In Sedimenten Nordgrönlands haben Forscher Erbgutfragmente entdeckt, die rund zwei Millionen Jahre alt sind. Die Umwelt-DNA eröffnet einen Blick auf einen Wald mit Mastodonten, Rentieren und Pflanzen, die heute in der Region nicht mehr wachsen. Der Fund aus dem Jahr 2022 gilt weiterhin als ältester bislang sequenzierter DNA-Nachweis. Vollständige Genome enthält das Material allerdings nicht.
Heute prägen Eis, Schnee und karge Tundra das Bild von Kap København im äußersten Norden Grönlands. Vor rund zwei Millionen Jahren sah die Landschaft grundlegend anders aus: Dort wuchs ein offener borealer Wald, in dem Tiere lebten, die man eher aus anderen Teilen der Welt kennt. Hinweise auf diese verschwundene Lebensgemeinschaft steckten nicht in Knochen oder gefrorenen Kadavern, sondern in winzigen Erbgutresten des Bodens.
Ein internationales Team um Kurt H. Kjær und Eske Willerslev von der Universität Kopenhagen untersuchte gemeinsam mit Forschern der Universität Cambridge Sedimente der Kap-København-Formation. Die Ergebnisse erschienen am 7. Dezember 2022 in Nature. Die Analyse von 41 Sedimentproben lieferte Umwelt-DNA von Pflanzen, Landtieren und Meeresorganismen. Damit verlängerte sich die bekannte Geschichte sequenzierter DNA deutlich über den zuvor untersuchten Mammutrekord hinaus.
Die Fundstelle liegt auf der Halbinsel Peary Land in Nordgrönland, nahe dem Arktischen Ozean. Die Kap-København-Formation enthält Ablagerungen aus einer Zeit, in der Flüsse und Küstengewässer organisches Material in einem küstennahen Lebensraum sammelten. Die Sedimente bewahrten Pflanzenreste, Pollen und andere Spuren früherer Lebensgemeinschaften. Für die DNA-Analyse wählten die Forscher 41 organisch reiche Proben von fünf Fundstellen aus.
Umwelt-DNA, häufig mit eDNA abgekürzt, bezeichnet Erbgut, das Organismen an ihre Umgebung abgeben. Zellen, Hautschuppen, Wurzeln, Kot oder andere biologische Reste können DNA in Boden und Wasser hinterlassen. Anders als bei einem Knochenfund muss dafür kein vollständiger Körper erhalten bleiben. Die Methode kann deshalb Hinweise auf viele Arten liefern, selbst wenn von ihnen keine sichtbaren Fossilien gefunden wurden.
Die Forscher sequenzierten nicht ein zusammenhängendes Erbgut eines einzelnen Tieres. Sie lasen Millionen kurzer DNA-Fragmente aus den Sedimenten aus und ordneten sie anhand von Vergleichssequenzen bekannten Organismengruppen zu. Dabei berücksichtigte das Team typische chemische Schäden alter DNA. Solche Veränderungen an den Enden der Fragmente helfen, sehr alte Moleküle von moderner Verunreinigung zu unterscheiden.
Die Altersbestimmung stützt sich auf mehrere voneinander unabhängige Ansätze. Die geologische Einordnung der Ablagerungen und paläomagnetische Untersuchungen liefern einen zeitlichen Rahmen; zusätzlich berechneten die Forscher das molekulare Alter der DNA. Die Ergebnisse passen zu einer Ablagerungszeit von ungefähr zwei Millionen Jahren. Die Studie gibt für das molekulare Alter eine obere Grenze des 95-prozentigen Wahrscheinlichkeitsbereichs von etwa 2,0 Millionen Jahren an. Das Alter ist damit eine wissenschaftlich begründete Schätzung und kein auf ein einzelnes Jahr genau bestimmter Zeitpunkt.
Die DNA zeichnet das Bild eines offenen borealen Waldes mit einer ungewöhnlichen Mischung aus arktischen und gemäßigten Arten. Unter den nachgewiesenen Bäumen waren Pappeln, Birken und Lebensbäume. Hinzu kamen Sträucher und Kräuter, darunter Pflanzengattungen, die heute in Grönland nicht mehr vorkommen oder dort nur weit südlicher verbreitet sind. Die Vegetation war vielfältiger, als es die zuvor bekannten Fossilien und Pollen allein erkennen ließen.
