Eske Willerslev se je kot doktorand na Univerzi v Københavnu znova in znova soočal z glavno težavo začetnikov v evolucijski genetiki: preprosto ni mogel priti do maloštevilnih zaželenih fosilov, ki lahko vsebujejo sledi stare DNK, da bi jih analiziral in izvajal raziskave. Svojo frustracijo pa mu je uspelo spremeniti v navdih, ko je leta 2000 ob pogledu na psa, ki je opravljal svoje opravilo, začel razmišljati: v iztrebkih je DNK, in nekaj je je lahko v njih še potem, ko dež vse izpere. In če se lahko tako ohrani, se lahko v okolju ohrani tudi genetski material davno izumrlih živali. To bi pomenilo, da se lahko nekaj naučimo o bitjih, ki so nekoč živela, tudi brez dostopa do skrbno varovanih muzejskih najdb.
Willerslevovi ideji so se takrat smejali celo njegovi profesorji. »Še nikoli nisem slišal večje neumnosti,« je pripomnil eden od njih. A slutnja je izpolnila pričakovanja: raziskovalec je leta 2003 v študiji v reviji Science dokazal, da je mogoče rastlinsko in živalsko DNK pridobiti iz 400 tisoč let starega vzorca sibirskega permafrosta. Willerslevu je v 600 let starih sedimentnih vzorcih iz novozelandske jame s toplejšo temperaturo uspelo prepoznati tudi DNK izumrle moe (Euryapteryx curtus), ki je podobna emuju. To je bil prvi primer, da so raziskovalci za prepoznavanje davno mrtvih kompleksnih organizmov uporabili izključno sediment.
Dve desetletji pozneje se je preučevanje stare DNK iz sedimenta razvilo v eno najbolj vznemirljivih orodij za proučevanje preteklosti. Zanimanje za DNK v tleh je skokovito naraščati začelo pred približno desetimi leti, ko so strokovnjaki ugotovili, da je iz starodavnega sedimenta mogoče izolirati tudi človeško DNK. Laboratoriji, ki so se prej osredotočali na pridobivanje genetskega materiala iz redkih fosilov, so pozornost usmerili v tla. Arheologi pa so začeli ponovno analizirati vzorce tal, zbrane pred desetletji, in so komaj čakali, da z novimi metodami izvedo več o preteklosti.
Kompleksna zgodovina, arhivirana v sedimentnih plasteh, samo čaka, da jo odkrijemo, pravi Willerslev.
In govorimo lahko o res neverjetno obsežnem viru. Leta 2022 so raziskovalec in njegovi kolegi iz dva milijona let starih sedimentnih plasti grenlandskega permafrosta pridobili drobce DNK, kar so doslej najstarejši tovrstni genetski vzorci. »Resnično neverjetno je, koliko molekularnih informacij se skriva v sedimentu. Glede možnosti praskamo šele vrh ledene gore,« pravi Matthias Meyer, molekularni biolog z Inštituta Max Planck za evolucijsko antropologijo v Leipzigu. Willerslev meni, da lahko postane nepomembno, ali so na najdišču fosilni ostanki. Mogoče se za kosti skoraj ne bo treba zmeniti in bo dovolj, da se osredotočimo le na talne plasti, meni strokovnjak.
DNK v tleh je še posebej močno vplivala na raziskovanje starodavnih ljudi in razkrila pomembne sledi o zgodnjih predstavnikih naše vrste ter o neandertalcih (Homo neanderthalensis) in skrivnostnih denisovanih, od katerih je bilo doslej najdenih zelo malo kosti. A nekateri raziskovalci svarijo k previdnosti, tudi ko pionirski rezultati, ki jih omogoča nova vrsta dokazov, pridejo na naslovnice. Kritiki skrbi, ali njihovi kolegi dovolj skrbijo za zagotavljanje zanesljivosti rezultatov.
Prava zlata jama
14 let je DNK iz starodavnih sedimentov, imenovana tudi sedaDNK, ostajala igrišče paleoekologov, ki so z vzorci tal z dna jezer in iz večno zamrznjenih območij rekonstruirali, kakšno je bilo nekoč življenje na Zemlji. A leta 2017 se je zgodil prelom, saj so strokovnjaki uspešno prepoznali DNK, ki pripada starodavnim ljudem, v ledenodobnih talnih plasteh.
»Ko gre za človeka, to zbudi zanimanje tudi današnjih ljudi,« pravi Diyendo Massilani, paleogenetski strokovnjak z Yala, ki ni sodeloval v raziskavi iz leta 2017. Ko je nekdo enkrat našel človeško DNK, pravi, je nenadoma vsak hotel sediment preiskati za vse.
Težava je v tem, da je starodavna človeška DNK v tleh izjemno redka v primerjavi z DNK mikroorganizmov in drugih živali. Da bi povečali možnosti za odkritje človeške DNK v vzorcih, so raziskovalci z Inštituta Max Planck za evolucijsko antropologijo, med njimi tudi nobelovec in ustanovitelj znanosti paleogenomike Svante Pääbo, razvili metode, s katerimi je mogoče selektivno ujeti človeška zaporedja.
