Osobliwa denisowiańska dziewczynka

W piątek 4 grudnia 2009 r. w słynnym na całym świecie laboratorium genetycznym lipskiego Instytutu Antropologii Ewolucyjnej im. Maxa Plancka (Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie) wydarzyło się coś niezwykłego.

Johannes Krause, młody naukowiec odbywający staż podoktorski, oraz doktorantka Qiaomei Fu odczytywali sekwencję DNA z małej próbki kości (7 × 5 mm), pochodzącej z paliczka palca piątego ludzkiej ręki. Kość była fragmentem obiektu, który znaleziono w 2008 roku w warstwie 11.2 podczas prac wykopaliskowych w Komorze Wschodniej Denisowej Jaskini [...]. Ze względu na prawdopodobne znaczenie znaleziska rosyjski archeolog przekazał kość do rąk własnych promotorowi pracy doktorskiej Johannesa, dyrektorowi Departamentu Genetyki Ewolucyjnej w Instytucie Maxa Plancka, liderowi Projektu Poznania Genomu Neandertalskiego i pionierowi w dziedzinie badań pradawnego DNA – Svantemu Pääbo. Po wyekstrahowaniu i zsekwencjonowaniu DNA mitochondrialnego Krause przyrównał sekwencję mtDNA z Denisowej Jaskini do sześciu sekwencji mtDNA neandertalczyków, wcześniej przeanalizowanych przez grupę Pääbo, a także setek zbadanych sekwencji mtDNA żyjących dzisiaj ludzi.

Czytaj więcej

Plus Minus

Bogaci Żydzi do wymiany

Powodzenie planu wymiany swoich obywateli, których wojna zastała za granicą, na obywateli krajów, z którymi Niemcy nie były w stanie wojny, miały dla nazistów ogromne znaczenie. To liczyło się bardziej niż autentyczność bądź nieautentyczność dokumentów.

Wtedy zauważył coś nietypowego.

Podczas gdy neandertalczycy różnią się od ludzi anatomicznie współczesnych zasadami azotowymi w średnio 202 miejscach z 16 500 par zasad genomu mitochondrialnego, próbka z Denisowej Jaskini wykazywała prawie dwa razy więcej różnic, bo aż w 385 miejscach. To mogło oznaczać tylko jedno: Krause musiał mieć do czynienia z czymś kompletnie innym. Z nowym typem tak zwanego archaicznego hominina, nie z neandertalczykiem ani z podobnym do nas człowiekiem anatomicznie współczesnym; z kimś nigdy przedtem niewidzianym. Wspomina, że była to dramatyczna i niezapomniana chwila. Badacz niezwłocznie zatelefonował do Pääbo, którego nie było w pracowni, ponieważ pojechał na konferencję, i przekazał mu tę wieść. Zanim Krause zrzucił mu na głowę tę bombę, uprzedził Pääbo, żeby lepiej usiadł.

W nauce rzadko się zdarza, by ktoś odkrył grupę zupełnie nieznanych istot ludzkich, ale też nigdy takie odkrycie nie wydarzyło się w naukowym laboratorium. Podobne chwile w paleoantropologii zazwyczaj są zastrzeżone dla pracy w terenie, kiedy szpachelka archeologiczna odsłania żuchwę pradawnego hominina albo archeolodzy penetrujący stanowisko na terenie Wielkich Rowów Afrykańskich natrafiają na fragment skamieniałych szczątków ludzkich lub część szkieletu. To był naprawdę pierwszy taki przypadek. Krause wspomina to zdarzenie jako „najbardziej ekscytujący pod względem naukowym dzień w moim życiu”. Pääbo przypomina sobie, że gdy usłyszał wieść, czuł się oszołomiony, ale i w najwyższym stopniu podekscytowany. W pośpiechu wrócił do Lipska, żeby omówić wyniki z Krausem i resztą zespołu.

Kiedy w taksonomii naukowej nadaje się nazwę nowemu gatunkowi, należy mieć tak zwany holotyp. Jest to typowy lub przykładowy okaz, do którego odtąd wszyscy się odnoszą przy wymienianiu danego gatunku, podobnie jak do neandertalczyka z jaskini Feldhofer. Często te holotypy opisuje się w szumnych i entuzjastycznych doniesieniach w czołowych czasopismach naukowych. W tym przypadku nie było holotypu, a tylko drobna część paliczka dłoni, oznaczona jako „Denisova 3”. Cóż było robić?

