Eske Willerslev a Koppenhágai Egyetem doktoranduszaként újra és újra szembesült a kezdő evolúciós genetikusok fő problémájával: egyszerűen nem tudott hozzájutni ahhoz a kevés számú, áhított fosszíliához, amelyek ősi DNS-nyomokat tartalmazhatnak, hogy ezeket elemezve kutatásokat végezzen. Frusztrációját azonban sikerült inspirációvá változtatni, amikor 2000-én egy dolgát végző kutyát látva elkezdett gondolkodni: az ürülékben DNS van, és még azután is maradhat benne valamennyi, hogy az eső elmossa. És ha ez így megmaradhat, akkor a rég elhunyt állatok genetikai anyaga is fennmaradhat a környezetben. Ez azt jelentené, hogy anélkül is tanulhatunk valamit azokról a lényekről, akik egykor éltek, hogy hozzáférnénk a féltve őrzött múzeumi leletekhez.
Willerslev ötletét akkoriban még saját professzorai is kinevették. „Még soha nem hallottam ennél nagyobb hülyeséget” – jegyezte meg egyikük. De a megérzés meghozta a várakozásokat, a kutató 2003-ban egy Science-tanulmányban igazolta, hogy növényi és állati DNS nyerhető ki egy 400 ezer évvel ezelőtti szibériai permafroszt-mintából. Willerslevnek még egy melegebb hőmérsékletű új-zélandi barlangban is sikerült azonosítania az emuhoz hasonló, már kihalt moa (Euryapteryx curtus) DNS-ét 600 éves üledékmintákban. Ez volt az első alkalom, hogy a kutatók kizárólag üledéket használtak rég halott, komplex organizmusok azonosítására.
Két évtizeddel későbbre az üledékből származó ősi DNS vizsgálata a múlt tanulmányozásának egyik legizgalmasabb eszközévé fejlődött. A talajbeli DNS iránti érdeklődés nagyjából tíz évvel ezelőtt kezdett ugrásszerűen nőni, amikor a szakértők rájöttek, hogy az ősi üledékből az emberi DNS is izolálható. Azok a laboratóriumok, amelyek korábban a genetikai anyag ritka fosszíliákból való kivonására összpontosítottak, a talajra fordították figyelmüket. A régészek pedig ismételt elemzéseknek kezdték alávetni az évtizedekkel korábban gyűjtött talajmintákat, alig várva, hogy az új módszerekkel többet tudjanak meg a múltról.
Az üledékrétegekben archivált komplex történelem csak arra vár, hogy feltárjuk, mondja Willerslev.
És egészen elképesztő mértékű forrásról beszélhetünk. 2022-ben a kutató és kollégái kétmillió éves, grönlandi permafroszt-üledékrétegekből nyertek ki DNS-töredékeket – ezek a legrégebbi ilyen genetikai minták eddig. „Tényleg hihetetlen, mennyi molekuláris információ rejlik az üledékben. A lehetőségek tekintetében még csak a jéghegy csúcsát kapirgáljuk” – mondja Matthias Meyer, a lipcsei Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet molekuláris biológusa. Willerslev szerint irrelevánssá válhat, hogy egy lelőhelyen vannak-e fosszilis maradványok. Lehetséges, hogy szinte nem is kell törődni a csontokkal, és elég lesz csak a talajrétegekre koncentrálni, véli a szakértő.
A talajbeli DNS különösen nagy hatással volt az ősi emberek kutatására, fontos nyomokat tárva fel saját fajunk korai képviselőiről, valamint a neandervölgyi emberekről (Homo neanderthalensis) és a titokzatos gyenyiszovaiakról, akiktől eddig nagyon kevés csontot találtak. De egyes kutatók óvatosságra intenek még akkor is, amikor az új típusú bizonyítékoknak köszönhető úttörő eredmények a címlapokra kerülnek. A kritikusok aggódnak, hogy vajon elegendő gondot fordítanak-e kollégáik az eredmények megbízhatóságának biztosítására.
