Палеогенетика: Как пыль пещер раскрывает тайны ледникового периода

Последние два десятилетия стали революцией в способности учёных реконструировать прошлое. Это стало возможным благодаря технологическому прорыву в методах извлечения и анализа ДНК из древних костей.

Эти достижения раскрыли, что неандертальцы и современные люди скрещивались — что ранее считалось невозможным. Они позволили исследователям распутать клубок миграций, сформировавших современных людей, а также прочесть геномы вымерших животных, таких как мамонт, и древних патогенов, например, штаммов чумы.

Хотя большая часть этой работы основана на анализе физических останков, существует иной способ получения древней ДНК — из окружающей среды. Сегодня учёные могут извлекать и секвенировать ДНК (определять последовательность её «букв») прямо из отложений пещер, минуя необходимость в костях. Это преображает область науки, известную как палеогенетика.

Пещеры способны хранить генетическую историю десятки тысяч лет, являясь идеальными архивами для изучения долгосрочного взаимодействия человека и экосистемы. Отложения под нашими ногами превращаются в биологические капсулы времени.

Именно этим мы занимаемся в Геогеномном археологическом кампусе Тюбингена (GACT) в Германии. Анализ ДНК из пещерных отложений позволяет восстановить картину того, кто населял Европу ледникового периода, как менялись экосистемы и какую роль играли люди. Например, пересекались ли современные люди и неандертальцы в одних и тех же пещерах? Также возможно получить генетический материал из фекалий, оставленных в пещерах. Сейчас мы как раз анализируем ДНК из экскрементов пещерной гиены, обитавшей в Европе около 40 000 лет назад.

Самая древняя из обнаруженных на сегодняшний день ДНК из отложений найдена в Гренландии, и её возраст составляет 2 миллиона лет.

Палеогенетика прошла долгий путь с 1984 года, когда был впервые секвенирован геном вымершего животного — квагги, близкого родственника современных зебр. За последние два десятилетия секвенаторы нового поколения, лабораторная робототехника и биоинформатика (возможность анализировать большие сложные биологические наборы данных) превратили древнюю ДНК из хрупкой диковинки в высокопроизводительный научный инструмент.

Современные секвенаторы могут расшифровывать в сотни миллионов раз больше ДНК, чем их первые предшественники. Если на первый геном человека ушло более десяти лет, то сегодня лаборатории могут прочитать сотни полных человеческих геномов за один день.

В 2022 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Сванте Паабо, ведущему светилу в этой области, что подчеркнуло глобальную значимость данных исследований. Древняя ДНК регулярно попадает в заголовки: от попыток воссоздания мамонтоподобных слонов до отслеживания сотен тысяч лет человеческого присутствия в разных уголках мира. Ключевым стало то, что прогресс в робототехнике и вычислениях позволил извлекать ДНК не только из костей, но и из осадочных пород.

GACT — это растущая научная сеть в Тюбингене (Германия), где три института ведут междисциплинарное сотрудничество, разрабатывая новые методы поиска ДНК в отложениях. Археологи, геологи, биоинформатики, микробиологи и специалисты по древней ДНК объединяют свой опыт для получения знаний, недоступных любой отдельной дисциплине — это тот случай, когда целое действительно больше суммы его частей.

Сеть выходит далеко за пределы Германии. Международные партнёры позволяют проводить полевые работы в археологических и природных пещерах по всему миру. Например, этим летом команда исследовала пещерные стоянки в Сербии, собрав несколько сотен образцов отложений для анализа древней ДНК и экологических исследований. В будущем планируются работы в Южной Африке и на западе США, чтобы проверить пределы сохранности древней ДНК в отложениях из различных сред и временных периодов.

Игла в стоге сена

Извлечение ДНК из отложений звучит просто: взять пробу, выделить, секвенировать. В реальности всё гораздо сложнее. Молекулы ДНК редки, деградировали, фрагментированы и смешаны с современными загрязнениями от посетителей пещер и диких животных. Обнаружение подлинных молекул ледникового периода зависит от распознавания особых паттернов химических повреждений в самой ДНК, работы в сверхчистых лабораториях, роботизированного выделения и специализированной биоинформатики. Каждая успешная идентификация — это маленький триумф, открывающий паттерны, невидимые для традиционной археологии.

Значительная часть работы GACT проходит в пещерах Швабского Альба, являющихся объектами Всемирного наследия ЮНЕСКО, таких как Холе-Фельс, где были найдены древнейшие в мире музыкальные инструменты и фигуративное искусство. Неандертальцы и Homo sapiens оставили после себя каменные орудия, кости, бивни и отложения, копившиеся десятки тысячелетий. Пещеры — это естественные архивы ДНК, где стабильные условия сохраняют хрупкие биомолекулы, позволяя исследователям воссоздавать генетическую историю Европы ледникового периода.

Один из самых захватывающих аспектов исследования осадочной ДНК — способность обнаруживать давно исчезнувшие виды, даже когда не осталось ни костей, ни артефактов. Особый интерес представляют люди: кто жил в пещере и когда? Как использовали пещеры современные люди и неандертальцы, и, как упоминалось, были ли они там одновременно? Конкурировали ли пещерные медведи и люди за убежище и ресурсы? И что могут рассказать микробы, жившие рядом с ними, о влиянии человека на древние экосистемы?

ДНК из отложений также отслеживает жизнь за пределами пещеры. Хищники затаскивали добычу в укрытия, люди оставляли отходы. Отслеживая изменения в ДНК человека, животных и микробов во времени, исследователи могут изучать древние вымирания и сдвиги в экосистемах, что даёт важные инсайты для понимания сегодняшнего кризиса биоразнообразия.

Задачи амбициозны: используя осадочную ДНК, реконструировать экосистемы ледникового периода и понять экологические последствия человеческого присутствия. Всего через два года работы GACT каждый набор данных порождает новые вопросы. Каждый пещерный слой добавляет новый поворот в общую историю.

Сотни образцов сейчас находятся в обработке, и нас ждут крупные открытия. Исследователи ожидают, что вскоре удастся обнаружить первые геномы пещерного медведя, самые ранние следы человека и сложные микробные сообщества, которые когда-то процветали во тьме. Раскроют ли отложения все свои секреты? Время покажет — но перспективы захватывают дух.