Dawno temu z DNA

Matka przytula młodszego syna, ojciec starszego. Wyglądają, jakby we czwórkę spali na jednym wąskim łóżku. Rodzina śpi tak od ponad 4600 lat, gdyż to nie łóżko, tylko grób. Na ten wyróżniający się wśród innych znalezionych w Eulau (Saksonia-Anhalt) pochówków tragicznie zmarłych osób z neolitycznej kultury ceramiki sznurowej natrafił w 2005 r. archeolog Robert Ganslmeier z Landesmuseum für Vorgeschichte w Halle. Od razu przyszło mu do głowy, że leży w nim zamordowana rodzina.

Pewnie ci, którzy zastali pobojowisko, pochowali ją w jednym grobie. Ani badania antropologiczne, ani mikroskopowe nie dawały pewności, dopiero wykonane w 2008 r. badania DNA potwierdziły przypuszczenia Ganslmeiera. To najstarsza genetycznie pewna rodzina, jaką udało się zidentyfikować.

Znając stopień pokrewieństwa mieszkańców osady w Eulau dowiadujemy się wiele o funkcjonowaniu pradziejowej rodziny - liczebności dzieci, wieku małżonków czy istnieniu poligamii. Tych bezcennych informacji nie wyczytamy z żadnych książek, podkreślała prof. Brigitte Röder z Uniwersytetu w Bazylei. Badanie zawartości izotopu strontu w zębach (wskazujące na pochodzenie) dowiodło, że mężczyźni w Eulau byli miejscowi, kobiety zaś pochodziły z daleka. Istnienie patrylineatu (żony zamieszkiwały u mężów) przeczy przekonaniu o dominacji matriarchatu w neolicie.

Mimo tak spektakularnych wyników badacze są ostrożni w wyciąganiu ogólnych wniosków. Wysoka śmiertelność kobiet sprawiała, że wiele rodzin miało bardziej skomplikowaną strukturę, być może funkcjonowało wielożeństwo. Aby stworzyć pełen obraz starożytnych społeczności, trzeba kolejnych badań DNA - najskuteczniejszego narzędzia, jakim dysponują archeolodzy.

A wszystko zaczęło się na początku lat 90., gdy George Poinar z University of California w Berkeley uzyskał sekwencję DNA zatopionego w bursztynie insekta. Odkrycie rozpaliło wyobraźnię. Wydawało się, że dzięki umiejętności klonowania odtworzymy wymarłe gatunki zwierząt i roślin, a może nawet sprawimy, że znowu urodzi się Einstein czy Bach. Pomysł zdobył popularność za sprawą książki Michaela Crichtona "Jurassic Park" i jej filmowej adaptacji Stevena Spielberga.

Niestety, późniejsze badania podważyły pracę Poinara. Są przekonujące dowody, że wyizolowany przez niego DNA nie pochodzi od wymarłego owada, tylko ze współczesnej pleśni. Dziś większość badaczy nie wierzy w możliwość ekstrakcji DNA z okazów zatopionych w bursztynie.

Geny mają pamięć ewolucyjną. Informacja w genomie człowieka jest produktem miliardów lat tej ewolucji. - Znajomość zegara molekularnego, określającego tempo zmian genetycznych, pozwala nam spojrzeć wstecz - tłumaczy Mateusz Baca, asystent w Ośrodku Badań Prekolumbijskich Uniwersytetu Warszawskiego. - Kiedyś zakładano, że zmiany te następują w genomie w tych samych odcinkach czasu, teraz uwzględnia się różne tempo mutacji dla genomu jądrowego i mitochondrialnego oraz różnych regionów świata. To bardziej skomplikowane, ale bardziej precyzyjne.

Dr hab. Paweł Golik z Instytutu Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii UW podkreśla: - Należy pamiętać, że najczęściej posługujemy się danymi z genów współczesnych ludzi i zwierząt, stosunkowo niedawno postęp techniczny pozwolił odczytywać informacje z materiałów kopalnych. Praca nad antycznym DNA wymaga niesłychanej staranności i chociaż to zabiera sporo czasu, dziś już potrafimy z reguły określić, kiedy mamy do czynienia z zanieczyszczoną próbką. Szczątki rodziny z Eulau były w wyjątkowo dobrym stanie. Genetykom udało się uzyskać nie tylko dziedziczony w linii żeńskiej mitochondrialny DNA, ale i dowodzący ojcostwa DNA jądrowy - to pierwsze potwierdziło, że kobieta była matką, drugie, że mężczyzna był ojcem pochowanych z nimi dzieci.