Pääbo i Anatolij Dieriewianko oraz inni członkowie zespołu początkowo zdecydowali się na nazwanie nowego gatunku Homo altaiensis i zamieścili tę nazwę w roboczej wersji doniesienia, wysłanej do redakcji „Nature”. Jednak niektórzy recenzenci artykułu mieli wątpliwości, czy rozsądnie jest wykorzystać dane genetyczne jako podstawę do wyznaczenia nowego gatunku. Co będzie, jeśli później się okaże, że zsekwencjonowano materiał gatunku o już zdefiniowanej nazwie taksonomicznej, takiego jak Homo erectus? Wobec tego autorzy publikacji postanowili ją wycofać do czasu, aż sprawa się wyjaśni, i po prostu nazwali gatunek „nieznanym homininem” 2. Pääbo i Krausemu niełatwo było pogodzić się z tym, że wszelkie definitywne wnioski co do przynależności gatunkowej kości z Denisowej Jaskini będą musiały zaczekać aż do zbadania genomu jądrowego, który powie im o wiele więcej. A to stało pod wielkim znakiem zapytania, ponieważ wiązały się z tym znacznie trudniejsze wyzwania techniczne.

Bomba i salwa petard

Artykuł został opublikowany w „Nature” 24 marca 2010 roku. Bez wątpienia było to sensacyjne odkrycie. Pamiętam, jak kilkakrotnie czytałem to doniesienie, całkowicie osłupiały, że jakimś sposobem gdzieś w Eurazji żyła niegdyś jeszcze jedna grupa ludzi. Jak archeolodzy mogli ją przegapić? Czy to rzeczywiście mogła być prawda? Przecież z pewnością znaleźlibyśmy wcześniej kości takiego ludzkiego kuzyna. Słowa Svantego Pääbo z tamtego okresu dokładnie odzwierciedlały moje myśli: „Prawie nie mogłem w to uwierzyć. To brzmiało zbyt fantastycznie, by mogło być prawdą”.

W dniu ukazania się artykułu napisałem e-maila do mojego ojca, żeby przekazać mu tę wieść. Odpowiedział, że to „szokujące, i włączy [artykuł] do lektur do przeczytania w pierwszej kolejności”. To oznaczało, że uznał to za wielką sensację!

Po wysłaniu i opublikowaniu artykułu członkowie zespołu naukowego Pääbo zaczęli nazywać okaz „Kobietą X”. Uznali, że muszą przystąpić do skrupulatnych prób odczytania sekwencji DNA jądrowego z pozostałej części drobnej kości, żeby w bardziej wiarygodny sposób umieścić jej posiadaczkę w znanej podówczas grupie prehistorycznych homininów.

Później, 24 sierpnia, nadszedł e-mail od Magdaleny Skipper, redaktorki „Nature”, z pytaniem, czy pomógłbym w zrecenzowaniu nowo nadesłanego artykułu. Nowy artykuł w redakcji „Nature” zazwyczaj zawiera coś ekscytującego i nowatorskiego, więc oczywiście natychmiast zainteresowałem się jego treścią. Głównym autorem doniesienia był nieznany mi wcześniej David Reich z Uniwersytetu Harvarda, a dotyczyło ono Denisowej Jaskini. Wklejone do tekstu e-maila streszczenie brzmiało następująco:

„Wykorzystując DNA wyekstrahowane z kości palca ręki, znalezionej w Denisowej Jaskini, odczytaliśmy sekwencję genomu kopalnego hominina z głębokością pokrycia około 1,9 razy. Jest to osobnik z populacji mającej wspólne pochodzenie z neandertalczykami, lecz odrębną historię. Ta populacja wniosła wkład w geny Melanezyjczyków i być może sama otrzymała geny od innej, bardziej archaicznej grupy homininów. (…) Grupę homininów, do której należały te osobniki, określamy mianem „denisowian”; przypuszczamy, że mogła być szeroko rozpowszechniona w Azji w późnym plejstocenie”.

