Wetenschappers zijn erin geslaagd het oudste DNA ooit te sequentiëren, waarmee ze in het onderzoek naar oeroude genomen een symbolische barrière hebben doorbroken en een ongekend inkijkje hebben gekregen in de evolutie van enkele van de uitgestorven reuzen van de Noord-Amerikaanse IJstijd: de Amerikaanse en de wolharige mammoet.
De prestatie zal de mensheid niet dichter bij een herleving van deze prehistorische zoogdieren brengen, zoals in de film Jurassic Park, en het nieuwe onderzoek, dat gisteren werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature, is ook niet het eerste waarbij het genoom van een mammoet is gesequentieerd. Maar deze studie van DNA dat ruim één miljoen jaar oud is, betekent wel een nieuwe mijlpaal in het snel groeiende vakgebied van de paleogenetica, want het gaat om materiaal dat tweemaal zo oud is als het oudste genoom dat tot dan toe was gesequentieerd.
Het materiaal werd geïsoleerd uit de reusachtige kiezen van drie mammoeten die in de vroege jaren zeventig in Siberië werden ontdekt door de Russische paleontoloog Andrej Sher, een legende in het veldonderzoek naar mammoeten. Wetenschappers schatten dat de jongste van de drie kiezen tussen de 500.000 en 800.000 jaar oud is, terwijl de twee oudere kiezen vermoedelijk tussen de 1 en 1,2 miljoen jaar oud zijn. Het voorgaande record voor het oudste DNA dat ooit werd gesequentieerd, werd gevestigd door materiaal uit een bijna 700.000 jaar oud paardenfossiel dat in het Canadese Yukon Territory was gevonden.
“Het doorbreken van de ietwat magische barrière van één miljoen jaar opent als het ware een nieuw venster naar de prehistorie en naar de evolutie,” zegt hoofdauteur Tom van der Valk , een bio-informaticus van de van de Universiteit van Uppsala die aan het Centre for Palaeogenetics in Stockholm aan dit onderzoek werkte.
De bevindingen voegen verrassend nieuwe details toe aan het beeld dat wetenschappers hebben van de evolutie van Noord-Amerikaanse mammoeten. Zo wijst het oeroude DNA er sterk op dat de Amerikaanse mammoet (Mammuthus columbi), een van de grote Noord-Amerikaanse mammoetsoorten, een kruising is die tussen 400.000 en 500.000 jaar geleden ontstond – een resultaat dat alleen kon worden verkregen omdat het oudste DNA van de studie uit een tijd stamt die ver vóór deze afsplitsing ligt. “Met betrekking tot hogere organismen als gewervelde dieren kan ik geen voorbeeld bedenken waarbij er materiaal is afgenomen dat inzicht biedt in een soort die nog niet was ontstaan,” zegt Love Dalén, geneticus aan het Centre for Palaeogenetics en een van de auteurs van de nieuwe studie.
Hoe verder DNA-materiaal in het verleden ligt, des te meer kunnen wetenschappers zeggen over de evolutie van bepaalde diersoorten. Het succes van de studie wijst er ook op dat onder ideale omstandigheden nog dieper in de evolutionaire geschiedenis kan worden teruggekeken, mogelijk zelfs tot enkele miljoenen jaren geleden. (Nóg ouder DNA-materiaal zou in zulke kleine stukjes uiteen zijn gevallen dat het niet meer gesequentieerd zou kunnen worden.)
De wetenschappers begonnen in 2017 aan hun onderzoek naar de mammoetkiezen, toen het Centre for Palaeogenetics monsters van de mammoettanden ontving van de Russische Academie van Wetenschappen. Gehuld in beschermende kleding – in deze tijd van COVID-19 een grimmig vertrouwd beeld – begon een team onder leiding van genetica Patrícia Pečnerová, nu postdoctoraal-onderzoekster aan de Universiteit van Kopenhagen, aan het vermalen van de vijftig milligram tandpoeder van elk van de drie monsters. Pečnerová slaagde erin een minuscule hoeveelheid DNA aan elk van deze beetjes poeder te onttrekken, door ze te vermengen met chemische vloeistoffen die het DNA doet samenklonteren in druppeltjes ter grootte van een peperkorrel.
“Achter mijn gezichtsmasker en mondkapje bevind ik me eigenlijk in een soort cocon, om elke vorm van verontreiniging [door ander DNA] tot een minimum te beperken,” zegt Pečnerová. “Eén enkele menselijke cel zou in het reageerbuisje kunnen vallen” en het hele monster kunnen verpesten.
