Eske Willerslev ako doktorand na Kodanskej univerzite opakovane narážal na zásadný problém začínajúcich evolučných genetikov: jednoducho sa nedokázal dostať k tým niekoľkým vytúženým fosíliám, ktoré by mohli obsahovať stopy dávnej DNA a umožniť mu výskum. Frustráciu sa mu však podarilo premeniť na inšpiráciu. Keď v roku 2000 uvidel psa vykonávajúceho potrebu, začal uvažovať: výkaly obsahujú DNA a časť z nej môže na mieste zostať aj po tom, čo ich zmyje dážď. Ak sa takto dokáže zachovať, v prostredí by mohol pretrvať aj genetický materiál dávno uhynutých živočíchov. To by znamenalo, že o niekdajších obyvateľoch Zeme môžeme niečo zistiť aj bez prístupu k starostlivo stráženým múzejným nálezom.
Willerslevovmu nápadu sa vtedy vysmiali aj jeho vlastní profesori. „Väčšiu hlúposť som ešte nepočul,“ poznamenal jeden z nich. Jeho intuícia sa však potvrdila. V štúdii publikovanej v časopise Science v roku 2003 vedec preukázal, že zo vzorky sibírskeho permafrostu starej 400-tisíc rokov možno získať rastlinnú aj živočíšnu DNA. Dokonca aj v teplejšom prostredí jaskyne na Novom Zélande sa mu v 600-ročných vzorkách sedimentu podarilo identifikovať DNA vyhynutého vtáka moa (Euryapteryx curtus), ktorý pripomínal emu. Bolo to prvýkrát, čo vedci identifikovali dávno mŕtve zložité organizmy výlučne pomocou sedimentu.
O dve desaťročia neskôr sa výskum dávnej DNA zo sedimentov zaradil medzi najzaujímavejšie nástroje na skúmanie minulosti. Záujem o DNA v pôde začal prudko rásť približne pred desiatimi rokmi, keď odborníci zistili, že z dávnych sedimentov možno izolovať aj ľudskú DNA. Laboratóriá, ktoré sa dovtedy sústreďovali na získavanie genetického materiálu zo vzácnych fosílií, obrátili pozornosť na pôdu. Archeológovia zase začali opätovne analyzovať pôdne vzorky zozbierané pred desaťročiami v nádeji, že im nové metódy prezradia o minulosti viac.
V sedimentárnych vrstvách je uložená pestrá história, ktorá len čaká na odhalenie, hovorí Willerslev.
Ide pritom o neuveriteľne bohatý zdroj informácií. V roku 2022 vedec so svojimi kolegami získal fragmenty DNA z dvojmiliónových sedimentárnych vrstiev grónskeho permafrostu. Dodnes sú to najstaršie genetické vzorky tohto druhu. „Je naozaj neuveriteľné, koľko molekulárnych informácií sa v sedimentoch ukrýva. Z hľadiska možností zatiaľ skúmame len špičku ľadovca,“ hovorí Matthias Meyer, molekulárny biológ z Inštitútu Maxa Plancka pre evolučnú antropológiu v Lipsku. Podľa Willersleva môže otázka, či sa na nálezisku nachádzajú fosílne pozostatky, stratiť význam. Je možné, že kostiam takmer nebude treba venovať pozornosť a postačí sústrediť sa na vrstvy pôdy, myslí si vedec.
DNA v pôde mimoriadne ovplyvnila výskum dávnych ľudí. Priniesla dôležité stopy o raných predstaviteľoch nášho druhu, ale aj o neandertálcoch (Homo neanderthalensis) a záhadných denisovanoch, po ktorých sa dosiaľ našlo len veľmi málo kostí. Niektorí vedci však nabádajú na opatrnosť aj v čase, keď prelomové výsledky založené na tomto novom type dôkazov plnia titulné stránky. Kritici sa obávajú, či ich kolegovia venujú dostatočnú pozornosť overovaniu spoľahlivosti výsledkov.
Skutočná zlatá baňa
DNA z dávnych sedimentov, označovaná aj ako sedaDNA, zostávala 14 rokov doménou paleoekológov. Pomocou vzoriek z dna jazier a z trvalo zamrznutej pôdy rekonštruovali niekdajší život na Zemi. V roku 2017 však nastal zlom: odborníci vo vrstvách pôdy z doby ľadovej úspešne identifikovali DNA dávnych ľudí.
„Keď ide o človeka, zaujíma to aj dnešných ľudí,“ hovorí Diyendo Massilani, paleogenetik z Yaleovej univerzity, ktorý sa na výskume z roku 2017 nepodieľal. Len čo niekto našiel ľudskú DNA, zrazu chcel podľa neho každý v sedimentoch hľadať všetko možné.
Problém spočíva v tom, že dávna ľudská DNA je v pôde v porovnaní s DNA mikroorganizmov a iných živočíchov mimoriadne vzácna. Aby vedci z Inštitútu Maxa Plancka pre evolučnú antropológiu zvýšili šancu na jej nájdenie vo vzorkách, vyvinuli metódy na selektívne zachytávanie ľudských sekvencií. Podieľal sa na tom aj Svante Pääbo, zakladateľ paleogenomiky a laureát Nobelovej ceny.