Igazi aranybánya
14 éven át az ősi üledékekből származó DNS – más néven sedaDNS – a paleoökológusok játszótere maradt, akik tófenéki és örökké fagyott területekről származó talajminták segítségével rekonstruálták, milyen volt az élet egykor a Földön. De 2017-ben fordulópont történt, a szakértők ugyanis sikeresen azonosítottak ősi emberekhez tartozó DNS-t a jégkorszaki talajrétegekben.
„Ha az emberről van szó, akkor az felkelti a ma élő emberek érdeklődését is” – mondja Diyendo Massilani, a Yale paleogenetikus szakértője, aki nem vett részt a 2017-es kutatásban. Amint valaki emberi DNS-t talált, mondja, hirtelen mindenki mindenre vizsgálni akarta az üledéket.
A probléma az, hogy a talajban található ősi emberi DNS rendkívül ritka a mikroorganizmusok és más állatok DNS-éhez képest. Annak érdekében, hogy növeljék az esélyüket az emberi DNS megtalálására a mintákban, a Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet kutatói – köztük a paleogenomika tudományának Nobel-díjas alapítója, Svante Pääbo – olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyekkel szelektíven rögzíteni lehet az emberi szekvenciákat.
Ezzel a megoldással olyan helyeken találtak humán DNS-t, ahol emberi fosszíliákat nem fedeztek fel.
Ez rávilágított arra, hogy a sedaDNS milyen kiváló kiegészítője lehet a fosszilis leletanyagnak. A belgiumi Trou Al’Wesse-barlangban például a sedaDNS-eredmények erősítették meg azt a régóta fennálló, jellegzetes kőeszközökön alapuló gyanút, hogy egykor neandervölgyiek lakták a helyet. A szibériai Gyenyiszova-barlangban a kutatók mind a neandervölgyiek, mind pedig rokonaik, a barlangról elnevezett gyenyiszovaiak DNS-ét megtalálták a módszerrel.
A DNS egy része a fosszíliák nélküli rétegekben is megjelent. A Gyenyiszova-barlangból származó, mintegy 700 permafroszt-üledékminta átfogó elemzése során egy mélyről származó minta arra utalt, hogy a neandervölgyiek 170 ezer évvel ezelőtt érkeztek a helyszínre – vagyis 30 ezer évvel korábban, mint amit a fosszilis bizonyítékok sugalltak.
És bár eddig nem találtak csontokat, a sedaDNS a korai modern emberek megjelenését is a vártnál korábbra, körülbelül 45 ezer évvel ezelőttre helyezi a barlangban.
A DNS alapján a neandervölgyiek egy bizonyos típusú kőeszközöket tartalmazó réteghez, a gyenyiszovaiak pedig egy másik típusú eszközöket tartalmazó, különálló réteghez köthetők, így összekapcsolva azokat lehetséges készítőikkel. Ezt a kapcsolatot más módon gyakran nehéz megállapítani. Meyer és mások optimisták azzal kapcsolatban, hogy az ősi DNS révén egy napon azonosítani lehet majd az eszközök készítőit további lelőhelyeken is, sőt, talán a barlangrajzokért felelős művészeket is megtalálhatjuk ilyen módon.
A talajbeli DNS segített megoldani egy rejtélyt a Gyenyiszova-barlangtól közel 3000 kilométerre délkeletre, a Tibeti-fennsíkon található barlanggal kapcsolatban is. 1980-ban egy szerzetes ősi állkapocsmaradványt talált ezen a helyen, a Baishiya-karsztbarlangban. 2019-ben Qiaomei Fu, a pekingi Gerinces Paleontológiai és Paleoantropológiai Intézet paleogenetikus szakértője és kollégái az ősi fehérjék úttörő elemzése nyomán kiderítették, hogy a 160 ezer éves állkapocs egy gyenyiszovaihoz tartozott.
