Jeszcze trzydzieści lat temu wydawało się, że po naszych przodkach nie może pozostać nic więcej niż kości i kamienne narzędzia. Dziś wiemy, że przeszłość zapisana jest także w cząsteczkach DNA, które – choć kruche – mogą przetrwać dziesiątki tysięcy lat. Odczytywanie starożytnego DNA, czyli aDNA (ancient DNA), stało się jednym z najważniejszych kierunków badań nad ewolucją człowieka i jego wymarłych krewnych.
Czym jest aDNA?
aDNA to materiał genetyczny odzyskany z dawnych szczątków organicznych – najczęściej z kości i zębów. Przez tysiące lat ulega on degradacji: rozpada się na krótkie fragmenty, bywa zanieczyszczony i wymieszany z DNA mikroorganizmów. Wymaga to pracy w warunkach absolutnej czystości i zastosowania najnowszych technologii sekwencjonowania. Mimo to naukowcom udało się już zrekonstruować genomy dziesiątek osobników z różnych gatunków Homo. Są to nie tylko Homo sapiens, ale też Neandertalczycy i Denisowianie.
W artykule przedstawiamy, jak rozwijały się badania aDNA oraz co wiemy dziś o naszych wymarłych krewnych dzięki materiałowi genetycznemu, który przetrwał tysiące, a czasem setki tysięcy lat.
Najstarsze starożytne DNA
Obecnie rekord najstarszego zsekwencjonowanego DNA należy do materiału pobranego z zęba mamuta z Syberii. Zespół naukowców ogłosił w 2021 roku, że udało się odczytać fragmenty genomu sprzed ponad 1 miliona lat. U ludzi granica możliwości ekstrakcji DNA jest znacznie bliższa. Najlepiej zachowany ludzki materiał genetyczny pochodzi z osobników, którzy żyli nie dalej niż 50–80 tysięcy lat temu.
Jednak istnieją wyjątki. W hiszpańskiej jaskini Sima de los Huesos, położonej w górach Atapuerca, odkryto szczątki przodków Neandertalczyków, datowane na około 430 000 lat temu. Z niezwykłą ostrożnością udało się z nich wydobyć fragmenty mitochondrialnego DNA (mtDNA). Choć nie było możliwe odczytanie pełnego genomu jądrowego, mtDNA pozwoliło ustalić, że byli to bardzo wczesni przedstawiciele linii neandertalskiej – jeszcze nieklasyczni Neandertalczycy, ale już wyraźnie odrębni od Homo sapiens. Było to najstarsze DNA ludzkie, jakie udało się kiedykolwiek zidentyfikować.
Źródło: Hajdinjak et al., Nature 2021, licencja CC BY 4.0.
Neandertalczycy – pionierzy badań nad aDNA
Neandertalczycy (Homo neanderthalensis) są pierwszym wymarłym gatunkiem człowieka, którego genom udało się zsekwencjonować niemal w całości. Przełom nastąpił w 2010 roku, kiedy zespół badaczy z Instytutu Maxa Plancka, pod kierunkiem Svante Pääbo, opublikował wyniki badań nad DNA wydobytym z kości znalezionych w jaskini Vindija w Chorwacji. Odczytany genom, pochodzący sprzed około 50 000 lat, miał zaskakująco dobrą jakość. To pozwoliło nie tylko określić pozycję ewolucyjną Neandertalczyków, ale też porównać ich DNA z materiałem genetycznym ludzi współczesnych.
Od tego czasu zsekwencjonowano materiał z kolejnych osobników z innych stanowisk, m.in. z jaskini Mezmaiskaja w Rosji, z jaskini Spy w Belgii czy z Chagyrskaya na Syberii. Udało się także przeanalizować różnorodność genetyczną między osobnikami, co pokazało, że niektóre populacje neandertalskie były bardzo nieliczne i mogły żyć w izolacji.
Szczątki z Sima de los Huesos są w tym kontekście wyjątkowe. Chociaż są zbyt stare, by udało się z nich odczytać pełny genom, potwierdziły, że linia Neandertalczyków istniała już setki tysięcy lat wcześniej i że ewolucja w obrębie tego gatunku miała złożony przebieg.
Denisowianie – gatunek odkryty dzięki DNA
O ile Neandertalczycy znani byli archeologom od XIX wieku, Denisowianie zostali odkryci dopiero w XXI wieku i to nie dzięki znaleziskom morfologicznym, lecz właśnie dzięki aDNA. W 2010 roku w jaskini Denisowej, w górach Ałtaj na Syberii, znaleziono mały fragment kości palca u dziecka. Początkowo nie dało się określić, do jakiego gatunku należał. Sekwencjonowanie DNA przyniosło szokujące wyniki – genom wyraźnie różnił się od znanych już sekwencji Neandertalczyków i ludzi współczesnych.