Opadła mi szczęka. Mają DNA jądrowy tego okazu? W ciągu zaledwie kilku miesięcy? W dodatku odkryli, że pewien odsetek DNA Melanezyjczyków pochodzi od tych „denisowian”? Znowu aż trudno było nadążyć myślą za implikacjami tych wyników. Jeśli początkowy artykuł o „Kobiecie X” był bombą, to ten był salwą petard odpalanych we wszystkich kierunkach. Zespół nie tylko odczytał sekwencję DNA jądrowego, lecz także uzyskał pokrycie praktycznie każdej zasady w genomie jądrowym średnio 1,9 razy. A genom jądrowy zawiera oczywiście przeszło 3 miliardy par zasad do zmapowania. Często oznaczamy pokrycie znakiem „×”, żeby pokazać, ile razy średnio odczytano pozycję każdej zasady; w tym przypadku pokrycie wyniosło 1,9×. W dalszej części artykułu pisano, że umożliwił to wysoki poziom endogennego, czyli oryginalnego DNA, który udało się wydobyć z tej małej kości. Ale i tak stanowiło to technologiczny przełom w badaniach kopalnego DNA, i to przy użyciu próbki liczącej dziesiątki tysięcy lat.

Próbka Denisova 3 dostarczyła 70 procent DNA endogennego. W paleogenomicznych pracach badawczych to zdumiewająco wysoka liczba. Częściej widuje się zawartość DNA endogennego poniżej 1 procentu, w wyjątkowych przypadkach może do 5 procent, ponieważ większość DNA wyekstrahowanego z kopalnych kości prawie zawsze pochodzi od bakterii. A tu 70 procent? Pod względem stopnia zachowania to wartość prawie współczesna. To niewiarygodne, ale zespół wykonał swoją pracę na próbce kości ważącej zaledwie 40 miligramów; tyle mniej więcej waży półtora ziarnka ryżu. Niezwykle mała ilość materiału. A z niej naukowcy odczytali sekwencję genomu jądrowego.

Artykuł Reicha z 2010 roku to przełomowa publikacja z technicznego i naukowego punktu widzenia, a także z perspektywy paleoantropologii; taka, do której paleoantropolodzy wciąż wracają, ponieważ zawiera po prostu tyle informacji, że budzi głębokie zainteresowanie. Później, w 2012 roku, bibliotekę danych próbki DNA Denisova 3 poddano badaniom nową metodą i uzyskano jeszcze więcej danych genetycznych. Przy zastosowaniu nowatorskiej metody, polegającej na analizowaniu pojedynczych nici DNA, co znacznie zwiększyło wydajność, wyekstrahowano genom o jeszcze wyższym pokryciu. W rezultacie uzyskano genom o pokryciu 31×.

Czytaj więcej

Plus Minus

„Ostatni”: Maciek Bielawski napisał wciągającą powieść o (kryzysie) męskości

W bardzo udanej powieści „Ostatni” Maćka Bielawskiego, o pokoleniu mężczyzn z czterdziestką na karku, spotykają się ze sobą Polska hipoteczna z Polską deweloperską.

Pierwsze miejsce jest wszystkim

Za poważnymi artykułami publikowanymi w czasopismach naukowych często kryją się ciekawe historie; opowieść o Denisova 3, słynnej obecnie kostce z małego palca, stanowi świetny przykład. Kiedy członkowie zespołu Pääbo zdali sobie sprawę, że mają w rękach coś całkowicie nowego, natychmiast polecieli do Nowosybirska, żeby spotkać się z Anatolijem Dieriewianką i zespołem z Denisowej Jaskini, by omówić wyniki i uzgodnić, co robić dalej. Gdy poprosili o jakąś dodatkową ilość materiału z paliczka, usłyszeli od Anatolija, że resztę kości, czyli jej większą część, wysłał do innej pracowni genetycznej w kalifornijskim Berkeley, prowadzonej przez Eda Rubina. Rubin początkowo był członkiem zespołu badawczego pracującego nad Projektem Poznania Genomu Neandertalskiego – olbrzymim przedsięwzięciem naukowym pod kierunkiem Pääbo. A więc to zespół z Berkeley miał drugą część tego okazu o kluczowym znaczeniu. Pääbo był rozczarowany i nieco zaskoczony. Wtedy uświadomił sobie, że tamci badacze mogą stanąć do wyścigu o pierwszeństwo publikacji, bo jeśli zespół z Berkeley również odczytał sekwencję materiału genetycznego z kości, to prawdopodobnie orientował się, jak olbrzymie ma znaczenie. Tak więc była to rzeczywiście kwestia pierwszeństwa.

