我們能從琥珀中提取DNA嗎

中科院南古所

琥珀是一種樹(shù)脂化石，源于植物的根、莖（主要分泌部位）和葉分泌的樹(shù)脂。如果樹(shù)脂在凝固之前將一些生物包裹其中，這些生物就有機(jī)會(huì)作為化石的內(nèi)含物被保存在樹(shù)脂化石中。不過(guò)，琥珀并不是單純的變硬的樹(shù)脂。

樹(shù)脂在凝固之后，會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)暴露在空氣中，接受風(fēng)吹日曬雨淋。在地表經(jīng)歷一系列物理、化學(xué)和生物作用后，留存的樹(shù)脂有機(jī)會(huì)被掩埋在沉積物中再經(jīng)歷成巖等作用，經(jīng)過(guò)這一復(fù)雜操作下來(lái)依然存在的，才有機(jī)會(huì)變成樹(shù)脂化石——琥珀。

琥珀中保存的生物化石往往栩栩如生，以至于人們常常遐想能否從中提取DNA讓這些生命重獲新生。重溫《侏羅紀(jì)公園1》中的經(jīng)典片段，“一位實(shí)驗(yàn)人員在琥珀中鉆了一個(gè)通向一只蚊子的通道，之后使用帶有長(zhǎng)針頭的注射器吸取蚊子體內(nèi)的物質(zhì)，提取出了帶有恐龍DNA的血液，并以此來(lái)復(fù)活恐龍……”自此，從琥珀中提取DNA的設(shè)想被大眾所熟知。

其實(shí)，早在《侏羅紀(jì)公園1》這部電影上映之前，科學(xué)家就已經(jīng)在嘗試從琥珀中提取DNA了。最早提出從琥珀中提取DNA這一想法的是美國(guó)古生物學(xué)家喬治·波納爾（George Poinar Jr.）。20世紀(jì)八九十年代，隨著DNA擴(kuò)增和測(cè)序技術(shù)的興起，科學(xué)界掀起了一股研究古DNA的熱潮，琥珀中活靈活現(xiàn)的生物被寄予了發(fā)現(xiàn)古DNA的極大希望。

當(dāng)時(shí)，很多科學(xué)家都報(bào)道了他們成功從琥珀生物內(nèi)含物中提取古DNA的研究成果。這些化石對(duì)象包括中新世多米尼加琥珀中的蜜蜂、白蟻和豆科植物，早白堊世黎巴嫩琥珀中的象鼻蟲(chóng)等。甚至后來(lái)勞爾·卡諾（Raul J. Cano）還聲稱(chēng)從緬甸琥珀中發(fā)現(xiàn)了休眠的酵母菌，并以此為噱頭，開(kāi)了個(gè)叫“化石釀造”的釀酒廠(chǎng)，推銷(xiāo)起用“遠(yuǎn)古酵母菌”釀造的啤酒。

當(dāng)然，之前研究的結(jié)果目前都已經(jīng)被證明是錯(cuò)誤的，現(xiàn)代的進(jìn)一步研究也未能從同時(shí)代的琥珀標(biāo)本中提取出DNA，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法獨(dú)立復(fù)制并驗(yàn)證。部分研究中發(fā)表的古昆蟲(chóng)DNA序列也被證明是其他昆蟲(chóng)或真菌序列，是污染造成的。總之，目前沒(méi)有任何確信的研究證實(shí)琥珀能夠提取出DNA。

那么，到底能否從琥珀中提取出DNA呢？

這就要從DNA的性質(zhì)和琥珀的形成說(shuō)起了。古DNA指的是殘存在古代生物遺骸中的遺傳物質(zhì)（脫氧核糖核酸），載有生物遺傳信息的古代生物分子。對(duì)于活體生物，細(xì)胞中存在著特定的機(jī)制用于修復(fù)時(shí)刻損傷的DNA序列。而當(dāng)生物死亡后，細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)遭受破壞，細(xì)胞中的核酸酶會(huì)主動(dòng)切割DNA，導(dǎo)致DNA斷裂，水解、氧化和交聯(lián)作用也會(huì)使DNA降解。隨著生物遺骸的腐爛，微生物的生長(zhǎng)會(huì)進(jìn)一步加速DNA的降解。但在特殊情況下，如快速干燥、寒冷、高鹽等不利于微生物生長(zhǎng)的環(huán)境是可以減緩DNA的降解的，可這些條件仍無(wú)法阻止DNA走向消亡。

莫頓·艾倫托夫特（Morten Allentoft）等研究者通過(guò)對(duì)不同保存條件下的恐鳥(niǎo)骨骼（距今8000-600年前）進(jìn)行了古DNA提取研究，推測(cè)能夠保留遺傳信息的古DNA存在的時(shí)間上限為150萬(wàn)年。目前，人類(lèi)提取到的最古老的古DNA序列是距今約165萬(wàn)年（基于遺傳測(cè)年法）到110萬(wàn)年（基于沉積物年齡），這些DNA提取于一枚發(fā)現(xiàn)于西伯利亞凍土層中的猛犸象牙齒化石。