Nowy hominin, nazwany Denisowianinem, najprawdopodobniej rozdzielił się z Neandertalczykami około 400–600 tysięcy lat temu. Następnie przez długi czas żył w Azji równolegle do innych przedstawicieli rodzaju Homo. Od tamtej pory udało się odnaleźć kolejne szczątki z Denisowej: ząb trzonowy, fragment czaszki, a także kość hybrydy – dziecka z matką Neandertalką i ojcem Denisowianinem (tzw. Denisova 11, datowana na około 90 000 lat).
DNA Denisowian zachowało się wyjątkowo dobrze ze względu na warunki klimatyczne jaskini. To pozwoliło uzyskać kompletne genomy o jakości porównywalnej do próbek współczesnych. Choć ich fizyczny wygląd nadal pozostaje nieznany, zrekonstruowano go częściowo na podstawie markerów epigenetycznych. Przypuszcza się, że mieli szerokie czaszki, masywne szczęki i dostosowania do życia na dużych wysokościach.
Homo sapiens w świetle starożytnego DNA
Starożytne DNA ludzi współczesnych zrewolucjonizowało naszą wiedzę o migracjach i kontaktach międzyludzkich. Najstarsze szczątki Homo sapiens w Europie pochodzą ze Zlatý kůň w Czechach oraz z Ranis w Niemczech. Analizy ich genomów pokazały, że należeli do wczesnych populacji naszego gatunku, które nie pozostawiły potomków we współczesnych ludziach, ale zachowały w sobie długie fragmenty DNA neandertalskiego, świadczące o niedawnych krzyżowaniach. Do tej samej fali migracyjnej należą także jedne z najstarszych pełnych genomów Homo sapiens, datowane na około 45 000 lat temu. Był to mężczyzna z jaskini Ust’-Ishim na Syberii, którego kość udową odkryto w 2008 roku. A także osobnicy z jaskini Bacho Kiro w Bułgarii, których materiał genetyczny udało się odtworzyć z dużą dokładnością.
Innym ważnym znaleziskiem jest człowiek z jaskini Oase w Rumunii (około 40 000 lat temu). Jego genom zawiera długie fragmenty pochodzące od archaicznych ludzi, choć sam nie pozostawił potomków we współczesnych populacjach. W zachodniej Europie znalezisko z La Braña w Hiszpanii (około 7000 lat temu) ukazało nieoczywisty obraz mezolitycznego Europejczyka. Miał on o ciemną skórę i jasne oczy.
Ważne są też znaleziska ze wschodniej Europy i Rosji, jak szczątki dzieci z jaskini Sungir, datowane na około 34 000 lat, pochowane z bogatymi ozdobami. Ich DNA potwierdziło duże zróżnicowanie genetyczne już w czasach górnego paleolitu.
Badania nad aDNA Homo sapiens pozwalają śledzić także rozprzestrzenianie się nowych technologii, języków i adaptacji biologicznych. Przykładem jest pojawienie się mutacji odpowiedzialnych za tolerancję laktozy. Rozpowszechniła się ona w Europie dopiero kilka tysięcy lat temu, wraz z rozwojem rolnictwa i hodowli zwierząt.
Podsumowanie
Analiza starożytnego DNA stała się kluczowym źródłem wiedzy o prehistorii człowieka. Pozwala nie tylko potwierdzać ustalenia archeologów, ale często je kwestionować lub uzupełniać. Dzięki aDNA znamy dziś sekwencje genetyczne wielu osobników z przeszłości – od Neandertalczyków i Denisowian po łowców-zbieraczy i pierwszych rolników.
Najstarsze ludzkie DNA (mtDNA) pochodzi sprzed 430 000 lat z jaskini Sima de los Huesos. Za to najlepiej zachowane genomy Homo sapiens datowane są na około 45 000 lat. Choć nie udało się jeszcze wydobyć DNA z Homo erectus czy Homo habilis, rozwój technologii daje nadzieję, że i to stanie się możliwe w przyszłości. Przeszłość ludzkości przestała być jedynie domeną wykopalisk. Stała się także dziedziną biologii molekularnej – i to właśnie DNA coraz częściej opowiada najstarsze rozdziały naszej historii.
Bibliografia:
Green, R. E. et al. (2010). A draft sequence of the Neandertal genome. Science, 328(5979), 710–722. https://doi.org/10.1126/science.1188021
Meyer, M. et al. (2012). A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science, 338(6104), 222–226. https://doi.org/10.1126/science.1224344
Prüfer, K. et al. (2017). A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia. Science, 358(6363), 655–658. https://doi.org/10.1126/science.aao1887
Hajdinjak, M. et al. (2021). Initial Upper Palaeolithic humans in Europe had recent Neanderthal ancestry. Nature, 592, 253–257. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03335-3
van der Valk, T. et al. (2021). Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths. Nature, 591, 265–269. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03224-9
