Benjamin Vernot, Matthias Meyer, Sandra Jacob
Впервые ученым удалось извлечь и проанализировать хромосомную ДНК неандертальцев, сохранившуюся в пещерных отложениях.
Исследователи из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка впервые получили ядерную ДНК неандертальцев, сохранившуюся в пещерных отложениях, что позволило по-новому осветить историю наших вымерших предков. Вплоть до настоящего времени для того, чтобы получить доступ к полной совокупности генетической информации неандертальцев (включая хромосомную ДНК, сохраняющуюся в ядрах клеток), ученым требовались кости или зубы, находки которых являются весьма редкими. В рамках нового исследования, результаты которого были опубликованы онлайн 15 апреля 2021 года в журнале Science, Бенджамин Верно с коллегами обнаружил неандертальскую ядерную ДНК в пещерных отложениях северной Испании и Южной Сибири, что привело к получению новых ключей к разгадке популяционной истории неандертальцев. На испанской стоянке во время раскопок была обнаружена лишь одна неандертальская кость, однако остатки неандертальской ДНК были найдены по всей толще пещерных отложений, что позволило выявить замещение одной популяции другой, имевшее место около 100 тыс. лет назад. С дальнейшим развитием анализов ядерной ДНК, сохраняющейся в отложениях, похожие исследования, выполненные по другим стоянкам древнего человека, могут предоставить новое видение давнего прошлого человечества, не зависящее от обнаружения костей или зубов древних людей.
Фотография с раскопок. Фото: Ксения Колобова
Изучение древней ДНК позволило обнаружить важные аспекты нашего эволюционного прошлого, включая наши взаимоотношения с отдаленными родственниками, такими как денисовцы и неандертальцы. Подобные исследования полагаются на извлечение древней ДНК их костей и зубов, которые сохраняют ДНК и предохраняют ее от разрушающего воздействия окружающей среды. Однако данные скелетные остатки обнаруживаются исключительно редко, что оставляет огромные куски человеческой истории недоступными для генетического анализа.
Чтобы заполнить данные лакуны, исследователи из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка стали развивать новые методы обогащения и анализа человеческой ядерной ДНК, сохраняющейся в грунтах, которые являются многочисленными на почти любом археологическом памятнике. До настоящего времени из археологических отложений удавалось обнаружить только митохондриальную ДНК, что ограничивало глубину изучения популяционных взаимоотношений. Появление анализов ядерной ДНК предоставляет новые возможности для изучения древнего прошлого человечества.
Отложения могут содержать генетический материал разных млекопитающих
При извлечении ДНК древнего человека из отложений, ученые должны быть осторожны, чтобы избежать получения значительного количества ДНК от других млекопитающих, таких как медведи и гиены. «Очень многие участки человеческого генома схожи с ДНК медведей, например» — говорит Бенджамин Верно, первый автор обсуждаемой статьи. Исследователи специально нацеливаются на участки генома, где они могут быть уверены, что имеют дело именно с человеческой ДНК, но также и развивают методы оценки успешности избавления от нечеловеческой ДНК в образцах. «Мы хотели быть уверены, что никаким образом, случайно, не имеем дело с каким-нибудь неизвестным подвидом гиены» — говорит Б. Верно.
Процесс отбора образцов для седиментационной ДНК. Фото: Ксения Колобова
В рамках выполненного исследования ученые применили разработанные ими техники работы с образцами к более 150 образцам отложений, полученных из трех пещер. В двух из них – Чагырской и Денисовой пещерах, расположенных в горах Алтая в Южной Сибири, — ранее исследовалась ДНК человека, полученная из обнаруженных там костных останков. таким образом, авторы настоящего исследования имели возможность сравнить ДНК, выделенную из отложений, и ДНК, полученную из костей. «Исследовательские техники, которые мы применили, являются очень новыми, и мы хотели верифицировать их в тех местах, где мы знали, что ожидать» — говорит Маттиас Мейер, один из руководителей исследования. Ученые обнаружили, что ДНК из отложений очень сильно коррелирует с геномами, полученными из человеческих костей, обнаруженных на этих стоянках, что и позволило исследователям говорить о достоверности применяемых ими подходов.
Процесс отбора образцов для седиментационной ДНК. Фото: Ксения Колобова
Ядерная ДНК, полученная из пещерных отложений в северной Испании
Во время раскопок, проводившихся на третьей стоянке, упомянутой в статье, — Эстуатус – под руководством Хуана Луиса Арсуага из Мадридского университета Комплутенсе, привели к обнаружению каменных орудий и разделанных костных останков животных, отнесенных к широкому хронологическому диапазону – от 115 до 70 тысяч лет назад. При этом была обнаружена лишь единственная неандертальская кость, слишком маленькая для того, чтобы взять из нее образец ДНК. «Ранее просто не было возможности определить генетику неандертальцев, заселявших Эстуатус» — говорит Асье Гомез-Оливенсия, ученый из Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea, участвовавший в раскопках пещеры. Ядерная ДНК, извлеченная из пещерных отложений, показала, что даже не одна, а две популяции неандертальцев жили в пещере последовательно, генетически отличная первая группа была замещена второй примерно 100 тыс. лет назад.