Auch die Tierwelt war bemerkenswert. Die genetischen Spuren weisen auf Hasen, Rentiere, Nagetiere und Gänse hin. Besonders überraschend war der Nachweis von Mastodonten. Diese ausgestorbenen Verwandten der Elefanten waren zuvor vor allem aus Nord- und Mittelamerika bekannt. Der Fund in Nordgrönland erweiterte daher das bekannte Verbreitungsgebiet dieser Tiere erheblich.
Wie die Mastodonten die Region erreichten, ist nicht geklärt. Die Forscher diskutieren, ob Tiere über heute verschwundene Land- oder Eisverbindungen nach Grönland gelangten oder möglicherweise sogar schwammen. Die DNA belegt ihre Anwesenheit im damaligen Ökosystem, aber nicht den konkreten Weg ihrer Ausbreitung. Ebenso wenig lässt sich aus den gefundenen Fragmenten eine genaue Anzahl der Tiere ableiten.
Die Nachweise spiegeln nicht jede Art mit derselben Wahrscheinlichkeit wider. Pflanzen hinterlassen in einer Landschaft oft mehr genetisches Material als seltene große Tiere. Auch Raubtiere können in den Proben fehlen, obwohl sie zum Ökosystem gehörten. Das Team fand keine eindeutigen DNA-Spuren großer Fleischfresser. Wölfe, Bären oder Säbelzahnkatzen wären in einem solchen Lebensraum denkbar, sind durch diese Untersuchung aber nicht belegt.
Die Sedimente enthalten nicht nur Spuren von Landorganismen. Die Forscher identifizierten auch DNA von Meereslebewesen, darunter Pfeilschwanzkrebse und Grünalgen. Diese Funde passen zu den Ablagerungsbedingungen einer Küsten- und Flussmündungslandschaft. Sie zeigen, dass die damalige Umwelt nicht allein aus Wald bestand, sondern auch marine Lebensräume einschloss.
Pfeilschwanzkrebse sind heute vor allem aus wärmeren Küstenregionen bekannt. Ihr genetischer Nachweis im damaligen Nordgrönland ergänzt deshalb das Bild eines deutlich milderen Klimas. Zusammen mit der Pflanzenwelt und weiteren Meeresspuren ergibt sich eine Lebensgemeinschaft, für die es in der heutigen Natur kein direktes Gegenstück gibt. Arktische und boreale Arten lebten dort neben Organismen, deren heutige Verbreitung weiter südlich liegt.
Die Rekonstruktion zeigt damit mehr als eine Liste ausgestorbener oder verdrängter Arten. Sie beschreibt ein Ökosystem, dessen Zusammensetzung durch die damaligen Temperaturen und die besonderen Lichtverhältnisse des hohen Nordens geprägt war. Die lange Polarnacht und die sehr hellen Sommer unterschieden sich nicht von den astronomischen Bedingungen heute, trafen damals aber auf ein erheblich wärmeres Klima. Das ergab Lebensbedingungen, die sich nicht einfach mit einem heutigen Wald in gemäßigten Breiten vergleichen lassen.
DNA zerfällt nach dem Tod eines Organismus normalerweise schrittweise. Wasser, Sauerstoff, Wärme und Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, die die langen Molekülketten zerschneiden oder verändern. Deshalb stammen die meisten bekannten alten DNA-Sequenzen aus vergleichsweise jungen Überresten, häufig aus dauerhaft gefrorenen Böden oder Höhlen mit stabilen Bedingungen.
In Kap København spielte offenbar die Bindung an Minerale eine wichtige Rolle. Die DNA haftete an Ton- und Quarzpartikeln im Sediment. Besonders Tonminerale können DNA-Moleküle stark an ihrer Oberfläche binden. Diese Anlagerung kann die Erbsubstanz vor Enzymen und anderen Abbauprozessen abschirmen. Die Bindung erschwerte zwar zugleich die Extraktion im Labor, half aber wahrscheinlich dabei, die Fragmente über geologische Zeiträume zu bewahren.
Die Forscher untersuchten auch, wie stark DNA an verschiedene Minerale bindet. Solche Experimente stützen die Annahme, dass mineralische Oberflächen einen Schutz bieten können. Der genaue Erhaltungsmechanismus ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Die Ergebnisse legen nahe, dass alte Umwelt-DNA nicht ausschließlich in Permafrost erhalten bleiben muss. Entscheidend könnten auch die mineralische Zusammensetzung und die Bedingungen im jeweiligen Sediment sein.