Vďaka tejto metóde našli ľudskú DNA aj na miestach, kde sa ľudské fosílie neobjavili.
Ukázalo sa tak, ako výborne môže sedaDNA dopĺňať fosílne nálezy. Napríklad v belgickej jaskyni Trou Al’Wesse výsledky jej analýzy potvrdili dlhoročné podozrenie založené na charakteristických kamenných nástrojoch, že miesto kedysi obývali neandertálci. V sibírskej Denisovej jaskyni vedci touto metódou našli DNA neandertálcov aj ich príbuzných, denisovanov, ktorí dostali meno práve podľa tejto jaskyne.
Časť DNA sa objavila aj vo vrstvách bez fosílií. Pri rozsiahlej analýze približne 700 vzoriek sedimentu z permafrostu Denisovej jaskyne jedna vzorka z hlbšej vrstvy naznačila, že neandertálci na miesto prišli pred 170-tisíc rokmi. To je o 30-tisíc rokov skôr, než naznačovali fosílne dôkazy.
Hoci sa tu zatiaľ nenašli ich kosti, sedaDNA posúva aj príchod raných moderných ľudí do jaskyne do skoršieho obdobia, než sa očakávalo, približne pred 45-tisíc rokmi.
Na základe DNA možno neandertálcov priradiť k vrstve s určitým typom kamenných nástrojov a denisovanov k inej, samostatnej vrstve s odlišnými nástrojmi. Predmety sa tak dajú spojiť s ich možnými výrobcami. Inými spôsobmi býva často ťažké takúto súvislosť preukázať. Meyer a ďalší vedci veria, že dávna DNA jedného dňa umožní identifikovať výrobcov nástrojov aj na iných náleziskách. Možno sa tak dokonca podarí odhaliť aj autorov jaskynných malieb.
DNA v pôde pomohla vyriešiť aj záhadu spojenú s jaskyňou na Tibetskej náhornej plošine, takmer 3.000 kilometrov juhovýchodne od Denisovej jaskyne. V roku 1980 našiel v tejto krasovej jaskyni s názvom Baishiya istý mních dávnu sánku. V roku 2019 paleogenetička Qiaomei Fu z Ústavu paleontológie stavovcov a paleoantropológie v Pekingu s kolegami pomocou priekopníckej analýzy dávnych proteínov zistila, že sánka stará 160-tisíc rokov patrila denisovanovi.
Ich metóda bola veľmi nová a pochybnosti vyvolával aj pôvod sánky, keďže ju z jaskyne odniesli už dávno. V roku 2020 však Fu našla denisovanskú DNA aj v jaskynnom sedimente. Potvrdila tým, že títo dávni ľudia tu kedysi skutočne žili.
Bol to prvý nespochybniteľný dôkaz, že denisovania žili aj mimo Sibíri.
Smerom k jadrovej DNA
Meyer aj Fu používali takzvané molekulárne háčiky navrhnuté na zachytávanie ľudskej DNA z mitochondrií, drobných bunkových elektrární. Mitochondriálna DNA (mtDNA), ktorá sa v každej bunke nachádza v tisícoch kópií, je hojnejšia a ľahšie sa hľadá než jadrová DNA. Jadrový genóm sa však vďaka svojej veľkosti a dedeniu po oboch rodičoch lepšie hodí na skúmanie toho, ako sa dávne ľudské populácie v priebehu evolúcie šírili a miešali. Obsahuje totiž tri miliardy párov báz, zatiaľ čo mtDNA má len 16-tisíc.
Informácie, ktoré poskytuje jadrová DNA, zaujali aj populačného genetika Benjamina Vernota z lipského Inštitútu Maxa Plancka. Chcel zistiť, či by dokázal zo vzoriek, z ktorých sa už podarilo získať mtDNA, vyloviť aj jadrovú DNA. Navrhol preto 1,6 milióna drobných sond pre sekvencie roztrúsené po ľudskom genóme. Sondy sa viažu na sekvencie neandertálcov, denisovanov a raných moderných ľudí. Dokážu však zachytiť aj fragmenty DNA dávnych ľudí, o ktorých ešte nevieme. „Vždy existuje aj možnosť, že vo vzorke bude DNA druhu Homo erectus. Chceli sme byť pripravení aj na to,“ hovorí Vernot.
Sondy z pôdy úspešne zachytili jadrové sekvencie, väčšou výzvou však bolo vyťažiť z obmedzených údajov zmysluplné informácie. „Aj naše najlepšie vzorky sedimentu boli veľmi, veľmi slabé,“ hovorí Vernot. Z 1,6 milióna genómových sekvencií, na ktoré sondy cielili, obsahovali dobré vzorky len 10-tisíc. Vernotovi trvalo približne osem mesiacov, kým vyvinul výpočtové metódy schopné pracovať s takým malým množstvom údajov. S ich pomocou začal skúmať sedimenty z Galería de las Estatuas. Pri vykopávkach v tejto jaskyni na severe Španielska sa našla jediná kosť z chodidla neandertálca a charakteristické kamenné nástroje, genetické informácie sa však získať nepodarilo.