Фотография с раскопок. Фото: Ксения Колобова
Когда исследователи сравнили полученную из отложений пещеры ДНК с данными по другим имеющимся скелетным останкам, они обнаружили четкую закономерность – по всей видимости, речь идет о двух этапах расселения неандертальцев, более древнее население Эстуатус являлось потомками первой волны, в то время как более поздние жители пещеры относились ко второму этапу расселения. «Мы задали себе вопрос, были ли эти разные этапы расселения, вместе с четким замещением населения Эстуатус, связаны с изменениями климата и с изменениями в морфологии неандертальцев, которое произошло примерно в это время… Однако, нам нужно гораздо больше данных, чтобы с уверенностью об этом рассуждать» — говорит Хуан Луис Арсуага.
Новое видение древнего прошлого человечества
Даже для тех стоянок, где уже проводилось исследование древней ДНК человека, извлеченной из костных останков, применение нового подхода по извлечению и изучению ДНК из отложений, может привести к получению нового взгляда на имеющуюся информацию. Например, в Чагырской пещере выполненные ранее археологические исследования показали, что неандертальцы, обитавшие там, относились к одной популяции и заселение пещеры продолжалось относительно небольшое время. Однако, поскольку во время предыдущих работ лишь единственный геном был получен из одной из человеческих костей, обнаруженных на стоянке, возможности абсолютно уверенно утверждать, что все костные находки принадлежат той же самой популяции неандертальцев, обитавшей в окрестностях Чагырской пещеры, не было. Анализ ДНК, полученной из отложений пещеры предоставил возможность подтвердить гипотезу, высказанную археологами. «Мы отобрали образцы отложений по всей толще изучаемого разреза. Обнаруженная в образцах ДНК выглядит исключительно схожей с той, что мы получили из проанализированной ранее человеческой кости, несмотря на то, что ДНК из отложений принадлежала нескольким индивидумам» — говорит Ксения Колобова, руководитель работ в Чагырской пещере (ИАЭТ СО РАН).
Чагырская пещера. Фото: Ксения Колобова
«Появление возможности анализа ядерной ДНК, полученной из пещерных отложений, значительно расширяет диапазон исследований, направленных на выяснение эволюционной истории древних людей» — говорит Бенджамин Верно. Освобождая поле исследований древней ДНК от ограниченности обнаружений костных останков и расширяя количество стоянок потенциально подходящих данным анализам, «мы можем сейчас изучать ДНУ множества человеческих популяций, проживавших во множестве мест; возможность, о которой ранее даже не мечталось» — говорит М. Мейер.
Статья:
Benjamin Vernot et al.
Unearthing Neandertal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments
Science, 15 April 2021, DOI: 10.1126/science.abf1667
Организации, участвовавшие в проекте:
– Department of Evolutionary Genetics, Max-Planck-Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig, Germany
– Centro Mixto UCM-ISCIII de Evolución y Comportamiento Humanos, Madrid, Spain
– Институт археологии и этнографии СО РАН, Новосибирск, Россия
– Centre for Archaeological Science, School of Earth, Atmospheric and Life Sciences, University of Wollongong, Australia
– Australian Research Council (ARC) Centre of Excellence for Australian Biodiversity and Heritage, University of Wollongong, Australia
– Institute of Geological Sciences, Polish Academy of Sciences, Warszawa, Poland
– Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия
– Departamento de Paleontología, Facultad Ciencias Geológicas, Universidad Complutense de Madrid, Spain
– Department of Anthropology, University of Toronto, Canada
– Departamento de Geología, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco-Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU). Barrio Sarriena s/n, 48940 Leioa, Spain
– Sociedad de Ciencias Aranzadi, Zorroagagaina 11, 20014 Donostia-San Sebastián, Spain
– Centro Nacional de Investigación sobre la Evolución Humana (CENIEH), Paseo de la Sierra de Atapuerca, 3, 09002 Burgos, Spain
– Institut Català de Paleoecologia Humana i Evolució Social (IPHES), Zona Educacional 4, Campus Sescelades, Edifici W3, Universitat Rovira i Virgili, Tarragona, Spain
– Àrea de Prehistòria, Universitat Rovira i Virgili, Avinguda de Catalunya 35, 43002, Tarragona, Spain
– Department of Anatomy and Anthropology and Department of Human Molecular Genetics and Biochemistry, Sackler Faculty of Medicine, Tel Aviv University, 6997801 Tel Aviv, Israel
– The Dan David Center for Human Evolution and Biohistory Research, Tel Aviv University, 6997801 Tel Aviv, Israel