在佐治亚州西部一个偏远洞穴的某个地方，在黑海海岸以东几十英里的地方，考古挖掘的科学家们在散落的石笋中寻找过去的碎片。在洞穴的地板上散落着古老的骨头，但那些对团队只有轻微的兴趣。相反，他们聚集了一堆沉积物，寻找古老的DNA。
古老的DNA，就像从铜器时代人类和冰冻猛犸象的木乃伊残骸中提取的DNA一样，曾经是一种珍贵的发现 - 只有通过对保存完好的化石和骨骼进行仔细测序才能获得。找到这些东西并不容易，通常需要长途跋涉到北极，大量的研究预算和相当多的运气。但现在，科学家们无处不在。
今年四月在科学报告中发表的洞穴研究结果表明，至少可以追溯到8万年前，这个地区出现了熊，狍和蝙蝠。但是，发现晚更新世动物的痕迹只是触及了环境DNA或eDNA的表面，这些遗传分子来自长期存在的生物，它们在土壤或其他地形中作为无细胞残留物存活。它的优势之一是它可以检测具有软体的生物残留物，使科学家能够重建整个生态系统，包括植物，藻类等。环境基因组学（或宏基因组学，因为它也是众所周知的）真正让我们在几粒沙子中看到古代世界。
据劳拉Parducci，在瑞典谁没有参与与纸，乌普萨拉大学的进化植物生态学家“[宏基因组技术]最大的好处是，你可以从那些实际上并不在化石记录可见的物种得到的DNA。” Parducci通过从斯堪的纳维亚湖床沉积物中提取eDNA来研究古老的生态系统。她希望了解植物群落过去对气候变化的反应。对古代植物的深入见解传统上落后于动物，因为种子和木材等植物残留物通常比耐用的动物骨骼更容易腐烂，并且在地质记录中更难找到。此外，Parducci还希望重建微生物等生物的过去，这些微生物没有明显的痕迹。
有机体死亡的那一刻，它的身体开始分解。它的细胞破裂，其内容物溢出到环境中。科学家在过去二十年中所意识到的是，即使身体的物理结构消失，其DNA仍可持续数百年。
哥本哈根大学的进化遗传学家Eske Willerslev在最不可能的地方发现了这种DNA，包括冰川下面的土壤，洞穴等等。他的工作通过重建长达45万年，甚至更老的生态系统，帮助改写了全球许多地方的自然历史。他声称这个想法是作为一名研究生来到他身边的。“那是秋天，我看到树叶从树上掉下来，我看到一条狗在街上乱扔垃圾，”他回忆说，所有这些都让他想知道：“那个DNA怎么了？它能以某种方式保存在沉积物中或放在它的土壤中吗？'“
他研究的研究对象是在2000到4000年前被困在冰盖中的微生物，他要求他从冰川冰芯中提取古老的DNA。但是冰芯的获取成本很高，并且可能存在其他更容易接近的古代DNA积累的地方的想法对他很有吸引力。
但他的论文顾问在威勒斯列夫提出这个想法时笑了，因为前景似乎很暗淡。随着时间的推移，细胞外的DNA会累积各种类型的损伤。例如，它被分解成微小的碎片，其末端充满了核苷酸碱基对取代的错误，进一步扼杀了它编码的任何信息。冰川的深度冻结似乎是DNA可能存在数千年来或多或少完整存活的唯一地方。
不过，威勒斯列夫继续前进。他把手放在考古挖掘地点的永久冻土上，这个遗址通常会被丢弃，他设法从中提取了一些DNA。流行的观点认为，DNA应该过多地存在碱基对错误，以说出过去的任何有价值的东西。
相反，当他分析样品时，他惊讶地发现引物可以拉出古代猛犸象，野牛，马和各种植物的DNA。他说，从仅仅2克的西伯利亚沉积物可以追溯到1万到5万年前，他说，“你们拥有这种巨大的多样性。”
这项研究发表于2003年的“ 科学”杂志，是最早展示古代环境DNA潜力的研究之一。但是获得DNA的新方法也需要一种新的分析技术。“你不能只是采取DNA样本并按照你使用骨头的方式进行排序 - 它会非常混乱，”Willerslev说。
一丛古老的土壤中含有来自动物，植物和微生物的切碎的DNA片段。每个物种都有一段独特的DNA字母。科学家面临的挑战是解析As，Gs，Cs和Ts的弦，以确定它们的起源。