Z údajov mtDNA dokázal Vernot rozlíšiť dve samostatné populácie neandertálcov, z ktorých jedna približne pred 100-tisíc rokmi úplne nahradila druhú. Z jadrovej DNA navyše vedel určiť, ktoré vzorky pochádzajú od jediného muža či ženy a ktoré obsahujú zmes DNA viacerých jedincov.
Jadrové sekvencie sa z jaskynných sedimentov podarilo úspešne získať aj Gelabertovi. Namiesto zachytávania ľudských sekvencií pomocou sond však zvolil hrubú silu a takzvaným shotgun sekvenovaním prečítal všetku DNA získanú z pôdy. Vo svojej najnovšej štúdii, zverejnenej ako preprint, však naznačuje, že tento prístup nie je pre populačnú genetiku až taký užitočný. Pri priamom porovnaní prinieslo zachytávanie DNA molekulárnymi sondami 32-krát viac sekvencií z informatívnych miest genómu než metóda shotgun.
Podľa Gelaberta sa získavanie jadrovej DNA zo sedimentov pre svoju vyššiu prácnosť pravdepodobne oplatí len v osobitných prípadoch, napríklad ak vrstvy obsahujú veľa genetického materiálu.
Vo väčšine prípadov postačuje mtDNA. Umožňuje získať predstavu o tom, koľko rôznych vývojových línií vzorka obsahuje, a dokonca sledovať rozdiely medzi populáciami, hovorí.
Putujúce stopy?
Napriek úspechom v tejto oblasti majú odborníci stále frustrujúco málo poznatkov na to, aby vedeli predpovedať, ktoré druhy sedimentov sú na výskum najvhodnejšie. Ich pokusy tak často zostávajú bez výsledku. Kým sa nepodarí určiť ideálne pôdne podmienky, geoarcheologička Vera Aldeias z Univerzity v Algarve odporúča pragmatický prístup. Ak budú vedci systematicky zbierať a uvádzať vlastnosti sedimentov, napríklad hodnotu pH, minerálne zloženie a ďalšie údaje, postupne z nich bude možné vyvodiť optimálne charakteristiky.
Tieto otázky sú obzvlášť dôležité v situáciách, keď výsledky analýzy sedaDNA odporujú archeologickým nálezom. Ak sa napríklad DNA dávneho živočícha nájde vo vrstve z obdobia po jeho predpokladanom vyhynutí, môže to výrazne ovplyvniť diskusiu o tom, či za jeho zánikom stáli klimatické zmeny alebo činnosť dávnych ľudí.
V roku 2021 Willerslev s kolegami na základe údajov sedaDNA dospel k záveru, že mamuty srstnaté (Mammuthus primigenius) na severe Sibíri prežívali ešte pred 4.000 rokmi a pravdepodobne vyhynuli skôr v dôsledku otepľovania klímy než ľudskej činnosti. Objav vyvolal búrlivú diskusiu a nastolil otázku, či možno spoľahlivo tvrdiť, že dávna DNA je rovnako stará ako sediment, v ktorom sa našla. Nemohla tam preniknúť zo starších vrstiev?
Massilaniho výskumy však naznačujú, že keď sa molekuly DNA raz naviažu na pôdu, už sa v nej voľne nepohybujú. V jedinej vzorke sedimentu môžu úlomky kostí, skamenené výkaly aj minerálne zrnká niesť vlastné, odlišné genetické stopy. To naznačuje, že DNA postupom času neprechádza z jedného materiálu do druhého. Podľa odborníkov je však pochopenie toho, ako sa pôda v priebehu času správa, nevyhnutné na správnu interpretáciu genetických údajov získaných z dávnych sedimentov. Aj analýza mikroštruktúry náleziska môže vedcom pomôcť určiť, ktoré sedimenty nie sú kontaminované.
Pokiaľ ide o mamuty, podľa Willersleva práce iných vedcov založené na klimatickom modelovaní ukázali, že na vhodných miestach tieto zvieratá prežívali dlhšie, než sa očakávalo. A práve na takom mieste našiel s kolegami najmladšiu sedaDNA.
Nová technika skúmania minulosti však nenadchýna každého. V Austrálii napríklad niektoré skupiny pôvodných obyvateľov nesúhlasia s tým, aby vedci cielene hľadali DNA v sedimentárnych vrstvách. Môžu to totiž vnímať ako narúšanie pozostatkov svojich predkov alebo kultúrne významných druhov, hovorí Dawn Lewis, archeologička z Univerzity v Adelaide. Vedci preto musia spolupracovať s miestnymi obyvateľmi už od začiatku, aby mohli takéto obavy riešiť, zdôrazňuje odborníčka.
