ビンガムトン大学の教授を含む国際科学者チームは、人新世とされる有名な場所であるクロフォード湖周辺地域における生態学的変化と人間の影響を記録した1,000年のタイムラインを再現した。

湖の底の堆積物に保存されているのが見つかった古代の堆積物 DNA (sedaDNA) のサンプルを分析することで、科学者たちは、植物、動物、細菌、菌類を含む湖の周囲の生態系全体の多様で高解像度のデータセットを再構築し、何世紀にもわたる変化をマッピングすることができました。

クロフォード湖はメロミティック湖であり、水柱が湖底と混ざり合わないことを意味します。その独特の特性により、上層の堆積物が湖の底に沈降し、方解石と有機層（有機物が豊富な堆積層）の交互の層に保存されます。

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「木の年輪のように、堆積物の各層は特定の年の年代を示すことができ、時間の経過に伴う環境変化の非常に保存された記録を提供します」と、この研究の共同筆頭著者でビンガムトン大学人類学助教授のマシュー・エメリー氏は述べた。

「これらの堆積性生体分子の分析は、生態系全体が時間の経過とともにどのように変化したかを示しています。地域農業以前の時代から、ロングハウス族による先住民農業の時代を経て、敷地放棄と地域生態系の継承が続き、伐採、製材、製粉、農業、そして最後に世界的な工業化の新たな影響を伴うヨーロッパ・カナダ時代に入りました」とタイラー氏は述べた。この研究の共同筆頭著者であり、ハカイ研究所の生物多様性ゲノミクス:古代DNAの主任科学者であり、マクマスター大学の人類学の非常勤助教授でもある。

研究者らが人新世（人類が環境に永続的に与えた影響を特徴とする地質学的時代と提案されている）の利点について議論したため、この湖は科学界で世界的に有名になった。クロフォード湖の堆積物には、化石燃料、プラスチック、人工肥料、酸性雨、さらにはプルトニウムの痕跡など、人間による影響の良好な記録が保存されているため、ニューエイジの地質学者のお気に入りでした。最終的には否定されましたが、人新世の正当性をめぐる議論は続いています。

「私たちが本当に見ているのはアーカイブ、つまりタイムカプセルだ」とエメリー氏は語った。 「それぞれの層には、その層が形成されたときに湖の周りに生息していた植物や動物が生息しており、順序が崩れていなければ、何世紀、何千年にもわたって正確に読むことができます。」

クロフォード湖は何十年にもわたって科学的な精査の対象となってきたため、sedaDNAを使用する科学者にとっては、自分たちの研究を検証し、新たな洞察を明らかにする比類のない機会を提供してきました。

「私たちが発見したもののいくつかは、クロフォード湖での数十年にわたる研究がすでに示していたことを裏付けるものでしたが、sedaDNAはまた、これまで誰も見たことのないことも明らかにしました」とマーチー氏は述べた。 「たとえば、牛のDNAは1800年代初頭に遡る堆積物中に出現し、従来の古生態学的記録では見えなかった、周囲の風景に牛がいたという新たな証拠が得られる。また、長年にわたって残された環境DNAの断片を通じて、藻類、細菌、植物、動物、昆虫のモザイクの変化を同時に追跡することもできる。」

マーチー氏は、筆頭著者であるマクマスター大学人類学教授のヘンドリック・ポイナール氏とともに、堆積岩やその他の情報源で見つかった古代の DNA の配列決定に幅広く取り組んだ。

有用な DNA をバックグラウンドノイズから分離するために、科学者は、サンプル中に特定の種の DNA が存在する場合、それに結合する RNA で作られた遺伝的餌を使用します。 RNA は磁気ビーズにも結合するため、研究者は磁石を使用して標的 DNA をコイル状に巻き付けることができます。

「これらの技術は、絶滅した人類の親戚であるネアンデルタール人やデニソワ人を含む、更新世の絶滅した巨大動物相や哺乳類を狙うように設計された」とエメリー氏は述べた。 「現在、私たちは湖の泥の中でそれらを使用して、人間と環境の相互作用を何世紀にもわたって地質時代にまで遡って追跡しています。私が注目に値するのはその範囲と解像度です。」

ベイトを組み合わせて、一度に数百または数千の種のゲノムをターゲットにするアセンブリを作成できます。キャプチャ エンリッチメントと呼ばれるこの方法は、ランダムまたはショットガン シーケンスと比較してはるかに効率的です。