Ząb niezbędny

Nie zawsze jest to takie proste. DNA degraduje się, ponieważ jest trawione przez enzymy, bakterie, grzyby, uszkodzenia oksydacyjne oraz hydrolizę. Łatwiej wyizolować, a potem namnożyć DNA mitochondrialny, którego jest w każdej komórce po kilka tysięcy kopii, niż istniejący tylko w jednej kopii DNA jądrowy. Do tego trzeba dobrze zachowanych próbek, dlatego najczęściej wykorzystywane jest do badania, niezanieczyszczone współczesnym DNA wnętrze zębów. Materiał pobrany z próbek mających więcej niż 50 tys. lat jest w zasadzie nieczytelny. Na razie nie ma zatem co liczyć na odtworzenie DNA dinozaurów, ale udało się odtworzyć aż 70 proc. genomu mamuta. Badacze byli w wyjątkowo korzystnej sytuacji, dysponując materiałem zachowanym w syberyjskiej zmarzlinie. Już teoretycznie rozważa się, jak podmieniając geny można wyhodować mamuta.

Genetycy dopiero się rozkręcają. Kolejne gatunki stoją już w kolejce do genetycznego odzysku. Jest wśród nich wymarły 10 tys. lat temu tygrys szablozębny, niedźwiedź jaskiniowy, nosorożec wełnisty, a także wytępiony w XVI w. na Nowej Zelandii struś moa i wytrzebiony w 1690 r. nielot dodo.

Ale chyba z największą niecierpliwością czekamy na genom neandertalczyka. W 200-lecie urodzin Karola Darwina (12 lutego 2009 r.) Svante Pääbo z Instytutu Maxa-Plancka w Lipsku ogłosił, że zakończył trzyletnie badania na materiale badawczym pobranym z liczących 38 tys. lat kości (publikacja analiz ukaże się pod koniec roku).

Casus neandertalczyka

Wcześniej (w 1997 r.) Svante Pääbo stwierdził, że neandertalczyk nie był przodkiem człowieka współczesnego i najprawdopodobniej się z nim nie krzyżował. Nie wszyscy dali się od razu przekonać, w końcu paleoantropolodzy znajdują kości, które wyglądają jak kości mieszańców. Ale i to genetycy potrafią wytłumaczyć. - Brak neandertalskich genów w genomach współczesnych ludzi świadczy o tym, że albo w ogóle nie dochodziło do krzyżowania się, albo, nawet jeśli do niego dochodziło, nie pozostawiło to żadnych śladów w ludzkim genotypie, gdyż wszyscy potomkowie takich populacji wyginęli - mówi dr Golik.

Badania ludzkiego genomu pozwoliły stworzyć drzewo filogenetyczne. Według niego linia szympansów, naszych najbliższych krewnych, rozdzieliła się od człowieka ok. 5 mln lat temu, a centrum ewolucyjnym hominidów była Afryka. Nasz ostatni wspólny przodek żył w Afryce ok. 200 tys. lat temu. Sceptycy postawili więc słuszne pytanie - dlaczego niektóre kości hominidów znajdowane na terenie Azji i Oceanii mają około miliona lat? - Odpowiedź jest prosta - przodkowie ludzi wielokrotnie podejmowali próby kolonizacji świata, ale przetrwali tylko przedstawiciele tej ostatniej migracji - tłumaczy dr Golik. - Nie przetrwał też neandertalczyk. Jego genetyczne rozdzielenie z człowiekiem współczesnym miało miejsce ok. 500 tys. lat temu. Nie jest dziwne, że mamy wspólnego przodka - najprawdopodobniej wszystkie żyjące organizmy miały jednego żyjącego miliardy lat temu przodka - ale dziwi, że żył tak niedawno. Neandertalczycy byli zatem boczną gałęzią hominidów, która wyszła z Afryki na długo przed ostatnią falą migracji i ewoluowała w Europie.

W literaturze naukowej aż roi się od teorii tłumaczących przyczyny ich wyginięcia. Winę zrzuca się na ich krótkie nogi, nieumiejętność rzucania oszczepem, kłopoty z organizacją społeczną i wiele innych. Czy geny rozwiążą ten problem? - Z genów potrafimy wyczytać, że neandertalczyk miał wszelkie predyspozycje do tego, by mówić (miał tzw. gen mowy FOXP2 identyczny z naszym), ale nie potrafimy znaleźć informacji, dlaczego przegrał z Homo sapiens - tłumaczy dr Golik. - Wątpię jednak, by nowe znaleziska znacznie zmieniły wygląd drzewa filogenetycznego, które dobrze koreluje z mapą rozprzestrzeniania się języków. Mogą się przesuwać daty migracji albo pojawić nowe odgałęzienia, ale wielkiej rewolucji bym się nie spodziewał.