在称为元条形码的技术中，DNA从土壤中提取并直接测序或首先扩增以制备更多的拷贝。科学家有时会使用通用引物，它能识别一个物种或家族中所有生物体的小DNA序列; 然后，这些分子可以通过聚合酶链式反应鉴定出要扩增或复制的所有植物DNA或动物DNA。在称为鸟枪测序的另一种技术中，所有DNA片段同时进行测序。然后将通过任一技术分离的序列与已知序列的文库匹配，并且科学家可以看到样品中包含哪些特定的植物，动物或微生物。威勒斯列夫将这一过程比作警察取证，
创建过去的准确图片取决于古代DNA样本的质量和保存。当一个生物体死亡时，它的DNA变得容易受到各种各样的威胁，比如DNA消化酶会从死细胞中溢出，而微生物会在腐烂的组织上肆虐。环境也可能是一种威胁，用紫外线对遗传物质进行爆破。随着时间的推移，DNA被分裂成小块，其序列变得充满了核苷酸缺失和错误。
例如，在称为水解脱氨的过程中，碱性胞嘧啶自发地失去其氨基并变成尿嘧啶。通常在DNA中，胞嘧啶与鸟嘌呤结合，胸腺嘧啶与腺嘌呤结合。当古DNA在实验室中复制时，这种损伤导致DNA链中的腺嘌呤高于正常值。这个过程在古代DNA中是如此可预测，科学家们甚至将其视为确认分子古代的一种方法。
科学家们更喜欢在冰或永久冻土中找到DNA，因为它会减缓或抑制这些破坏性过程。洞穴和湖床也是保护环境。到目前为止，最古老的eDNA回收来自永久冻土; 约会技术将其定位在450,000到80万年之间。任何比这更旧的样品可能太无可救药地降解和污染而没有意义。不幸的是，对于侏罗纪公园的粉丝来说，恐龙DNA - 可追溯到数千年或数亿年之久 - 永远不可能被追回。
Parducci主要研究困在湖床中的古老DNA，他解释说使用eDNA时有许多警告。首先，metabarcoding中使用的一些引物比其他引物更好。结果，他们以不同的速率扩增其靶向DNA片段，这可能扭曲原始DNA比率。
其次，用于匹配和鉴定提取的DNA的数据库不完整。当科学家上传关于个体物种的DNA序列数据时创建的数据库不能反映野生生物的总量。尽管如此，Willerslev表示乐观地认为“数据库呈指数增长，这意味着每年的识别水平都在提高。”
Jama Wood是Manaaki Whenua Landcare Research的古生态学家，他研究过去5万年来新西兰的生态系统功能和组成，他解释说，还必须采取艰苦的措施来确保现代DNA在古代样本中不会混淆。
他说用现代DNA很容易污染古老的样本，然后很难将两者分开。例如，他偶尔会在他的样本中发现香蕉，尽管香蕉不是新西兰原产的植物，他在那里收集eDNA。这种香蕉可能是由吃水果和处理样品的科学家或制造试剂的人引入的。香蕉也经过了大量测序，在植物DNA数据库中有很好的代表性，这增加了虚假匹配的可能性。在他的作品中，伍德必须小心翼翼地从小说中剔除事实。
为此，他将DNA分析与花粉和地质记录信息结合起来。“每个人都会告诉你一些关于过去的事情，”伍德说。“当你将它们全部一起使用时，真正的力量在于理解那些过去的生态系统。”
Wood最近从5万年前从智利阿塔卡马沙漠的岩石裂缝中埋藏的啮齿动物中获得了古老的DNA。由一些植物制成并用古老的啮齿动物尿液覆盖的middens，保存了很好的DNA。伍德对他可能找到的植物病原体特别感兴趣，以及在该地区年降水量较高的时期，他们的流行程度可能在最后一次冰河期后发生了变化。
该结果发表在去年11月的科学报告中，发现了六种不仅含有植物病原体的分类群。虽然由于DNA过于恶化，他无法确定存在的确切物种，但他能够缩小样品范围。在一个例子中，他发现了卵菌，一组称为水霉菌的生物，其中包括引起马铃薯枯萎病的微生物Phytophthora。
