中科院南古所，一起来聊聊古生物的事儿 阅读原文 我们有可能从琥珀里提取到 DNA 吗？ 琥珀是一种树脂化石，源于植物根、茎（主要分泌部分）和叶分泌的树脂。如果树脂在凝固之前将一些生物包裹其中，这些生物就有机会作为化石内含物被保存在树脂化石中。不过，琥珀并不是单纯的变硬的树脂。 树脂在凝固之后，会在很长一段时间内暴露在空气中，接受风吹日晒雨淋。在地表经历一系列物理、化学和生物作用后，留并的树脂有机会被掩埋在沉积物中再经历成岩等作用，这一复杂操作下来依然存在的，才有机会变成树脂化石——琥珀。 琥珀中保存的生物化石往往栩栩如生，以至于人们常常遐想是否能从其中提取 DNA 让这些生命重获新生。重温《侏罗纪公园 1》中的经典片段，「一位实验人员在琥珀中钻了一个通向一只蚊子的通道，之后使用带有长针头的注射器吸取蚊子体内的物质，提取出了带有恐龙 DNA 的血液，并以此来复活恐龙......」自此，从琥珀中提取 DNA 的设想被大众所熟知。 图 1 电影《侏罗纪公园 1》中实验人员使用电钻对琥珀进行钻孔，以便从琥珀蚊子中提取恐龙血液。来源：电影《侏罗纪公园 1》画面 其实，早在《侏罗纪公园 1》这部电影上映之前，科学家就已经在尝试从琥珀中提取 DNA 了。最早提出从琥珀中提取 DNA 这一想法的是美国古生物学家乔治·波纳尔(George Poinar Jr.)。在上世纪八九十年代，随着 DNA 扩增和测序技术的兴起，科学届掀起了一股研究古 DNA 的热潮，琥珀中活灵活现的生物被寄予了发现古 DNA 的极大希望。 在当时，很多科学家都报道了他们成功从琥珀生物内含物中提取古 DNA 的研究成果。这些化石对象包括中新世多米尼加琥珀中的蜜蜂、白蚁和豆科植物，早白垩世黎巴嫩琥珀中的象鼻虫等。甚至后来劳尔·卡诺（Raul J. Cano）还声称从缅甸琥珀中发现了休眠的酵母菌，并以此为噱头，开了个叫「化石酿造」的酿酒厂，推销起用「远古酵母菌」酿造的啤酒。 图 2 多米尼加琥珀中灭绝的白蚁化石；同种白蚁的其它的标本中提取出了 DNA 并进行测序。来源：DeSalle et al.,1992（研究结果后被证实是后期污染） 图 3 研究人员声称使用缅甸琥珀中提取的远古酵母酿造的啤酒。来源：Fossil Fuels Brewing 当然，之前研究的结果目前都已经被证明是错误的，现代的进一步研究也未能从同时代的琥珀标本中提取出 DNA，实验结果无法独立复制并验证。部分研究中发表的古昆虫 DNA 序列也被证明是其它昆虫或真菌序列，是污染造成的。总之，目前没有任何确信的研究证实琥珀能够提取出 DNA。 那么，到底能否从琥珀中提取出 DNA 呢？ 这就要从 DNA 自身的性质和琥珀的形成说起了。古 DNA 指的是残存在古代生物遗骸中的遗传物质（脱氧核糖核酸），载有生物遗传信息的古代生物分子。对于活体生物，细胞中存在着特定的机制用于修复时刻损伤的 DNA 序列。而当生物死亡后，细胞结构会遭受破坏，细胞中的核酸酶会主动切割 DNA，导致 DNA 断裂，水解、氧化和交联作用也会使 DNA 降解。随着生物遗骸的腐烂，微生物的生长会进一步加速 DNA 的降解。但在特殊情况下，如快速干燥、寒冷、高盐等不利于微生物生长的环境是可以减缓 DNA 的降解，可这些条件仍无法阻止 DNA 走向消亡的结局。 莫顿·艾伦托夫特（Morten Allentoft）等研究者通过对不同保存条件下恐鸟骨骼（距今 8000-600 年前）进行了古 DNA 提取研究，推测能够保留遗传信息的古 DNA 存在的时间上限大约为 150 万年。目前，人类提取到的最古老的古 DNA 序列是距今约 165 万年（基于遗传测年法）到 110 万年（基于沉积物年龄），这些 DNA 提取于一枚发现于西伯利亚冻土层中的猛犸象牙齿化石。 2020 年索洛萨诺·克雷默（Solórzano-Kraemer）等研究者对琥珀进行了新定义，认为琥珀应该是指老于更新世，即时代不晚于 258 万年前的树脂化石。由于这个年龄要超过 150 万年，按照上述古 DNA 保存的时间上限，琥珀中似乎就不太可能保存有遗传信息的 DNA 片段。 