S to rešitvijo so našli človeško DNK na krajih, kjer človeških fosilov niso odkrili.
To je pokazalo, kako odlično dopolnilo fosilnemu gradivu je lahko sedaDNK. V jami Trou Al'Wesse v Belgiji so na primer rezultati sedaDNK potrdili dolgoletni sum, ki je temeljil na značilnih kamnitih orodjih, da so kraj nekoč poseljevali neandertalci. V sibirski Denisovi jami so raziskovalci s to metodo našli DNK tako neandertalcev kot njihovih sorodnikov, denisovanov, ki so poimenovani po jami.
Del DNK se je pojavil tudi v plasteh brez fosilov. Pri obsežni analizi okoli 700 vzorcev permafrostnega sedimenta iz Denisove jame je en vzorec iz globine nakazal, da so neandertalci na kraj prispeli pred 170 tisoč leti, torej 30 tisoč let prej, kot so namigovali fosilni dokazi.
In čeprav kosti doslej niso našli, sedaDNK pojav zgodnjih modernih ljudi v jami postavlja tudi prej od pričakovanega, na približno 45 tisoč let nazaj.
Glede na DNK so neandertalci povezani s plastjo, ki vsebuje določeno vrsto kamnitih orodij, denisovani pa z ločeno plastjo z drugo vrsto orodij, s čimer so orodja povezana z morebitnimi izdelovalci. To povezavo je na drug način pogosto težko ugotoviti. Meyer in drugi so optimistični, da bo mogoče s starodavno DNK nekega dne prepoznati izdelovalce orodij tudi na drugih najdiščih, morda pa na ta način lahko najdemo celo umetnike, odgovorne za jamske poslikave.
DNK v tleh je pomagala rešiti uganko tudi glede jame na Tibetanski planoti, približno 3000 kilometrov jugovzhodno od Denisove jame. Leta 1980 je tam, v kraški jami Baishiya, menih našel starodavni ostanek čeljusti. Leta 2019 so Qiaomei Fu, paleogenetska strokovnjakinja z Inštituta za paleontologijo vretenčarjev in paleoantropologijo v Pekingu, in njeni kolegi po pionirski analizi starodavnih beljakovin ugotovili, da je 160 tisoč let stara čeljust pripadala denisovanu.
Njihova metoda je bila zelo nova, pojavili so se tudi dvomi o izvoru čeljusti, saj so jo iz jame odstranili že pred precej časa. Leta 2020 pa je Fu denisovansko DNK našla tudi v jamskem sedimentu in potrdila, da so ti zgodnji ljudje tu res nekoč živeli.
To je bil prvi neizpodbitni dokaz, da so se denisovani razširili tudi zunaj Sibirije.
Proti jedrni DNK
Meyer in Fu sta oba uporabljala tako imenovane »molekularne trnke«, zasnovane za pridobivanje človeške DNK iz mitohondrijev, drobnih elektrarn celic. Mitohondrijska DNK (mtDNK), ki je v celici prisotna v več tisoč kopijah, je obilnejša in lažje najdljiva kot jedrna DNK. A jedrni genom zaradi svoje velikosti, saj ga sestavlja tri milijarde baznih parov, medtem ko ima mtDNK le 16 tisoč baznih parov, in dejstva, da se deduje od obeh staršev, bolj ustreza temu, da bi bolje razumeli, kako so se zgodnje človeške populacije skozi evolucijo širile in mešale.
Informacije, ki jih daje jedrna DNK, so zanimale tudi populacijskega genetika Benjamina Vernota z Inštituta Max Planck v Leipzigu. Zanimalo ga je, ali lahko izlovi tudi jedrno DNK iz vzorcev, iz katerih so mtDNK že pridobili. V ta namen je Vernot zasnoval 1,6 milijona drobnih sond za zaporedja, razpršena po človeškem genomu, ki so povezana z zaporedji neandertalcev, denisovanov in zgodnjih modernih ljudi. Poleg tega lahko najdejo tudi dele starodavne človeške DNK, za katere še ne vemo. »Vedno obstaja tudi možnost, da bo v vzorcu DNK vrste Homo erectus. Na to smo se hoteli pripraviti tudi mi,« pravi Vernot.
Sonde so iz tal uspešno izvlekle jedrna zaporedja, a večji izziv je bil dati smisel skromnim podatkom. »Tudi naši najboljši sedimentni vzorci so bili zelo, zelo šibki,« pravi Vernot. Od 1,6 milijona genomskih sond so dobri vzorci vsebovali le 10 tisoč zaporedij. Vernotu je približno osem mesecev vzelo, da je razvil računalniške metode, ki so lahko obdelale tako skromne podatke. Z njimi je začel preučevati sedimente iz jame Galería de las Estatuas. Pri izkopavanjih v tej jami v severni Španiji so odkrili eno samo neandertalsko stopalno kost in značilna kamnita orodja, genetskih informacij pa ni bilo mogoče najti.