Het sequentiëren van het DNA was slechts de eerste stap. Vervolgens moesten Van der Valk en zijn collega’s ervoor zorgen dat ze zich alleen maar concentreerden op de snippers DNA die echt oeroud waren en ook echt van de mammoeten in kwestie afkomstig waren. Per slot van rekening hadden de kiezen ruim één miljoen jaar begraven gelegen in Siberische permafrost waarin het wemelt van de microben en waren ze in de bijna vijftig jaar daarna door wetenschappers opgegraven en gehanteerd. Ondanks strikte maatregelen om verontreinigingen te voorkomen, moesten de onderzoekers rekening houden met aanvullend DNA-materiaal dat de kiezen op hun lange reis hadden opgepikt.
Nadat het team het gesequentieerde DNA wekenlang met behulp van computers had gesorteerd, kon het nauwgezet enkele snippers mammoet-DNA identificeren die niet meer dan 35 basenparen lang waren. Deze werden vervolgens in kaart gebracht op een genoom dat in werkelijkheid ooit meer dan drie miljard basenparen moet hebben omvat.
Verrassende sequentie
Nu al heeft het nieuwe onderzoek nieuw licht geworpen op de evolutie van Noord-Amerikaanse mammoeten. Tot grote verbazing van de onderzoekers waren hun DNA-sequenties zó oud dat ze wezen op een tijd ver vóór het ontstaan van de Mammuthus columbi, de Amerikaanse mammoet, een van de twee grote mammoetsoorten die ooit over de Noord-Amerikaanse steppen hebben gezworven. Dat leverde de wetenschappers nieuwe inzichten op in de evolutie van deze reuzen.
Zo’n anderhalf miljoen jaar geleden hadden afstammelingen van Europese en Aziatische steppenmammoeten inmiddels Noord-Amerika bereikt, door vanuit Siberië de landbrug over te steken die nu onder de Straat Bering ligt. Deze nieuwe instroom leidde enige tijd later tot het ontstaan van Mammuthus columbi. Rond 100.000 tot 200.000 jaar geleden leefden in Noord-Amerika tenminste twee van de grotere mammoetsoorten: de wolharige mammoet (Mammuthus primigenius) in het noorden en Mammuthus columbi in zuidelijker contreien, tot aan Mexico toe. Door eerder genetisch onderzoek wisten de onderzoekers al dat Amerikaanse en wolharige mammoeten met elkaar paarden en dat daaruit hybride soorten waren voortgekomen.
Lange tijd gebruikten paleontologen de kenmerkende bovenkiezen van mammoeten om de verschillende soorten uit elkaar te houden. Op grond van gefossiliseerde mammoettanden namen ze aan dat de mammoetpopulatie die ná anderhalf miljoen jaar geleden in Noord-Amerika leefde, uit Amerikaanse mammoeten bestond. Maar terwijl de gevonden fossielen een duidelijke continuïteit aangeven, blijkt uit het genetische materiaal uit het nieuwe DNA-onderzoek dat er een grote verandering optrad.
Twee van de mammoetgenomen uit het nieuwe onderzoek sluiten aan op de afstammingslijn die later de wolharige mammoet voortbracht. Maar het DNA uit de oudste van de drie kiezen, die van de wetenschappers de bijnaam ‘Krestovka’ heeft gekregen (naar het riviertje waar hij is gevonden), leek te behoren tot een voorheen onbekende afstammingslijn die zich ongeveer anderhalf miljoen jaar geleden afsplitste van de afstammingslijn waartoe het DNA uit de andere twee kiezen behoorde.
Toen het team van Van der Valk het mysterieuze mammoetgenoom vergeleek met het eerder gesequentieerde genoom van de Amerikaanse mammoet, kwamen ze tot een verbluffende conclusie: Mammuthus columbi is een hybride die tussen de 400.000 en 500.000 jaar geleden ontstond na een kruising tussen Krestovka-mammoeten en Siberische wolharige mammoeten – een kruising die ergens in Siberië, Noord-Amerika of Beringië (de landbrug tussen de beide regio’s) moet hebben plaatsgevonden.
Na een tweede kruising die zo’n 200.000 jaar geleden in Noord-Amerika plaatsvond, nam Mammuthus columbi nog eens 11 tot 13 procent van zijn genoom van de wolharige mammoet over. Tegen de tijd dat de Amerikaanse mammoet uitstierf, zo’n 12.000 jaar geleden, kon ongeveer drie vijfde van zijn totale genoom worden herleid tot de wolharige mammoet, terwijl de resterende twee vijfde afkomstig was van de raadselachtige Krestovka-mammoet, die alleen bekend is van DNA uit één enkele kies.