Das eröffnet eine Perspektive für weitere Fundorte. Tonreiche Ablagerungen könnten auch in Regionen mit wärmerem Klima genetische Spuren früherer Lebensgemeinschaften bewahren. Die Studie belegt allerdings noch nicht, dass sich die Methode überall anwenden lässt. Ob DNA in einem Sediment über Millionen Jahre erhalten bleibt, hängt von mehreren Umwelt- und Materialeigenschaften ab.
Die Fragmente lassen sich nicht zu vollständigen Genomen der damaligen Tiere zusammensetzen. Sie reichen aus, um viele Sequenzen bestimmten Pflanzen- und Tiergruppen zuzuordnen und ihre Verwandtschaft grob einzugrenzen. Für eine detaillierte Rekonstruktion sämtlicher Gene, körperlicher Merkmale oder individueller Abstammungslinien ist die erhaltene DNA zu lückenhaft. Auch eine Wiederbelebung ausgestorbener Arten ist mit diesem Material nicht möglich.
Der Wert der Untersuchung liegt vor allem in der Rekonstruktion ganzer Lebensgemeinschaften. Fossilien zeigen meist einzelne Organismen oder Körperteile, während Umwelt-DNA viele Arten aus demselben Ablagerungsraum erfassen kann. In Kap København ergänzen die Sequenzen die vorhandenen Pflanzenreste und Pollen. Bei einem großen Teil der auf Gattungs- oder Familienebene bestimmten Arten stimmen die DNA-Nachweise mit den zuvor bekannten Makrofossilien oder Pollenfunden überein. Das stärkt die Zuordnung der genetischen Spuren.
Gleichzeitig erweitert die Methode den Blick auf Arten, deren Körperreste selten erhalten bleiben. Die Studie fand deutlich mehr Pflanzengattungen als frühere Untersuchungen vergleichbarer Sedimente. Einige davon waren am Fundort zuvor weder durch Makrofossilien noch durch Pollen dokumentiert. Umwelt-DNA kann deshalb Lücken im Fossilbericht schließen, auch wenn sie die klassische Paläontologie nicht ersetzt.
Für die Evolutionsforschung ist besonders interessant, wie Pflanzen auf frühere Wärmeperioden reagierten. Die damalige Vegetation vereinte Arten, die heute in unterschiedlichen Klimazonen leben. Ihre genetischen Spuren können helfen, frühere Verbreitungswege und Anpassungen besser zu untersuchen. Daraus lassen sich mögliche Ansatzpunkte für die Frage gewinnen, wie Pflanzen auf steigende Temperaturen reagieren. Eine direkte Vorhersage, welche heutigen Arten den gegenwärtigen Klimawandel bewältigen, liefert die alte DNA jedoch nicht.
Vor der Veröffentlichung der Grönland-Studie galt DNA aus einem sibirischen Mammutzahn als ältester sequenzierter Nachweis. Sie war bis zu etwa 1,2 Millionen Jahre alt. Die Umwelt-DNA aus Kap København ist damit deutlich älter und stammt zudem nicht aus einem einzelnen erhaltenen Körper, sondern aus Sedimenten, die genetische Spuren vieler Organismen gesammelt haben. Ein jüngeres Beispiel für ein solches genetisches Archiv sind DNA-Spuren aus eiszeitlichem Erdhörnchen-Kot aus Kanada.
Die Veröffentlichung in Nature vom Dezember 2022 setzte den Rekord für die älteste bislang sequenzierte DNA. Auch in der bis November 2026 verfügbaren Quellenlage ist kein späterer, bestätigter Nachweis bekannt, der dieses Alter übertrifft. Die Formulierung bezieht sich ausdrücklich auf sequenzierte DNA und den dokumentierten Forschungsstand. Sie besagt nicht, dass ältere DNA grundsätzlich nicht existieren oder künftig gefunden werden kann.
Die Fundstelle bewahrt somit ein genetisches Archiv einer Landschaft, die heute unter Eis und Kälte liegt. In den Sedimenten sind nicht die vollständigen Baupläne ihrer Bewohner erhalten, sondern kurze molekulare Spuren. Zusammen ergeben sie dennoch ein erstaunlich vielfältiges Bild des Lebens im hohen Norden vor zwei Millionen Jahren.
Kjær, K. H. et al., A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA; Nature 612, 283–291 (2022); doi:10.1038/s41586-022-05453-y
Natural History Museum, The world's oldest DNA represents a two-million-year-old ecosystem
Reuters, Oldest DNA on record - 2 million years - reveals Greenland's lost world
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