W nauce pierwsze miejsce jest wszystkim; zdobywca drugiego miejsca otwiera listę przegranych. Pääbo i jego zespół nie wiedzieli jednak, że Rubin i jego grupa nie przeprowadzili żadnych badań kości z Ałtaju; odłożyli ją na później. Pääbo szybko opublikował artykuł swojego zespołu o DNA mitochondrialnym, po czym członkowie grupy skupili wszystkie wysiłki na genomie jądrowym.

Tymczasem Rubin wysłał próbkę kości do zajmującej się paleogenetyką koleżanki, Evy-Marii Geigl z paryskiego Instytutu Jacques’a Monoda, żeby przeprowadziła dalsze prace. Geigl po ukazaniu się artykułu Krausego i Pääbo o mtDNA planowała zsekwencjonowanie genomu jądrowego. Jej wysiłki spełzły jednak na niczym, gdyż nie zdołała wyekstrahować dostatecznej ilości DNA. Po pojawieniu się publikacji Reicha o genomie Rubin poprosił o zwrot kości, która w 2011 roku wróciła do Berkeley. Tu jednak trop się urywa. Wydaje się, że kość została albo zagubiona, albo umieszczona w niewłaściwym miejscu i do dzisiaj nikt nie zdołał wyśledzić, gdzie znajduje się ta cenna próbka lub co się z nią stało.

Na szczęście Geigl przed odesłaniem kości Rubinowi wykonała zdjęcia o wysokiej rozdzielczości i pobrała kolejne próbki tkanki kostnej do dalszej pracy. Wyniki tej analizy zostały w 2019 roku opublikowane po zachęcie ze strony Pääbo. Uzyskany przez zespół Geigl genom mtDNA miał sekwencję identyczną jak opublikowana w 2010 roku przez Krausego i innych, co potwierdzało, że materiał badawczy pochodził z tej samej kości. Zdjęcia o wysokiej rozdzielczości umożliwiły zespołowi zrekonstruowanie kości i ponowne jej „wirtualne” połączenie z jej mniejszą, proksymalną częścią, z której poprzednio pobierano próbki. Skanowanie tej połączonej na nowo kości umożliwiło naukowcom o wiele dokładniejsze oszacowanie wieku denisowiańskiej dziewczynki.

W miarę rozwoju od niemowlęcia do dojrzałości nasze kości ulegają znaczącym przemianom. Na przykład kość piszczelowa składa się z trzech części: głównym elementem jest trzon (diaphysis), dalej jest rozszerzająca się część trzonu, czyli przynasada (metaphysis), a na końcu, gdzie kość piszczelowa styka się z kością udową, znajduje się nasada (epiphysis). W chwili narodzin nasada nie ma połączenia z trzonem kości. W okresie tworzenia się nowej kości i wydłużania się kończyn dolnych dziecka trzon z nasadą łączy jedynie wąski pasek chrząstki. Ale w końcu ulega on stwardnieniu, czyli zmienia się w tkankę kostną, i z czasem kość piszczelowa staje się jedną kompletną strukturą kostną. Ten proces nazywa się zarastaniem chrząstki nasadowej. Na podstawie wyników analizy kości osób zmarłych w znanym wieku specjaliści z zakresu antropologii fizycznej ustalili wiek, w którym do zarośnięcia chrząstki nasadowej dochodzi w różnych kościach, od paliczków przez żebra do kości udowych. Tę wiedzę mogą wykorzystywać do określenia wieku osobników, których fragmenty kości badają, jak egzemplarz Denisova 3. Zatem dzięki wirtualnemu dopasowaniu do siebie obu fragmentów i uważnemu przyjrzeniu się stopniowi zarośnięcia chrząstki nasadowej badacze mogli ustalić wiek posiadaczki kości Denisova 3. W momencie śmierci dziewczynki chrząstka nasadowa już zarastała, a pełne zakończenie tego procesu trwa od dwóch do czterech miesięcy, więc mały palec był bardzo bliski osiągnięcia stanu ostatecznej dojrzałości, który obserwuje się u młodzieży. Ponieważ badanie DNA jądrowego wykazało, że kość pochodziła od osoby płci żeńskiej, można było porównać rozmiary kości z jej wielkością u żyjących kobiet i określić, że ten paliczek palca małego pochodzi od młodej dziewczyny mającej 13,5 roku. Oprócz tego wyniki analizy guzowatości kości i krzywizny jej trzonu wskazywały, że prawie na pewno pochodzi ona z prawej ręki i rzeczywiście jest paliczkiem dalszym palca małego, czyli piątego. (…) ustaliliśmy również, iż kość datuje się na okres od 52 000 do 76 000 lat temu.

