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【编辑推荐】为揭示北极海洋生态系统对气候变化的响应，研究人员通过分析北极格陵兰岛北部 4 个海洋沉积岩芯的沉积古 DNA（sedaDNA），重建了过去 1.2 万年海洋哺乳动物的分布历史，发现其与气候及海冰变化密切相关，为理解生态系统演变提供了新视角。
北极地区作为全球气候变化的 “敏感区”，其海洋生态系统正经历快速重构。然而，受限于海洋哺乳动物化石记录的稀缺性，学界对全新世（Holocene，过去 11700 年）以来该类群的分布变迁及驱动机制知之甚少。传统依赖化石和考古遗址的研究方法，难以捕捉长时序、高分辨率的种群动态，尤其对极地快速消融背景下的生态响应机制研究形成瓶颈。因此，如何利用新技术手段揭示深层时间尺度的物种分布与环境协同演化关系，成为理解北极生态系统韧性的关键科学问题。
来自丹麦哥本哈根大学（Globe Institute, University of Copenhagen）等机构的研究团队，针对北极格陵兰岛北部海域开展了一项跨学科研究。该团队通过分析 4 个海洋沉积岩芯（覆盖过去约 1.2 万年）的沉积古 DNA（sedimentary ancient DNA, sedaDNA），结合古海洋学代用指标（如气温、海冰生物标志物 IP25、初级生产力等），系统重建了北极海洋哺乳动物的时空分布格局，相关成果发表于《Nature Communications》。
研究人员主要采用了两项关键技术：①杂交捕获富集线粒体基因组：设计包含北极及温带海洋哺乳动物线粒体 DNA 的探针组，通过降低杂交温度（55℃）兼容古 DNA 损伤特性，特异性富集目标物种的遗传信息；②宏基因组鸟枪法测序：对沉积物 DNA 进行浅层测序，分析真核生物类群组成，并通过 DNA 损伤模式（如核苷酸脱氨率）验证古 DNA authenticity。此外，研究整合了放射性碳定年（14C dating）、生物标志物分析（如 IP25、 brassicasterol）和有孔虫群落分析，构建了多指标协同的古环境重建体系。
结果
1. 全新世早期海洋哺乳动物与冰川消融的时空耦合
在梅尔维尔湾（Melville Bay）岩芯中，最早的海洋哺乳动物 DNA（环斑海豹，Pusa hispida）出现在约 11.6 ka BP，早于化石记录约 2000 年。该时期正值北极海洋冰川大规模消融，伴随大西洋暖水团（如西格陵兰流）影响增强，表现为有孔虫群落中大西洋来源物种（如Cassidulina neoteretis）丰度上升。研究指出，环斑海豹作为冰适应物种，可能是末次冰盛期后首批向北迁移的类群，其分布与冰川退缩导致的栖息地开放显著相关。
2. 中全新世暖期的物种北扩与群落重组
在全新世暖期（Holocene Thermal Maximum, ~10–5.5 ka BP），北极气温较工业化前高 6℃，研究检测到温带及低北极物种（如长须鲸Balaenoptera physalus、 hooded seal Cystophora cristata）的 DNA 信号向北扩展至 75°N，超出其现代分布范围。冗余分析（Redundancy Analysis, RDA）显示，气温升高与海冰覆盖减少（IP25降低）是驱动群落变化的主因。例如，梅尔维尔湾岩芯中检测到虎鲸（Orcinus orca）和小须鲸（Balaenoptera acutorostrata）的 DNA，表明暖期形成了包含北极与温带物种的 “非现代类比群落”。
3. 晚全新世海冰扩张与物种收缩
晚全新世（<5 ka BP），随着气温下降和海冰范围扩大，温带物种信号显著减少，仅检测到北极特有物种（如独角鲸Monodon monoceros、弓头鲸Balaena mysticetus）的零星分布。在东北格陵兰岩芯中，海豹科（Phocidae）DNA 丰度随海冰生物标志物 IP25升高而降低，印证了海冰覆盖对冰依赖型物种的限制作用。值得注意的是，在小冰期（~0.6–0.1 ka BP），西格陵兰流减弱，导致海洋哺乳动物多样性降至最低。
4. 纳雷斯海峡开通的生态效应
北部岩芯（林肯海、霍尔盆地）显示，纳雷斯海峡（Nares Strait）约 9 ka BP 开通后，环斑海豹和独角鲸 DNA 相继出现，表明物种通过该通道从巴芬湾向北扩散。其中，独角鲸 DNA 最早于 7.9 ka BP 被检测到，早于化石记录 4000 年，揭示了海峡开通对北极内部物种迁移的关键作用。
结论与讨论
本研究通过沉积古 DNA 技术，首次构建了北极格陵兰岛北部 1.2 万年的海洋哺乳动物分布档案，证实其群落动态与气候变化、海冰消长及洋流模式密切相关。核心发现包括：①sedaDNA 可检测到早于化石记录数千年的物种存在，填补了极地生物地理空白；②全新世暖期的物种北扩为预测未来气候变暖下的生态响应提供了历史模拟；③纳雷斯海峡等关键通道的开通 / 闭合事件，对北极物种组成具有结构性影响。
研究同时指出，北极 “最后冰区”（Last Ice Area）在全新世早期曾支持多样化的海洋哺乳动物群落，但当前快速升温（北极变暖速率为全球 4 倍）可能打破这一稳定性。沉积古 DNA 作为长时序生态监测工具，为理解物种对极端气候的适应策略、评估保护优先级（如独角鲸管理单元划分）提供了跨尺度视角。未来结合高分辨率年代学与单细胞古基因组学，有望进一步解析极地生态系统的演变细节。