Módszerük nagyon új volt, és kétségek merültek fel az állkapocs eredetét illetően is, mivel azt elég régen távolították el a barlangból. 2020-ban azonban Fu gyenyiszovai DNS-t talált a barlangi üledékben is, megerősítve, hogy ezek a korai emberek egykor valóban éltek itt.
Ez volt az első vitathatatlan bizonyíték arra, hogy az gyenyiszovaiak Szibérián kívül is elterjedtek.
A nukleáris DNS felé
Meyer és Fu egyaránt úgynevezett „molekuláris horgokat” használt, amelyeket az emberi DNS kinyerésére terveztek a mitokondriumokból, a sejtek apró erőműveiből. A sejtenként több ezer példányban jelen lévő mitokondriális DNS (mtDNS) bőségesebb – és könnyebben megtalálható –, mint a sejtmagi DNS. Azonban a nukleáris genomot mérete – hárommilliárd bázispárból áll szemben az mtDNS mindössze 16 ezer bázispárjával – és az a tény, hogy ez mindkét szülőtől öröklődik, alkalmasabbá teszi arra, hogy jobban megértsük, hogyan terjedtek el és keveredtek a korai emberi populációk az evolúció során.
A sejtmagi DNS által nyújtott információk felkeltették a lipcsei Max Planck Intézetben dolgozó populációgenetikus, Benjamin Vernot érdeklődését is. Kíváncsi volt, hogy ki tud-e halászni sejtmagi DNS-t is azokból a mintákból, amelyekből mtDNS-t már kinyertek. Ehhez Vernot 1,6 millió aprócska szondát tervezett az emberi genomban elszórt szekvenciákhoz, amelyek a neandervölgyiek, a gyenyiszovaiak és a korai modern emberek szekvenciáihoz kötődnek. Emellett megtalálhatnak olyan ősi emberi DNS-darabokat is, amelyekről még nem is tudunk. „Mindig fennáll annak a lehetősége is, hogy a Homo erectus DNS-e lesz a mintában. Erre is fel akartunk készülni” – mondja Vernot.
A szondák sikeresen kivonták a nukleáris szekvenciákat a talajból, de a nagyobb kihívás az volt, hogy értelmet nyerjenek a szűkös adatok. „A legjobb üledékmintáink is nagyon-nagyon gyengék voltak” – mondja Vernot. Az 1,6 millió genomikus szonda közül a jó minták mindössze 10 ezer szekvenciát tartalmaztak. Körülbelül nyolc hónapba telt, mire Vernot kifejlesztette azokat a számítógépes módszereket, amelyek képesek voltak kezelni az ilyen szűkös adatokat. Ezeket felhasználva Vernot a Galería de las Estatuas üledékeit kezdte vizsgálni. Ebben az észak-spanyolországi barlangban az ásatások során egyetlen neandervölgyi lábcsontot és jellegzetes kőeszközöket tártak fel, de genetikai információt nem sikerült találni.
Az mtDNS-adatokból Vernot két különálló neandervölgyi populációt tudott megkülönböztetni, amelyek közül az egyik körülbelül 100 ezer évvel ezelőtt teljesen felváltotta a másikat. A nukleáris DNS-ből azt is meg tudta állapítani, mely minták származnak egyetlen férfitől vagy nőtől, és melyek tartalmazzák több személy DNS-ének keverékét.
Gelabert is sikerrel vont ki nukleáris szekvenciákat barlangi üledékekből. De ahelyett, hogy szondákkal rögzítette volna az emberi szekvenciákat, erővel ment neki a feladatnak, és úgynevezett „shotgun” szekvenálással a talajból kivont összes DNS-t kiolvasta. Legújabb, preprintben megjelent tanulmányában azonban arra utal, hogy ez a megközelítés nem annyira hasznos a populációgenetika számára. Egy közvetlen összehasonlításban a molekuláris szondákkal történő DNS-kivonás 32-szer több szekvenciát eredményezett informatív genomiális helyeken, mint a shotgun-módszer.
