ДНК из почвы скоро раскроет, кто жил в пещерах ледникового периода
Последние два десятилетия стали революцией в способности учёных реконструировать прошлое. Это стало возможным благодаря технологическим прорывам в методах извлечения и анализа ДНК из древних костей.
Эти достижения показали, что неандертальцы и современные люди скрещивались — факт, который ранее считался невозможным. Они позволили исследователям распутать различные миграции, сформировавшие современных людей, а также секвенировать геномы вымерших животных, таких как мамонт, и древних патогенов, например, штаммов чумы.
Хотя большая часть этой работы основана на анализе физических останков, существует и другой способ получить древнюю ДНК — из окружающей среды. Теперь исследователи могут извлекать и секвенировать ДНК (определять последовательность «букв» в молекуле) непосредственно из отложений в пещерах, а не полагаться на кости. Это преобразует область палеогенетики.
Пещеры могут сохранять десятки тысяч лет генетической истории, являясь идеальными архивами для изучения долгосрочного взаимодействия человека и экосистемы. Отложения под нашими ногами становятся биологическими капсулами времени.
Этим занимаются, например, в Geogenomic Archaeology Campus Tübingen (GACT) в Германии. Анализ ДНК из пещерных отложений позволяет реконструировать, кто жил в Европе ледникового периода, как менялись экосистемы и какую роль играли люди. Например, пересекались ли современные люди и неандертальцы в одних и тех же пещерах? Также возможно получить генетический материал из фекалий, оставленных в пещерах. Сейчас команда анализирует ДНК из экскрементов пещерной гиены, жившей в Европе около 40 000 лет назад.
Самая древняя ДНК из отложений, обнаруженная на сегодняшний день, происходит из Гренландии и имеет возраст 2 миллиона лет.
Палеогенетика прошла долгий путь с 1984 года, когда был секвенирован первый геном вымершего животного — квагги, близкого родственника современных зебр. За последние два десятилетия машины для секвенирования нового поколения, лабораторная робототехника и биоинформатика превратили древнюю ДНК из хрупкой диковинки в высокопроизводительный научный инструмент.
Современные секвенаторы могут расшифровать до ста миллионов раз больше ДНК, чем их ранние предшественники. Если на первый геном человека ушло более десяти лет, то современные лаборатории могут секвенировать сотни полных геномов человека за один день.
В 2022 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Сванте Паабо, ведущему специалисту в этой области, что подчеркнуло глобальное значение исследований. Древняя ДНК регулярно попадает в заголовки новостей — от попыток воссоздать слонов, похожих на мамонтов, до отслеживания сотен тысяч лет присутствия человека в разных частях света. Ключевым стало то, что достижения в робототехнике и вычислительной технике позволили извлекать ДНК не только из костей, но и из отложений.
GACT — это растущая исследовательская сеть в Тюбингене, где три учреждения сотрудничают для разработки новых методов поиска ДНК в отложениях. Археологи, геологи, биоинформатики, микробиологи и специалисты по древней ДНК объединяют свои знания, чтобы получить информацию, недоступную для одной дисциплины. Сеть выходит далеко за пределы Германии.
Международные партнёры позволяют проводить полевые работы в археологических и природных пещерах по всему миру. Например, летом команда исследовала пещерные стоянки в Сербии, собрав несколько сотен образцов отложений для анализа древней ДНК и экологии. Будущие работы запланированы в Южной Африке и западной части США, чтобы проверить пределы сохранности древней ДНК в отложениях из разных сред и временных периодов.
Иголка в стоге сена
Извлечение ДНК из отложений звучит просто: взять пробу, экстрагировать, секвенировать. В реальности это гораздо сложнее. Молекулы скудны, деградированы и фрагментированы, а также смешаны с современными загрязнениями от посетителей пещер и дикой природы. Обнаружение подлинных молекул ледникового периода зависит от:
- тонких химических паттернов повреждения самой ДНК,
- сверхчистых лабораторий,
- роботизированной экстракции,
- специализированной биоинформатики.
Каждая положительная идентификация — это маленький триумф, раскрывающий закономерности, невидимые для традиционной археологии.
Много работы GACT ведётся в пещерах Швабского Альба на объектах Всемирного наследия ЮНЕСКО, таких как Холе-Фельс, где были найдены древнейшие в мире музыкальные инструменты и фигуративное искусство. Неандертальцы и Homo sapiens оставили после себя каменные артефакты, кости, бивни и отложения, накапливавшиеся десятки тысячелетий. Пещеры — это естественные архивы ДНК, где стабильные условия сохраняют хрупкие биомолекулы.
Один из самых захватывающих аспектов исследования ДНК отложений — способность обнаруживать давно исчезнувшие виды, даже когда не осталось ни костей, ни артефактов. Особое внимание уделяется людям:
- Кто жил в пещере и когда?
- Как использовали пещеры современные люди и неандертальцы и пересекались ли они во времени?
- Конкурировали ли пещерные медведи и люди за убежище и ресурсы?
- Что микробы, жившие рядом с ними, могут рассказать о влиянии человека на прошлые экосистемы?
ДНК отложений также отслеживает жизнь за пределами пещеры. Хищники затаскивали добычу в укрытия, люди оставляли отходы. Отслеживая изменения в ДНК человека, животных и микробов во времени, исследователи могут изучать древние вымирания и сдвиги в экосистемах, что даёт информацию, актуальную для современного кризиса биоразнообразия.
Работа амбициозна: использовать осадочную ДНК для реконструкции экосистем ледникового периода и понимания экологических последствий присутствия человека. Всего через два года после создания GACT каждый набор данных порождает новые вопросы, а каждый слой пещеры добавляет новый поворот в историю.
Сейчас обрабатываются сотни образцов, и впереди — крупные открытия. Исследователи ожидают, что вскоре обнаружат первые геномы пещерного медведя, самые ранние следы человека и сложные микробные сообщества, которые когда-то процветали в темноте. Раскроют ли отложения все свои секреты? Время покажет, но перспективы захватывающие.