Iz podatkov mtDNK je Vernot lahko razlikoval dve ločeni neandertalski populaciji, od katerih je ena pred približno 100 tisoč leti popolnoma nadomestila drugo. Iz jedrne DNK je lahko ugotovil tudi, kateri vzorci izvirajo od enega samega moškega ali ženske in kateri vsebujejo mešanico DNK več oseb.
Tudi Gelabert je uspešno pridobil jedrna zaporedja iz jamskih sedimentov. A namesto da bi človeška zaporedja ujel s sondami, se je naloge lotil z grobo silo in z zaporedjem, imenovanim »shotgun«, prebral vso DNK, izvlečeno iz tal. V svoji najnovejši študiji, objavljeni kot preprint, pa nakazuje, da ta pristop za populacijsko genetiko ni tako uporaben. V neposredni primerjavi je pridobivanje DNK z molekularnimi sondami dalo 32-krat več zaporedij na informativnih genomskih mestih kot metoda shotgun.
Po Gelabertovih besedah se postopek zaradi dodatnega dela, potrebnega za pridobivanje jedrne DNK iz sedimenta, verjetno splača le v posebnih primerih, na primer če plasti vsebujejo veliko genetskega materiala.
V večini primerov zadošča mtDNK, s pomočjo katere lahko dobimo sliko, koliko različnih linij je v vzorcu, in celo izsledimo razlike med populacijami, pravi.
Potujoče sledi?
Kljub uspehom na tem področju strokovnjaki za zdaj o napovedovanju, katere vrste sedimentov so za preiskave najprimernejše, vedo frustrirajoče malo, zato njihovi poskusi pogosto ostajajo brez rezultata. Dokler ne bodo prepoznali idealnih talnih razmer, Vera Aldeias, geoarheologinja z Univerze v Algarvu, predlaga pragmatičen pristop. Če bodo raziskovalci sistematično zbirali in sporočali lastnosti sedimentov, na primer vrednost pH, mineralno sestavo in druge podatke, bo mogoče iz njih vse bolj izluščiti optimalne značilnosti.
Ta vprašanja so še posebej pomembna v primerih, ko rezultati sedaDNK nasprotujejo arheološkim najdbam. Če je na primer starodavna DNK živali prepoznana iz časa, ki je poznejši od prej domnevnega časa izumrtja, lahko to pomembno vpliva na razprave o tem, ali je bilo za njeno izumrtje odgovorno spreminjajoče se podnebje ali dejavnost starodavnih ljudi.
Leta 2021 je Willerslevova ekipa na podlagi podatkov sedaDNK prišla do sklepa, da so volnati mamuti (Mammuthus primigenius) v severni Sibiriji preživeli vse do pred 4000 leti in so verjetno izumrli bolj zaradi otoplitve podnebja kot zaradi človekove dejavnosti. Odkritje je sprožilo ognjevito razpravo in odprlo vprašanje, ali je mogoče zanesljivo trditi, da je starodavna DNK enako stara kot sediment, v katerem so jo našli, ali pa je mogoče, da je tja pronicala iz starejših plasti.
Massilanijeve raziskave pa nakazujejo, da se molekule DNK, ko se enkrat vežejo na tla, v njih ne gibljejo prosto. V enem samem vzorcu sedimenta lahko drobci kosti, okamenele iztrebke in mineralna zrna vsak vsebujejo svojevrstne značilnosti DNK, kar nakazuje, da se DNK sčasoma ne seli iz enega materiala v drugega. Kljub temu je odkrivanje obnašanja tal skozi čas bistveno za natančno razlago genetskih podatkov, pridobljenih iz starodavnega sedimenta, pravijo strokovnjaki. Analiza mikrostrukture najdišča lahko raziskovalcem pomaga tudi pri prepoznavanju sedimentov, ki so brez onesnaženja.
Kar zadeva mamute, je Willerslev povedal, da so dela drugih, ki temeljijo na podnebnem modeliranju, pokazala, da so živali na ustreznih krajih preživele dlje od pričakovanega, in prav na takšnem kraju je njegova ekipa našla najmlajšo sedaDNK.
Vendar nad novo tehniko za raziskovanje preteklosti ne navdušujejo vsi. V Avstraliji na primer nekatere avtohtone skupine nočejo, da bi raziskovalci namenoma iskali DNK v sedimentnih plasteh, ker se to lahko razume kot vznemirjanje ostankov njihovih prednikov ali kulturno pomembnih vrst, pravi Dawn Lewis, arheologinja z Univerze v Adelaidi. Raziskovalci morajo zato že na začetni stopnji sodelovati z domačini, da lahko obravnavajo podobne pomisleke, poudarja strokovnjakinja.