Bakteria prawdy

Nie można też liczyć na to, że nagle zmieni się ustalony na podstawie badań genetycznych pogląd na temat przybycia człowieka do Ameryki. Analiza DNA rdzennych Amerykanów dowodzi, że są oni potomkami migrantów, którzy przeszli przez Cieśninę Beringa około kilkunastu tysięcy lat temu. Mitochondrialny DNA współczesnych Indian jest podobny do materiału genetycznego mieszkańców północno-wschodniej Azji. U obydwu tych populacji wyróżniono cztery charakterystyczne serie genów (haplogrupy), które zbiegają się na drzewie filogenetycznym ok. 20 tys. lat temu.

Najstarsze ludzkie DNA z terenu Ameryki wyizolowane w zeszłym roku ze skamieniałych odchodów ma 12 tys. lat, ono również potwierdza azjatyckie pochodzenie współczesnych Indian. - Jeśli do Ameryki przywędrowali jacyś inni ludzie z Afryki lub Europy, to nie pozostawili żadnych śladów genetycznych - mówi Baca. - Nawet znalezienie kości ludzkich sprzed 20 tys. lat nie wprowadzi tu żadnego zamieszania, gdyż będą to szczątki populacji, której potomkowie z jakichś względów nie przetrwali.

O wędrówkach ludzi świadczą też badania DNA bakterii, które od tysięcy lat żyją w naszych organizmach. Kilka lat temu Mark Achtman z Instytutu Maxa-Plancka w Berlinie wziął na warsztat odpowiedzialnego za wrzody żołądka Helicobacter pylori, a Page W. Caufield z New York University zajął się badaniem wywołującego próchnicę Steptococcus mutans. Ponieważ obydwie te bakterie wykazują zróżnicowanie pod względem geograficznym, postanowiono, badając ich DNA, prześledzić wędrówkę ich żywicieli - ludzi. Z badań porównawczych po raz kolejny wynikło, że człowiek wyszedł z Afryki, potem opanował Azję, by z czasem dotrzeć do Europy. Kilkanaście tysięcy lat temu przeszedł przez Beringię, by opanować Ameryki.

W naszych zębach i żołądkach jest również cały atlas późniejszych wędrówek - handlu niewolnikami od XVI do XIX w. czy zasiedlania przez Europejczyków Australii i Oceanii. Homo sapiens wyszedł z Afryki z jeszcze jednym, schowanym we włosach, pasażerem na gapę. Najnowsze badania Davida Reeda z University of Florida dowiodły, że wszy z głów mumii peruwiańskich, liczących tysiąc lat, opuściły Afrykę ok. 100 tys. lat temu i znalazły się w Nowym Świecie na długo przed przybyciem Europejczyków.

Gen bałaganu

Genetycy przedstawiają nowe scenariusze przeszłości, które czasami potwierdzają, a czasami zaprzeczają ustalonym już obrazom pewnych wydarzeń. W 2007 r. ogłoszono wyniki badań genetycznych wyjaśniających tajemnicę pochodzenia Etrusków. Dotychczas istniało kilka teorii, w tym dwie najważniejsze - Herodota (V w. p.n.e.), który twierdził, że Etruskowie przybyli do Środkowej Italii z Anatolii, i Djonizjosa z Halikarnasu (I w. p.n.e.), który widział w nich autochtonów. Zespół greckich naukowców kierowany przez Alberto Piazzę przebadał DNA mieszkańców Toskanii o etruskich korzeniach i porównał je z próbkami pobranymi od mieszkańców północnych Włoch, Bałkanów, Turcji, Sycylii i Sardynii. Wyniki analiz dowiodły, że rację miał Herodot, gdyż największe podobieństwa genetyczne wykazują Toskańczycy z mieszkańcami Turcji. Potwierdzeniem były badania genów toskańskiego bydła. Biolog Paolo Ajmone-Marsan z Uniwersytetu w Piacenzy wyszedł z założenia, że przybywający do Italii Etruskowie wzięli ze sobą swoje krowy. Po przebadaniu DNA mitochondrialnego 11 ras toskańskich krów okazało się, że ich genetycznie najbliższe krewne mieszkają na Bliskim Wschodzie.

Natomiast w zeszłym roku spore zaskoczenie wywołały badania Grega Larsona z Oxford University i Keitha Dobneya z Durham University na materiale genetycznym świń. Okazało się, że zarówno współczesne świnie, jak i te neolityczne pochodziły z Bliskiego Wschodu. Udomowienie mieszkających w europejskich lasach dzików odbyło się dopiero 4 tys. lat temu. Przeczy to ustaleniom badających kości archeozoologów, którzy twierdzili, że europejska świnia to udomowiony dzik, a rolnicy przybywający do Europy ze Wschodu zabrali ze sobą jedynie owce, kozy i bydło, ale nie świnie, które są fatalnymi piechurami. Dla archeozoologów to trudny orzech do zgryzienia.