该报告报道了从植物病原体中回收的最古老的DNA。其中一些木材被发现，降雨量增加推动了它们的流行。他有兴趣使用过去的数据来预测植物病害，尤其是那些影响作物的病害，可能会受到变暖和潮湿气候的影响。对于Wood来说，这类工作“可以帮助改善模型和预测未来气候变化可能会如何变化的能力。”
阿巴卡马沙漠的一只啮齿动物在伍德的团队中采样。它可以追溯到5万年前。
虽然许多科学家正在为古老的DNA搜寻洞穴，湖泊和化石啮齿动物的粪便，但其他科学家正在向大海进军。来自澳大利亚昆士兰大学的海洋生物学家MaríadelCarmenGómezCabrera和她的研究团队正在利用海底古老的环境DNA来了解大堡礁珊瑚群落的变化情况。
在过去200年左右的时间里，大堡礁中快速生长的珊瑚被一种生长缓慢，耐污染的品种所取代。这一变化恰逢欧洲殖民化在澳大利亚的崛起，在过去的70年里变得更加明显，这一时期的特点是清理土地，饲养牲畜和种植单一作物的水污染。
珊瑚礁是数千种物种的奇妙多样的生态系统，其中许多物种没有留下化石记录。对于GómezCabrera来说，了解与珊瑚共享大堡礁的其他生物将随着时间的推移提供有关珊瑚礁健康的丰富信息。例如，当珊瑚死亡，水中的污染或称为珊瑚褪色的病理状况时，它们会留下一个空间很快被海藻定居。因此，某些类型的海藻可以用作衡量珊瑚死亡的代表。因此，GómezCabrera开始在大堡礁的eDNA记录中找到海藻的迹象，作为那里珊瑚死亡的历史速度的指南。
GómezCabrera说：“在我们的脑海中始终存在着一个令人讨厌的问题，即我们试图仅根据极少数玩家描绘过去的生态系统。”
为了获得沉积物核心，她和她的团队穿上了潜水装备并前往大堡礁收集沉积物样本。他们将长约5米，直径10厘米的铝管敲入沉积在13000年的珊瑚礁寿命中的硬质和硬质珊瑚。GómezCabrera说：“我们只是用锤子敲击并用锤子砸到沉积物中，直到我们能够进入管道。” “这是非常艰苦的劳动。”
在取出核心并带回实验室进行分析后，科学家们从750年前就获得了海藻DNA。他们在2月份发表的论文中发现，在珊瑚难以找到的时期，棕色海藻的相对丰富程度很高，反之亦然。结果表明棕色海藻DNA可用于了解珊瑚随时间的增长。
作者警告说，他们的结果可能受到古代DNA差异保存的影响，因为来自所有生物和地点的DNA可能不会同样受到良好的保护，不会随着时间的推移而降解。但这一发现在整个珊瑚礁的许多不同核心中被复制，支持了他们的结论。
这项早期研究表明，eDNA可以提供有关珊瑚礁中软体生物群落结构的有价值信息。将来，这可能会提供更全面的珊瑚礁健康状况。
随着方法的改进和参考DNA文库的扩展，许多科学家被鼓励认为环境DNA最终将使他们不仅可以看到过去的生物多样性，还可以看到过去的进化变化。在几年之内，“我认为你可以开始看待选择之类的东西，例如，”威勒斯列夫说。通过观察物种中随时间推移的基因频率，他们可以收集出有机体如何根据环境变化和选择压力进化而来的图片。
“对环境DNA的研究将大大增加我们对过去的了解，” 莱比锡马克斯普朗克进化人类学研究所的进化人类学家Mareike Cordula Stahlschmidt说。Stahlschmidt是石笋纸的第一作者，他认为它是古生态学工具箱的一个强有力的新成员。
这个场景正在世界各地的考古挖掘场所展开：科学家们越来越关注从考古挖掘出土的土堆，而不仅仅是骨头和文物。如果您想象一个考古挖掘场所能够以获得骨骼成本的一小部分为数十个实验室提供材料，那么可以合理地说该领域将迅速扩展。
“我认为这是未来的发展方向，”威勒斯列夫说。
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