ポイナール氏は、「捕獲強化により、対象となる動植物を非常に厳選することができる。事前に何を探したいか、つまり、そこにいるかもしれない、あるいはいるかもしれないと思うものを決めることができる」と語った。

マクマスターでは、ポイナーは古代 DNA にキャプチャーエンリッチメントをもたらした最初の人物の 1 人であり、古代世界に関する多くの洞察力に富んだ発見につながりました。

「最大の驚きの一つは、古いDNAほど損傷が大きいとは限らないということだ」とマーチー氏は語った。 「クロフォード湖の動植物から採取された約500年前の湖のDNAの一部は、カナダ北西部の永久凍土地域から採取された数万年、数十万年前のDNAよりも損傷を受けており、保存条件が単に年齢よりもはるかに重要であることを示している。」

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「この研究のデータは、1200年代から1500年代にかけてクロフォード湖の近くでトウモロコシ（トウモロコシ）やヒマワリを栽培していた先住民族の存在も裏付けています。

スリー シスターズ農業は、森林時代後期 (西暦約 1000 ～ 1650 年) に五大湖地域に導入された先住民の農業技術です。トウモロコシ、豆、カボチャなど、一緒に植えるとお互いの成長を助け合う作物が描かれています。ひまわりも含めると四姉妹と呼ばれる技。

科学者たちは、湖のコアサンプルのDNAシルク分析を使用して、フォーシスターズの作物のうち2つ、トウモロコシとヒマワリを初めて検出した。この発見はまた、科学者が初期の農業の影響を含む人為的な環境変化を理解するのにも役立っている。

「先住民族の農業が行われていた時期に、カナダガンのDNAが急激に増加していることがわかります。これは、ガンが耕地を食べてからクロフォード湖で休んでいることと一致しています」とマーチー氏は述べた。 「彼らの糞は、栄養分と彼らが食べていた作物の痕跡の両方を湖に運び込んだと考えられ、堆積物のDNA記録からも分かるように、栄養素の流入による繰り返しの藻類の発生を促進した可能性が高い。」

科学的には富栄養化現象として知られる藻の発生は、水中の過剰な栄養素によって引き起こされます。これらの栄養素はガチョウの糞などの自然源からも得られますが、今日では人工肥料によって強化されることがよくあります。 sedaDNA の記録によれば、藻類の発生により敷地放棄が引き起こされた可能性があり、これは複数回発生しているという。

1500 年代に放棄された後、クロフォード湖の生態系は最終的にマツ、ウサギ、シカ、ビーバー、アビに戻り、トウモロコシが著しく減少しました。

化石と花粉の研究により、クロフォード湖周辺の村に豆やカボチャの存在が発見されていますが、これらの標的は湖の堆積物からは発見されていません。科学者らは、これはガチョウがトウモロコシやヒマワリを好んで食べること、または DNA 分析に使用される餌の種類に違いがあることが原因である可能性があると考えています。

この研究では、更新世および完新世初期の遺跡向けに設計された餌のセットであるパレオチップ北極 v1.0 が使用されました。これは、クロフォード湖での人間の活動が最も現代的に行われた時期よりもはるかに古いものです。チームは、より良い漁獲量を得るために餌セットの改良に取り組んでいます。

「我々の結果に豆やカボチャが含まれていないことは、将来の古代DNA研究のための東部森林パネルを開発する重要性を浮き彫りにしている」とマーチー氏は述べた。

1月、ポイナールとマーチーはNSERCアライアンスから、永久凍土と海洋堆積物のための改善されたシルクDNA手法を開発し、長期的な陸上および海洋生態系動態の再構築を支援し、カナダ古代DNAネットワークを構築するための助成金を受け取った。

「私たちの研究は、遺伝学、考古学、伝統的な先住民の知識、湖の化学、地球化学などの協力によってのみ可能でした。これらは、未知のものをもう少し具体的にすることと、まるで魔法のように過去を回復することの交差点にあります」とポイナール氏は語った。

国際チームには、マクマスター大学、ハカイ研究所、ブロック大学、アルバータ大学、カナダのブリティッシュコロンビア大学の科学者が含まれていました。米国のビンガムトン大学とアリゾナ州立大学。そしてスウェーデンのストックホルム大学。

この研究は本日、分子生態学誌に掲載されました。