Włos z DNA

Antyczny DNA wykorzystywany jest do identyfikacji konkretnych osób. Nie są to informacje ważne dla rozwoju cywilizacji, wzbudzają jednak sporą ciekawość - dotyczą bowiem znanych osób. Niestety bez materiału porównawczego badania takie nie są możliwe. Doskonałym przykładem jest identyfikacja szczątków Mikołaja Kopernika, znalezionych w 2005 r. w katedrze we Fromborku przez zespół prof. Jerzego Gąssowskiego z Wyższej Szkoły Humanistycznej w Pułtusku. Leżący pod jednym z ołtarzy szkielet 70-letniego mężczyzny już na pierwszy rzut oka pasował antropologowi prof. Karolowi Piaseckiemu do Kopernika. Czaszkę przekazano do Centralnego Laboratorium Kryminalistycznego Komendy Głównej Policji w Warszawie. Zrekonstruowana twarz mężczyzny zaskoczyła wszystkich, gdyż była to postarzona twarz astronoma znana z jego portretów. Nadal nie było pewności, tę można było mieć dopiero po wykonaniu badań DNA. Badacze skupili się na poszukiwaniu materiału porównawczego, czyli krewnych wielkiego astronoma i to najlepiej w linii żeńskiej.

Żmudne poszukiwania trwały w najlepsze, gdy na genialny pomysł wpadł dr Göran Henriksson z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Uppsali. Postanowił on poddać badaniom DNA 10 włosów znalezionych w przechowywanej w Uppsali księdze, która w przeszłości należała do astronoma. Badania prof. Marie Allen dowiodły, że DNA kilku z nich jest identyczny z DNA mężczyzny z Fromborka. - Przypadek Kopernika pokazuje, co genetyka może, a czego nie - nie znając krewnych astronoma mogliśmy jedynie powiedzieć, że był on mieszkańcem środkowej Europy - mówi dr Golik. - Z identyfikacją szczątków dzieci cara Mikołaja II Romanowa znalezionych w Jekaterynburgu na Uralu genetycy nie mieli żadnych problemów, gdyż do dziś żyją ich potomkowie.

To co udało się z Romanowami czy Kopernikiem, nie powiodło się z innymi. Najbardziej spektakularną porażką była próba przebadania genetycznego przechowywanej w Mozarteum w Salzburgu od 1902 r. czaszki przypisywanej Mozartowi. Materiałem porównawczym miały być próbki pobrane z ciał trzech osób - ojca, babki i siostrzenicy kompozytora. Wszystko spaliło na panewce, gdy okazało się, że leżące w grobie osoby nie są w ogóle ze sobą spokrewnione.

Mumia niełatwa

Chyba najgłośniejsze i najczęstsze są informacje dotyczące badań DNA mumii egipskich. Wydawałoby się, że to materiał wprost idealny - świetnie zachowany, z doskonałym spektrum porównawczym, mnóstwem wiadomości historycznych. Tymczasem dobrze zachowane pod względem makroskopowym mumie egipskie dla genetyków okazały się niewdzięcznym materiałem. Czasami udaje się z nich uzyskać mitochondrialny DNA, ale DNA jądrowego w zasadzie nigdy. Dlatego ani przeprowadzone w 2000 r. w Atlancie badanie mumii uważanej za Ramzesa I, dziadka słynnego Ramzesa Wielkiego (nie udało się wyekstrahować DNA jądrowego), ani wykonane w 2007 r. pod okiem dr. Zahi Hawassa badanie tzw. mumii Hatszepsut (nie udało się uzyskać mitochondrialnego DNA) nie powiodły się. Być może do degradacji i zanieczyszczenia DNA przyczyniły się procesy zachodzące w trakcie balsamowania. - Znacznie lepszym materiałem są mumie naturalne np. badane przez nas inkaskie, zachowane dzięki zimnemu i suchemu klimatowi - mówi dr Ana Stanković, kierująca badaniami nad antycznym DNA w laboratorium Instytutu Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii UW.

Genetyka dostarcza tropicielom przeszłości mnóstwa informacji, choć ma pewne ograniczenia. - W interpretacji swoich badań genetycy są ostrożniejsi niż historycy, którzy potrafią budować różne, często absurdalne scenariusze - mówi dr Golik. - Ostatnio usłyszałem w radiu wypowiedź historyka z IPN, który twierdził, że badanie DNA gen. Sikorskiego pozwoli zrozumieć, jak zginął. Nie pozwoli, podobnie jak nie uda się znaleźć genu inteligencji, poglądów politycznych czy łatwowierności, gdyż na rozwój jednostki oprócz czynnika genetycznego ma wpływ mnóstwo innych czynników - społeczny, kulturowy, rodzinny.

Dzięki genetyce możemy spojrzeć w przeszłość, jednak można to porównać do patrzenia przez bardzo brudną szybę - widzimy kontury, światło, ruch, ale szczegóły są rozmyte. Mimo wszystko to i tak znacznie więcej niż dotychczas wiedzieliśmy.