ДНК из почвы вскоре может раскрыть, кто жил в пещерах ледникового периода

За последние два десятилетия произошла революция в способности учёных реконструировать прошлое. Это стало возможным благодаря технологическим достижениям в области извлечения и анализа ДНК из древних костей.

Герлинде Бигга

Эти достижения показали, что неандертальцы и современные люди скрещивались, чего ранее не считалось. Это позволило исследователям разобраться в различных миграциях, сформировавших современных людей. Кроме того, это позволило группам исследователей секвенировать геномы вымерших животных, таких как мамонт, и вымерших возбудителей болезней, таких как несуществующие штаммы чумы.

Хотя значительная часть этой работы проводилась путём анализа физических останков людей и животных, существует и другой способ получения древней ДНК из окружающей среды. Теперь исследователи могут извлекать и секвенировать ДНК (определять порядок «букв» в молекуле) непосредственно из пещерных отложений, а не полагаться на костные ткани. Это преобразует область палеогенетики.

Пещеры могут хранить десятки тысяч лет генетической истории, представляя собой идеальные архивы для изучения долгосрочных взаимодействий человека и экосистем. Отложения под нашими ногами становятся биологическими капсулами времени.

Именно этим мы и занимаемся здесь, в Тюбингенском геогеномном археологическом кампусе (GACT) в Германии. Анализ ДНК из пещерных отложений позволяет нам реконструировать состав населения Европы ледникового периода, как менялись экосистемы и какую роль играл человек. Например, пересекались ли ареалы современных людей и неандертальцев в одних и тех же пещерах? Также возможно получить генетический материал из фекалий, оставленных в пещерах. В настоящее время мы анализируем ДНК из помёта пещерной гиены, обитавшей в Европе около 40 000 лет назад.

Самая древняя на сегодняшний день обнаруженная ДНК осадочных пород была обнаружена в Гренландии и имеет возраст два миллиона лет.

Палеогенетика прошла долгий путь с тех пор, как в 1984 году был секвенирован первый геном вымершего животного — квагги, близкого родственника современных зебр . За последние два десятилетия новейшие машины для секвенирования генов, лабораторная робототехника и биоинформатика (способность анализировать большие, сложные наборы биологических данных) превратили древнюю ДНК из хрупкой диковинки в высокопроизводительный научный инструмент.

Сегодня секвенаторы способны расшифровать до ста миллионов раз больше ДНК, чем их предшественники. Если на расшифровку первого генома человека ушло более десяти лет, то современные лаборатории могут секвенировать сотни полных геномов человека за один день.

В 2022 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Сванте Паабо, выдающемуся специалисту в этой области. Это подчеркнуло глобальное значение этого исследования. Древняя ДНК теперь регулярно попадает в заголовки новостей: от попыток воссоздать мамонтоподобных слонов до отслеживания сотен тысяч лет присутствия человека в разных частях света. Важно отметить, что достижения в области робототехники и вычислительной техники позволили нам извлекать ДНК как из отложений, так и из костей.

GACT — это растущая исследовательская сеть со штаб-квартирой в Тюбингене (Германия), где три института из разных дисциплин сотрудничают над разработкой новых методов поиска ДНК в отложениях. Археологи, геологи, биоинформатики, микробиологи и специалисты по древней ДНК объединяют свои знания, чтобы открыть новые горизонты, недоступные ни одной области науки в одиночку. Это сотрудничество, в котором целое действительно становится больше суммы своих частей.

Сеть простирается далеко за пределы Германии. Международные партнёры обеспечивают полевые исследования в археологических пещерах и естественных пещерах по всему миру. Например, этим летом группа исследовала пещеры в Сербии, собрав несколько сотен образцов донных отложений для изучения древней ДНК и проведения сопутствующего экологического анализа. Дальнейшие исследования запланированы в Южной Африке и на западе США, чтобы проверить пределы сохранности древней ДНК в отложениях, происходящих из разных сред и периодов времени.

Иголка в стоге сена

Извлечение ДНК из отложений кажется простым: взять совок, извлечь, секвенировать. На самом деле это гораздо сложнее. Молекулы редки, деградировали и фрагментировались, а также были смешаны с современными загрязнениями, оставшимися от посетителей пещер и диких животных. Обнаружение подлинных молекул ледникового периода зависит от тонких химических повреждений самой ДНК, сверхчистых лабораторий, роботизированной экстракции и специализированной биоинформатики. Каждая положительная идентификация — это маленький триумф, выявляющий закономерности, невидимые для традиционной археологии.

Значительная часть работы GACT проходит в пещерах Швабской Юры, на территории объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО, таких как Холе-Фельс, где хранятся древнейшие в мире музыкальные инструменты и произведения изобразительного искусства. Неандертальцы и Homo sapiens оставили после себя каменные артефакты, кости, слоновую кость и отложения, накапливавшиеся на протяжении десятков тысяч лет. Пещеры – это естественные архивы ДНК, где стабильные условия сохраняют хрупкие биомолекулы, что позволяет исследователям воссоздать генетическую историю Европы ледникового периода.

Один из самых интересных аспектов исследования ДНК осадочных пород — это возможность выявлять давно исчезнувшие виды, даже когда не сохранилось никаких костей или артефактов. Особое внимание уделяется людям: кто жил в пещере и когда? Как современные люди и неандертальцы использовали пещеры и, как уже упоминалось, находились ли они там в одно и то же время? Конкурировали ли пещерные медведи и люди за укрытие и ресурсы? И что могут рассказать микробы, жившие рядом с ними, о влиянии человека на экосистемы прошлого?

ДНК из осадочных пород также позволяет проследить жизнь за пределами пещеры. Хищники затаскивали добычу в укромные уголки, а люди оставляли после себя отходы. Отслеживая изменения в ДНК человека, животных и микроорганизмов с течением времени, исследователи могут изучать древние вымирания и экосистемные сдвиги, предлагая идеи, важные для понимания современного кризиса биоразнообразия.

Работа амбициозна: реконструировать экосистемы ледникового периода с помощью осадочной ДНК и понять экологические последствия присутствия человека. Всего два года спустя после начала исследования GACT каждый набор данных порождает новые вопросы. Каждый слой в пещере добавляет новый поворот в историю.

Сейчас обрабатываются сотни образцов, и впереди нас ждут важные открытия. Исследователи рассчитывают вскоре обнаружить первые геномы пещерных медведей, самые ранние следы человека и сложные микробные сообщества, некогда процветавшие в темноте. Раскроют ли отложения все свои секреты? Время покажет, но перспективы обнадёживают.

Герлинде Бигга,

Научный координатор научного кампуса Лейбница «Геогеномный археологический кампус Тюбинген», Тюбингенский университет.

Статья была впервые опубликована в The Conversation https://theconversation.com/

Источник: theconversation.com