此外，一些琥珀埋藏学研究同样表明琥珀的形成过程不利于生物内含物 DNA 的保存。首先，琥珀保存在沉积岩中，这意味琥珀必然会经历成岩作用。在成岩过程中，琥珀会与周围的沉积物一样，承受高温高压，这种条件是不利于 DNA 的保存。 图 4 展示缅甸琥珀昆虫化石发生矿化的过程。来源：来自 Jiang et al., 2022 近期中国科学院南京地质古生物研究所研究表明琥珀中普遍保存有（非生物）矿化的内含物，典型例子是在缅甸琥珀中发现的以方解石和二氧化硅矿物形式保存的昆虫化石。这类矿化标本表明琥珀并不总是一个完全密闭的体系，携带发生矿化作用的化学成分的流体是可以沿着琥珀裂隙从外界进入到琥珀中的。一旦流体进入到琥珀内接触生物内含物，便会加速生物有机质的降解。矿化过程本身也会破坏或置换有机质。即使琥珀中的生物内含物没有发生矿化，肉眼可见的裂隙或者微裂隙也似乎广泛存在于琥珀中。因此，无论是在成岩作用前，成岩作用时，还是后期改造，流体都有可能沿着裂隙进入树脂（柯巴或琥珀）中，进而影响内含物的保存。 缅甸琥珀中矿化的生物化石也表明成岩作用对琥珀生物内含物的保存影响巨大。琥珀中生物化石的有机残留物也被证明发生过改造，其是经历成岩过程中的氧化交联作用后形成的稳定聚合物。 图 5 缅甸琥珀中矿化的短脉螽昆虫标本。来源：Jiang et al., 2022 由上述研究可知，当下我们无法从琥珀中提取出包含遗传信息的古 DNA 序列。而像《侏罗纪公园 1》中从蚊子体内提取恐龙血液也是不可能的，因为蚊子吸取的血液也会在参与化石形成的过程中消失殆尽。再严谨一些，《侏罗纪公园 1》中从琥珀中提取 DNA 实验的每一步操作都面临着污染的难题，比如暴露的空气、给琥珀钻孔的钻针和提取血液的注射器针头等，都有可能携带来自外界的 DNA，从而对样品造成污染。这些问题也同样存在于现代研究中。 现代研究中对于古 DNA 研究首先最重要的就是要最大限度的减少实验室污染和样品污染。减少实验室污染的措施包括设置超净实验室，注意实验仪器、试剂、人员操作等外界因素的影响。判断是否样品污染，需要从获得的真实数据结果、实验方法和流程、对照实验结果、理论模型结果等多方面的对比推测和分析判断，才能获得最终的相对确定的答案。总之，古 DNA 的研究无论从样品、实验室条件、实验技术、理论方法等都有着极为严格的要求。这使得我们想要从琥珀中提取出 DNA 充满挑战。 看到这里，许多朋友可能会认为，我们已经没有可能从琥珀中提取 DNA 了。真的是一丁点儿的希望都不存在了么？ 2021 年，古生物学家阿莉达·巴约勒（Alida Bailleul）和李志恒在一篇文章中总结了更新世之前的古 DNA 化石记录。认为前人在渐新世、始新世和白垩纪的植物化石以及恐龙化石中发现了保存有疑似古 DNA 的细胞核和染色体。这些古 DNA 是通过染色法观测到的，目前还不能通过提取和测序等方式得到。 图 6 始新世植物和白垩纪恐龙中染色的细胞和细胞核。来源：Bailleul and Li, 2021 A：约 8000 万年前的特暴龙骨细胞，福尔根染液染色；B：约 6600 万年前的霸王龙骨骼，赫斯特染液染色；C：约 4500 万年前的柏树嫩枝，全染色剂染色；D：5500 万年前的桃金娘科植物果实，福尔根染液、阿尔新蓝和欧利希苏木精染色；E：约 6600 万年前的霸王龙骨细胞，碘化丙啶染色；F：约 7500 万年前的亚冠龙软骨细胞，碘化丙啶染色；G：约 4700-4100 万年前的水杉叶片，福尔根染液、阿尔新蓝和欧利希苏木精染色 化石细胞核的组织化学和细胞化学的数据都证明更早的化石中保存有内源性的化石化古 DNA，且不是来自于外界的污染。研究认为当从化石中没有成功提取古 DNA，主要有两种可能性： 1）是化石中确实没有保留古 DNA，或者； 2）是化石保留了古 DNA 化石化产物，但依据目前的提取方法和测序技术暂时无法获取。这些研究结果表明对于更古老的化石是否能保存和提取古 DNA 还有极大的空间值得去验证和探索，更多的科研工作有待开展，似乎我们仍可以抱有一丝期待。 阅读原文
