為什麼我們找不到恐龍 DNA？古 DNA 技術與時間的極限
- 演化之聲
- 4小时前
- 讀畢需時 5 分鐘
《侏羅紀公園》描述了人類從封存在琥珀中的蚊子體內取得恐龍血液，重新開啟恐龍世界的大門。不過現實中這扇門根本無法以那種方式開啟，恐龍的骨骼可以在岩層中沉睡上億年，牙齒可以保留咬合與磨耗的痕跡，足跡可以記錄牠們曾經走過泥灘的瞬間，但雙股 DNA 是兩條由 4 種核苷酸（nucleotide）串接為長鏈並對接形成的聚合物，它在生物死亡後就失去維護，從那一刻開始，時間、溫度、水分、微生物與化學反應便開始共同拆解它。時間過得越久，DNA 降解得越嚴重，這也是為什麼我們至今還可以有機會取得猛獁象（Mammuthus）、洞熊（Ursus spelaeus）、古馬、古人類的 DNA，卻無法取得非鳥類恐龍的 DNA，這些分子本身有時間上的物理與化學極限。
由於 DNA 在細胞內平時就會不斷接觸到活性氧類、自由基、水解反應、複製錯誤，還有外界的紫外光、化學致癌物、發炎等因素引發 DNA 損傷，因此生物演化出各種 DNA 修復蛋白用以每時每刻修補 DNA 的損傷，而修復機制以脊椎動物為例，包含鹼基切除修復（base excision repair）、核苷酸切除修復（nucleotide excision repair）、錯配修復（mismatch repair）、同源重組（homologous recombination）、非同源性末端接合（non-homologous end joining）等。當細胞死亡後，修復停止，細胞內外的酵素與微生物開始進行分解，DNA 也隨之開始斷裂。最先出現的破壞常來自多種核酸酶（nuclease）的作用與微生物活動，它們會切開 DNA 分子，使原本長達數百萬至數億核苷酸組成的染色體逐漸變成多個短片段。
真正讓 DNA 序列逐漸走向不可讀取的是死亡後長時間累積的化學破壞。其中一種過程是水解去嘌呤化（hydrolytic depurination），是指腺嘌呤（adenine，A）或鳥糞嘌呤（guanine，G）從核苷酸單元上脫落，留下沒有鹼基的空位，這些空位很容易導致 DNA 斷裂，使 DNA 更加破碎。另一個常見變化是水解脫胺作用（hydrolytic deamination），尤其是胞嘧啶（cytosine，C）脫胺後會轉變成尿嘧啶（uracil，U），在 DNA 定序資料中常被讀成胸腺嘧啶（thymine，T），就會使定序判讀錯誤。此變化特別容易發生在 DNA 片段末端，因為末端常帶有單股懸垂區（overhang），比雙股 DNA 更容易受化學作用影響。
非鳥類恐龍生活在中生代，距今大約 6,600 萬年以上。如今古 DNA 研究真正能穩定操作的時間尺度，多半仍集中在最近數萬年到數十萬年之間。技術進步的確也已經把研究推至更久遠的年代，研究者已從凍土保存的猛獁象中重建超過 100 萬年前的古基因組；目前最古老的分離 DNA 甚至來自約 200 萬年前的格陵蘭北部沉積物（混合多種生物的 DNA）。然而 200 萬年與 6,600 萬年之間相差的依然是一道巨大的時間鴻溝，就算真的有幸取得可能的分子，也已經破碎到無法辨認，因此找到恐龍骨骼並不等於找得到內部的恐龍 DNA。
保存環境也會大幅影響 DNA 能支撐多久，寒冷、乾燥、穩定、低微生物活動的地區最有利於 DNA 保存，許多成功案例是來自高緯度凍土、寒冷洞穴或特殊沉積環境，原因是這些條件會減慢化學反應，也能限制微生物分解。
另一個現實問題是污染，通常古 DNA 樣本本來就極為少量，樣本中更多時候充滿現代環境微生物的 DNA，以及採集、收藏、實驗過程中帶入的人類 DNA。當透過聚合酶鏈鎖反應技術（polymerase chain reaction，PCR）試圖放大極少量的古生物 DNA 時，也很容易把污染的現代生物 DNA 一同放大，出來的結果一時可能無法判定是誰的 DNA，干擾結果的分析。後來高通量定序技術（high-throughput sequencing）、潔淨實驗室流程、損傷模式判定與生物資訊分析逐漸成熟，古 DNA 研究才重新建立可靠性。
現代古基因組學的突破靠的是學會從極短、破損、混雜的分子碎片中取得資料。高通量定序可以一次讀取大量短片段，讓過去無法用傳統 PCR 放大的超短 DNA（約 30 至 50 bp）也有分析價值。研究者會先從骨骼、牙齒或沉積物中萃取 DNA，再把一小段人工 DNA 作為接頭（adapter）接到古生物的 DNA 片段上，建立可定序的 DNA 文庫（DNA library）。這類方法讓丹尼索瓦人（Denisovan）、尼安德塔人（Homo neanderthalensis）、古馬、猛獁象等古基因組研究成為可能，也讓古 DNA 研究的時間窗大幅往前推進。
研究者也會用尿嘧啶 DNA 醣苷基酶（uracil DNA glycosylase）與核酸內切酶 VIII（endonuclease VIII）等酵素處理樣本，這些酵素能去除由胞嘧啶脫胺產生的尿嘧啶，減少脫胺造成的分析錯誤。不過這也有代價，處理過程會在 DNA 分子上造成切割，使原本已經很短的 DNA 再發生斷裂，所以主要適用於較近期或中等年代的樣本。
除了直接定序，研究者還發展出富集的技術（enrichment approaches），把真正的古 DNA 從龐大且包含污染的背景 DNA 中挑出來。常見做法是利用一小段人工 DNA 或 RNA 作為探針用以捕捉特定序列，例如粒線體基因組、特定核基因區域、單核苷酸多態性位點（single nucleotide polymorphism sites）、外顯子（exon），甚至嘗試用大量探針捕捉整個核基因組，能節省大量時間避免受到污染物干擾分析。
古 DNA 技術的進步確實令人驚嘆，但技術再怎麼精進也難以追溯到恐龍時代的 DNA，因為千萬年的尺度下 DNA 等同於在環境中消散了。雖然如此，牠們的骨骼、蛋殼、足跡、羽毛印痕、蛋白質殘留與比較基因組線索，仍然能讓我們一步步瞭解牠們曾經活著的世界。
作者：水也佑
參考文獻：
Dalén L et al. (2023). Deep-time paleogenomics and the limits of DNA survival. Science.
Orlando L et al. (2015). Reconstructing ancient genomes and epigenomes. Nature Reviews Genetics.