PNAS：北极曾经郁郁葱葱，绿意盎然，未来可能又会重现
想象一下，不是白色的，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。科罗拉多大学博尔德分校的一项新研究发现，这就是12.5万年前最后一次间冰期时北美最北部地区的样子。
研究人员分析了从北极湖泊沉积物中提取的超过10万年前的植物DNA(出版物中分析的最古老的湖泊沉积物DNA)，并发现了加拿大北部生态系统原生灌木的证据，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，本周发表在《美国国家科学院院刊》(proceedings of National Academy of Sciences)上的这项发现，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�：奔目捶ǎ饪梢运凳潜奔认衷诟屡淖罱欢问奔洹Ｉた寺灼�(Sarah Crump)说。她在作为地质科学的博士生时进行了这项研究，之后在北极和阿尔卑斯研究所(INSTAAR)做博士后研究。
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发现了这种植物的DNA，表明它曾经生长在更远的北方。
“这与今天苔原植物的分布有很大的不同，”克伦普说，他目前是加州大学圣克鲁斯分校古基因组学实验室的博士后研究员。
尽管矮桦向北蔓延会产生许多潜在的生态效应，但克伦普和她的同事们研究了与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季和秋季可以突出于雪之上，使地球表面变成深绿色，而不是白色，导致它吸收更多的太阳热量。
“这是一种与海冰融化相似的温度反�。笨寺灼账�。
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。
克伦普说:“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。”
北极很容易看到增加了9度(5摄氏度)高于工业化前的水平,到2100年,同样的温度在过去的间冰期,这些发现可以帮助我们更好地了解我们的风景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。
泥浆显微镜
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，是格陵兰岛的猫角，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，年平均气温低于15°F(9.5°C)。在这种不适宜的气候下，土壤稀�。裁炊饕膊怀�。
但储存在下面湖床中的DNA却讲述了一个截然不同的故事。
为了找到这种珍贵的资源，克伦普和她的同事们在夏天小心地在便宜的充气船上保持平衡——这是他们唯一能携带的足够轻的船只——在冬天则注意从湖冰中寻找北极熊。他们用长圆柱形管道刺穿厚泥浆，深至其表面下30英尺(10米)，并将其锤入沉积物中。
这个危险的壮举的目的是什么?仔细地提取一段古代植物材料的垂直历史，然后带着它旅行并带回实验室。
虽然一些泥浆在科罗拉多大学博尔德分�？沙中茉从牖肪成缜�(SEEC)的最先进的有机地球化学实验室进行分析，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。
为了分享它们的秘密，这些泥芯必须穿越半个地球从北极到达澳大利亚。
当地的一个快照
进入实验室后，科学家们必须像宇航员一样穿上宇航服，在一个超干净的空间里检查泥浆，以确保他们自己的DNA不会污染任何辛苦得来的样本。
这是一场与时间赛跑。
克伦普说:“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。”
这就是为什么冷藏的老湖床样本没有达到目的。
虽然其他研究人员也收集并分析了来自北极永久冻土层(就像一个地下的天然冰柜)的更古老的DNA样本，但湖泊沉积物保持凉爽，而不是冻结。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。但花粉往往只显示出大的画面，因为它很容易被风吹来吹去，不会停留在一个地方。
克伦普和她的同事使用的新技术使他们能够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。
克伦普说:“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。
“在过去的生态系统中，我们所能看到的只是冰山一角，”克伦普说。“我们可以看到过去存在的一切，从Sport到哺乳动物，我们可以开始对过去的生态系统是怎样的以及它们是如何运作的有更广泛的了解。”
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这项研究的其他作者包括Jonathan H. rabberg, Julio Sepúlveda和科罗拉多大学博尔德分校的Gifford H. Miller;科罗拉多大学博尔德和史密斯学院的Gregory de Wet;加州大学的Sam Cutler;加州大学和霍华德·休斯医学院的贝丝·夏皮罗;Bianca Fréchette的Université du Québec à Montréal;科廷大学的马修·鲍尔;科廷大学(Curtin University)和新西兰环境保护局(New Zealand Environment protection Authority)的迈克尔·邦斯(Michael Bunce);阿拉斯加费尔班克斯大学的玛莎·k·雷诺兹;布法罗大学的杰森·p·布林纳和伊丽莎白·k·托马斯。