Wielkie szczęśćie

Nigdy nie przestaje mnie zadziwiać, ile informacji można uzyskać z drobnych elementów materiału archeologicznego: cała ta kość ma zaledwie 2 centymetry długości, a mimo to możemy na jej podstawie odtworzyć wiek jej posiadaczki w chwili śmierci, przedział czasowy, kiedy ta śmierć nastąpiła, płeć tej osoby, a także to, z której ręki kość pochodzi. Oczywiście dysponujemy również kompletnym genomem jądrowym posiadaczki kości Denisova 3, który zawiera całe bogactwo innych pouczających informacji, od stosunkowo prozaicznych (dziewczyna prawdopodobnie miała ciemnobrązowe włosy, piwne oczy i ciemną karnację – żadnych piegów!) aż do pewnych aspektów historii jej populacji, stanu zdrowia oraz oznak przebytych chorób.

Dlaczego w kości Denisova 3 tak dobrze zachował się DNA? Trudno orzec, ale istnieje kilka możliwych odpowiedzi. Pierwsza jest taka, że kość pochodzi z końca palca piątego, więc mogło być tak, iż kończyny – które jako pierwsze tracą wilgoć i wysychają – są najmniej prawdopodobnym celem ataku rozkładających ciało bakterii lub trawienia pod wpływem endogennych enzymów. Nawet w najlepszych czasach na małym palcu nie ma wiele mięsa, więc DNA mógł się zachować z tego powodu. Druga odpowiedź zakłada, że pewną rolę mogła w tym odegrać sama jaskinia i panujące w niej warunki. Jeśli dzisiaj wchodzi się do Denisowej Jaskini, trzeba włożyć kurtkę, panuje tam bowiem chłód, a temperatura jest niezwykle stabilna. Członkowie zespołu prowadzącego prace wykopaliskowe noszą ciepłe kombinezony i buty, które chronią przed zimnem i nadają ludziom wygląd astronautów tuż przed wejściem do rakiety. Średnia temperatura wynosi kilka stopni powyżej zera. To sprzyja zachowaniu się DNA. Mój kolega Tom Gilbert lubi mawiać, że DNA przypomina lody – w chłodnym klimacie lody nie topnieją tak szybko jak w tropikach. Te dwa argumenty nie wyjaśniają jednak wszystkiego, ponieważ w wielu kościach w Denisowej Jaskini nie ma wcale DNA; uległ on rozpadowi. W jaskiniach mogą panować warunki sprzyjające zachowaniu się materiału, różniące się w poszczególnych miejscach.

Czytaj więcej

Plus Minus

Jan Peszek: Uwielbiam prowokację

Mówi się, że jest aktorem istniejącym, a niemożliwym. Właśnie skończył 80 lat, a kalendarz ma zapisany gęsto na następne sezony. Opowiada o chwilach triumfu i załamań, o odwadze i władzy nad widzem, która daje rozkosz - mówi Jan Peszek.

Tkanka kostna to złożony materiał, zawierający różne biocząsteczki, głównie mieszaninę cementu mineralnego, zwanego hydroksyapatytem, oraz składnik białkowy, w którym dominuje kolagen. Stopień zakwaszenia, czyli wartość pH, obecność wody, bakterie oraz inne drobnoustroje i temperatura – te wszystkie czynniki w różny sposób wpływają na możliwość zachowania się DNA i kolagenu; albo mu sprzyjają, albo go utrudniają. Wydaje się, że w niektórych częściach jaskini materia organiczna w kości zachowuje się i można ją wykorzystać do badań, podczas gdy w innych – nie. „Nieoczekiwany” to właściwe słowo na określenie tego stanu rzeczy; zdaje się, że w przypadku kości Denisova 3 świat paleoantropologów miał wielkie szczęście.

Fragment książki Toma Highama „Nie tylko homo sapiens. Nowa historia pochodzenia człowieka”, przeł. Adam Tuz, która ukazała się właśnie nakładem wydawnictwa Prószyński i S-ka, Warszawa 2024

Tytuł i śródtytuły pochodzą od redakcji