Het onderzoek laat zien hoe goed (en hoe lang geleden) mammoetsoorten zich aan het koude klimaat hebben aangepast. Uit eerder onderzoek naar oeroud DNA waren al de genetische details van deze aanpassing aan de kou door wolharige mammoeten naar voren gekomen. Maar veel van de genenvarianten die verantwoordelijk zijn voor het vermogen van wolharige mammoeten om de bittere kou te doorstaan, doken voor het eerst op in veel oudere mammoetsoorten. En uit het nieuwe onderzoek blijkt nu dat meer dan 85 procent van deze varianten in de wolharige mammoet al ruim één miljoen jaar eerder aanwezig waren in de steppenmammoeten van Siberië, de verre voorouders van de wolharige mammoet.
Uit vondsten van fossielen is gebleken dat mammoeten rond één miljoen jaar geleden al in het hoge noorden leefden, dus is het niet verrassend dat deze noordse titanen zo goed tegen de kou konden. Maar de nieuwe studie biedt nu een uniek inkijkje in de snelheid waarmee dit aanpassingsproces aan de kou verliep. Mammoeten lijken hun ‘koudegenen’ in een min of meer gestaag tempo te hebben ontwikkeld, niet in korte evolutionaire sprints.
Details in het DNA
Volgens paleontologen zal de ontdekking dat Mammuthus columbi een hybride is, verder bijdragen aan de al lopende herwaardering van de fossielen die tot nu van Noord-Amerikaanse mammoeten zijn gevonden.
Uit recent onderzoek waarin fossielen van mammoettanden werden vergeleken met de stambomen van Noord-Amerikaanse mammoetsoorten, was al gebleken dat de verschillende vormen van deze tanden allerminst een directe verwijzing zijn naar de diverse mammoetsoorten, maar dat ze elkaar in heel Noord-Amerika per regio overlappen. De nieuwe studie benadrukt dat gegeven nog eens: vóór en ná 500.000 jaar geleden zijn er geen belangrijke veranderingen in de tanden van Noord-Amerikaanse mammoeten te ontwaren, terwijl de genetische veranderingen waaruit Mammuthus columbi voortkwam, immens groot waren.
“Zonder de genetica zouden we naar de morfologie kijken, oftewel naar veranderingen in vorm, en zonder die veranderingen in vorm kunnen we geen veranderingen in een soort constateren,” zegt Lindsey Yann, paleontologe van het Waco Mammoth National Monument in Texas. “Als je de genetische component toevoegt, dan kun je dingen echt van elkaar onderscheiden, en we hebben nu de gegevens om dat aan te tonen.”
Voor medeauteur Adrian Lister, paleontoloog van het Natural History Museum in Londen en een van de meest vooraanstaande mammoetexperts in de wereld, belicht het nieuwe onderzoek ook een al langer slepende kwestie: hoe moeten de tanden van Noord-Amerikaanse mammoeten worden geclassificeerd als er geen DNA beschikbaar is? Als Mammuthus columbi genetisch gezien pas rond de 400.000 tot 500.000 jaar geleden opduikt, hoe zouden paleontologen dan oudere mammoettanden moeten interpreteren die er precies hetzelfde uitzien? Tot nu toe heeft niemand een studie over DNA uit Noord-Amerikaanse mammoettanden gepubliceerd dat ouder is dan een half miljoen jaar.
Om meer stukjes aan de puzzel te kunnen toevoegen, zijn Dalén en zijn collega’s van plan om hun spectaculaire vaardigheden ook toe te passen op tanden van Noord-Amerikaanse mammoeten. Het team heeft al enkele mogelijke kandidaten voor toekomstige sequentiëring geïdentificeerd: een 500.000 jaar oude mammoettand uit Canada en een 200.000 jaar oude tand die vermoedelijk tot een wolharige mammoet behoorde.
Nu de wetenschappers de grens van één miljoen jaar hebben doorbroken, is het slechts een kwestie van tijd voordat nóg ouder DNA zijn geheimen zal prijsgeven. “Dat is het volgende grote doel,” zegt Dalén. “We hebben de gegevens gezien die we konden produceren en ik denk dat het relatief eenvoudig zal zijn om meer dan twee miljoen jaar terug te gaan, mits we een geschikt fossiel hebben.”
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