2020年索洛薩諾·克雷默（S o lór z a n o - K r a e m e r）等研究者對(duì)琥珀重新進(jìn)行了定義，認(rèn)為琥珀應(yīng)該是指老于更新世，即時(shí)代不晚于258萬(wàn)年前的樹(shù)脂化石。由于這個(gè)時(shí)間要超過(guò)150萬(wàn)年，按照上述古DNA保存的時(shí)間上限，琥珀中似乎就不太可能保存有遺傳信息的DNA片段。

近期中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的一項(xiàng)研究表明琥珀中普遍保存有（非生物）礦化的內(nèi)含物，典型例子是在緬甸琥珀中發(fā)現(xiàn)的以方解石和二氧化硅礦物的形式保存的昆蟲(chóng)化石。這類(lèi)礦化標(biāo)本表明琥珀并不總是一個(gè)完全密閉的體系，攜帶發(fā)生礦化作用的化學(xué)成分的流體是可以沿著琥珀的裂隙從外界進(jìn)入琥珀中的。一旦流體進(jìn)入琥珀內(nèi)接觸生物內(nèi)含物，便會(huì)加速生物有機(jī)質(zhì)的降解。礦化過(guò)程本身也會(huì)破壞或置換有機(jī)質(zhì)。即使琥珀中的生物內(nèi)含物沒(méi)有發(fā)生礦化，肉眼可見(jiàn)的裂隙或者微裂隙也似乎廣泛存在于琥珀中。因此，無(wú)論是在成巖作用前，成巖作用時(shí)，還是后期改造，流體都有可能沿著裂隙進(jìn)入樹(shù)脂（柯巴或琥珀）中，進(jìn)而影響內(nèi)含物的保存。

由上述研究可知，當(dāng)下我們無(wú)法從琥珀中提取出包含遺傳信息的古DNA序列。而像《侏羅紀(jì)公園1》中從蚊子體內(nèi)提取恐龍血液也是不可能的，因?yàn)槲米游〉难阂矔?huì)在參與化石形成的過(guò)程中消失殆盡。再?lài)?yán)謹(jǐn)一些，《侏羅紀(jì)公園1》中從琥珀中提取DNA實(shí)驗(yàn)的每一步操作都面臨著污染的難題，比如暴露的空氣、給琥珀鉆孔的鉆針和提取血液的注射器針頭等，都有可能攜帶來(lái)自外界的DNA，從而對(duì)樣品造成污染。這些問(wèn)題同樣存在于現(xiàn)代研究中。

現(xiàn)代研究中對(duì)于古DNA研究最重要的就是要最大限度地減少實(shí)驗(yàn)室污染和樣品污染。減少實(shí)驗(yàn)室污染的措施包括設(shè)置超凈實(shí)驗(yàn)室，注意實(shí)驗(yàn)儀器、試劑、人員操作等外界因素的影響。判斷是否樣品污染，需要從獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)方法和流程、對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論模型結(jié)果等多方面的對(duì)比推測(cè)和分析判斷，才能獲得最終的相對(duì)確定的答案。總之，古DNA的研究對(duì)樣品、實(shí)驗(yàn)室條件、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論方法等都有著極為嚴(yán)格的要求。這使得我們想要從琥珀中提取出DNA充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。

看到這里，許多朋友可能會(huì)認(rèn)為，我們已經(jīng)沒(méi)有可能從琥珀中提取DNA了。真的是一丁點(diǎn)兒希望都不存在了嗎？

2021年，古生物學(xué)家阿莉達(dá)·巴約勒（Alida Bailleul）和李志恒在一篇文章中總結(jié)了更新世之前的古DNA化石記錄。認(rèn)為前人在漸新世、始新世和白堊紀(jì)的植物化石及恐龍化石中發(fā)現(xiàn)了保存有疑似古DNA的細(xì)胞核和染色體。這些古DNA是通過(guò)染色法觀測(cè)到的，目前還不能通過(guò)提取和測(cè)序等方式得到。

化石細(xì)胞核的組織化學(xué)和細(xì)胞化學(xué)的數(shù)據(jù)都證明更早的化石中保存有內(nèi)源性的化石化古DNA，且不是來(lái)自外界的污染。研究認(rèn)為從化石中沒(méi)有成功提取古DNA，主要有兩種可能性：一是化石中確實(shí)沒(méi)有保留古DNA，二是化石保留了古DNA化石化產(chǎn)物，但依據(jù)目前的提取方法和測(cè)序技術(shù)暫時(shí)無(wú)法獲取。這些研究結(jié)果表明對(duì)于更古老的化石是否能保存和提取古DNA還有極大的空間值得去驗(yàn)證和探索，更多的科研工作有待開(kāi)展，似乎我們?nèi)钥梢员в幸唤z期待。