Gelabert szerint az üledékből származó nukleáris DNS kinyeréséhez szükséges többletmunka miatt az eljárás valószínűleg csak különleges esetekben éri meg, például ha a rétegek sok genetikai anyagot tartalmaznak.
A legtöbb esetben az mtDNS elegendő, ennek segítségével képet lehet kaphatni arról, hány különböző leszármazási vonal van a mintában, és akár a populációk közötti különbségeket is vissza lehet vezetni, mondja.
Vándorló nyomok?
A területen elért sikerek ellenére a szakértőknek egyelőre frusztrálóan kevés ismeretük van arra vonatkozóan, hogy megjósolják, mely üledéktípusok a legalkalmasabbak a vizsgálatokra, így kísérleteik gyakran eredménytelenek maradnak. Amíg nem azonosítják az ideális talajviszonyokat, Vera Aldeias, az Algarve Egyetem geoarcheológusa pragmatikus megközelítést javasol. Ha a kutatók szisztematikusan gyűjtik és jelentik az üledékek jellemzőit – például a pH-értéket, az ásványi összetételt és egyéb adatokat –, akkor ezekből egyre inkább kinyerhetők lesznek az optimális jellemzők.
Ezek a kérdések különösen relevánsak olyan helyzetekben, amikor a sedaDNS-eredmények ellentmondanak a régészeti leleteknek. Ha például egy állat ősi DNS-ét olyan időpontból azonosítják, amely későbbi a korábban vélt kihalási időpontjánál, az jelentős következményekkel járhat azokra a vitákra nézve, hogy vajon a változó éghajlat vagy az ősi emberi tevékenység volt-e felelős a kihalásáért.
2021-ben Willerslev csapata sedaDNS-adatok alapján arra a következtetésre jutott, hogy a gyapjas mamutok (Mammuthus primigenius) Észak-Szibériában egészen 4000 évvel ezelőttig fennmaradtak, és valószínűleg inkább a felmelegedő éghajlat, mint az emberi tevékenység miatt haltak ki. A felfedezés parázs vitát váltott ki, és felvetette a kérdést, hogy megbízhatóan állítható-e, hogy az ősi DNS ugyanolyan korú, mint az az üledék, amelyben megtalálták, vagy lehetséges, hogy korábbi rétegekből szivárgott oda.
Massilani kutatásai azonban arra utalnak, hogy ha egyszer a talajhoz kötődnek, a DNS-molekulák nem mozognak szabadon abban. Egyetlen üledékmintában a csonttöredékek, a megkövesedett ürülék és az ásványi szemcsék mindegyike egyedi DNS-jellegzetességeket tartalmazhat, ami arra utal, hogy a DNS az idő múlásával nem vándorol egyik anyagból a másikba. A talaj időbeli viselkedésének feltárása mindazonáltal elengedhetetlen az ősi üledékből nyert genetikai adatok pontos értelmezéséhez, mondják a szakértők. Egy lelőhely mikroszerkezetének elemzése szintén segíthet a kutatóknak abban, hogy azonosítsák azokat az üledékeket, amelyek mentesek a szennyeződésektől.
Ami a mamutokat illeti, Willerslev elmondása szerint mások éghajlati modellezésen alapuló munkái kimutatták, hogy a megfelelő helyeken az állatok a vártnál tovább fennmaradtak – és pontosan egy ilyen helyszínen találta meg csapata a legfiatalabb sedaDNS-t.
Nem mindenki lelkesedik ugyanakkor a múlt feltárására szolgáló új technikáért. Ausztráliában például egyes őslakos csoportok vonakodnak attól, hogy a kutatók szándékosan keressenek DNS-t az üledékrétegekben, mert ez az őseik vagy kulturálisan fontos fajok maradványainak megzavarásaként értelmezhető, mondja Dawn Lewis, az Adelaide Egyetem régésze. A kutatóknak ezért már a kezdeti szakaszban együtt kell működniük a helyiekkel, hogy kezelni tudják a hasonló aggályokat, hangsúlyozza a szakértő.
