萬年左右。
原先除了無法得知 Kap København Formation 的確切年代以外，因為幾乎沒有脊椎動物的化石紀錄，很難還原當地的動物群集。一支來自哥本哈根大學的科學團隊，對這裡的土壤進行抽樣，除了從植物的花粉、孢子等容易被留下且可以分類的化石以外，更萃取沉積物中的 DNA 進行分析，看看是否可以找到曾經存在這裡的生物。
植物相重建
貝里托出生在一個清涼的夏天早晨，他的母親—他已經不記得她的樣子了—會教他吃灌木與豆子等等植物，並在楊樹林或是更遠處的樺樹林散步，採些山楂與草來吃。溪流邊的木賊與其他水邊的植物混雜在一起，偷偷地汲取溪水與陽光的滋潤。這條小溪，是雪山來的聖河的小分支，他就是在小溪邊最矮的柳樹旁差點踩到龐德與他的兄弟姊妹。當時龐德還沒換毛呢。身旁像莎草般挺立的薹草刷過貝里托粗糙的皮膚，風中是薹草互相摩擦的沙沙聲。貝里托跺跺腳，找到了他的妻子與象群，一起穿越美麗遼闊的大麥草原回家（圖三）。
現代的格陵蘭大約有一百七十五個維管束植物屬，它們大多分布於 Kap København Formation 以南更溫暖的地方，Kap København Formation 除了一點點的苔蘚以外沒什麼植物。然而研究團隊在 Kap København Formation 中沉積的古代 DNA 檢測到了其中的七十個屬，其中，柳樹、仙女木、越橘、樺樹、薹草與木賊佔 DNA 檢測讀數的很大一部份。要注意的是，佔讀數很大一部份並不代表它們在那裡佔有很大的生物量。回歸到前頭我們說明 Kap København Formation 是一塊由河流堆積在河口、近海的水下沉積三角洲，因此像柳樹、薹草與木賊這種生長在水邊的植物，會更加容易被帶到這裡。花粉及孢子的化石紀錄也有出現類似的規律，例如石松蕨的孢子壁抗分解能力強，因此更容易被保留下來，在化石紀錄中佔比很大。
這份古代 DNA 檢測結果中，有另外一群 DNA 是未出現於現代格陵蘭的植物。它們共有三十九個屬，都是存於北美北部的北方針葉林（例如雲杉和楊樹）、落葉林以及低海拔的森林（例如山楂、紅豆杉）等等。這也表示 Kap København Formation 河道上游的那塊美麗的綠地，溫度比現代格陵蘭的任何地方都還要高。溫度較高代表當地有較高的基礎生產力，而較高的基礎生產力，代表可以支撐更龐大、更複雜的生物多樣性。
動物相重建
貝里托在微暖的陽光下，與妻兒們打了招呼便自己出去找大鴨子龐德。龐德最近已經到了鴨子的古稀，而他仍然處於壯年，並且已經有幾隻分出象群的兒子了。他沿著他們相遇的小溪旁走著，看到薹草中躲藏的北極旅鼠一家。北極旅鼠們的耳朵很小、腿也很短、尾巴也很短，身上是灰色的毛，不過肚子的顏色比較淺。貝里托依稀記得，他們的家在更北方苔原，來到這裡或許只是家族旅行。他們把薹草啃的坑坑巴巴，又撿柳樹落在地上的新鮮枝條來吃。迎面走來的馴鹿先生與他炫耀著出生一周的兒子已經可以跟他們跑得一樣快了，並且禮貌的詢問龐德的身體情況。
溫暖的地方可以容下更多、更大型的動物。在 Kap København Formation 中，雖然沒有化石紀錄，但有採集到我們故事的主人公貝里托—乳齒象，以及他的朋友們—鴨科、小型齧齒動物、馴鹿等脊椎動物的古代 DNA。他們或許消失於在格陵蘭大陸上，或是留下外表相近的後代，不過可能都遷移到更溫暖的南方了。這些古代 DNA 紀錄的珍貴之處在於它細微的記錄了當地的生物，不需要完整的化石就能鑑定出科別；不過，如同植物紀錄的讀數與實際情況有所差異，這塊土地目前並沒有找到肉食動物存在的痕跡。因此，研究團隊希望進行更多的採樣，找出這裡是否有頂級掠食者的存在。他們也想用古代 DNA 紀錄了解當地的細菌、真菌類的生物相，因為這些容易被忽略的小生物最能反映當地的微棲地環境，可以更精緻的還原 Kap København Formation 的生態。
尾聲
親愛的貝里托，是我，大鴨子龐德。我已經老了，而你還年輕，依然要帶著你的妻兒在這片聖河周遭的土地繼續生活。總有一天，你也會像我一樣回到聖河，隨著聖河流向我們最終的歸宿。我們小時候一直糾結著這條河會去到哪裡，我想我快要知道了。
貝里托與龐德的最終歸宿，無疑是順著河流來到出海口，並沉積在 Kap København Formation 成為有機質。他們的 DNA 附著在石英晶體與黏土上，沒有被降解得太嚴重，因此就這樣被保留下來，讓我們得以窺見當時美麗蓬勃的北格陵蘭大陸生態系。同時根據這些動植物所遺留的痕跡，可以將 Kap København Formation 限縮為 2.4 百萬年左右，比放射性定年法更為精準。雖然目前仍然有許多未能解決的問題，或是仍然需要更多的採樣，但這樣新穎的研究方式為測定古代生態系的樣貌帶來新的理解，並且將最古老的 DNA 定序記錄推至兩百萬年前。這樣的技術不僅可以用在 Kap København Formation 這片曾經富饒的土地，也有機會施展在其他情況類似的地區。研究團隊表示非洲南部有適合的地方，其地質類似 Kap København Formation，可以較完整地把 eDNA 保留下來。或許他們也會在那裡進行類似的調查，找出當地曾經的樣貌，讓我們拭目以待！
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