Pământul e o arhivă. ADN-ul din sedimentele epocii glaciare rescrie istoria originilor umane

ADN recoltat din nisip și alte sedimente a fost o idee ridiculizată la un moment dat a schimbat paleoantropologia. Totul a pornit de la un câine și de la excrecrementele lui. Era toamna anului 2000. Eske Willerslev, doctorand la Universitatea din Copenhaga, era un nimeni în lumea geneticii evoluționiste. Cel puțin în sensul că nu reușea să pună mâna pe niciunul dintre rarele fosile care mai conțineau urme de ADN antic. Frustrarea i-a dat, în cele din urmă, o idee.

Privind câinele care-și depunea dejecțiile pe jos, Willerslev și-a pus o întrebare legitimă. Dacă excrementele conțin ADN, și dacă ploaia le spală, poate ca ADN-ul să rămână totuși în sol? Iar dacă materialul genetic al animalelor vii persistă astfel în mediu, de ce n-ar persista și cel al animalelor de mult dispărute?

O prostie sau o idee genială

Profesorii i-au demolat ideea pe loc. „N-am auzit niciodată ceva atât de stupid”, îi spusese unul dintre ei, după cum își amintește Willerslev. Dar intuiția lui s-a dovedit fertilă dincolo de orice așteptare. Într-un articol publicat în 2003 în revista Science, Willerslev a demonstrat că ADN din plante și animale poate fi recuperat dintr-un carot de permafrost siberian vechi de 400.000 de ani. Chiar și din sedimentele unei peșteri din Noua Zeelandă, la temperaturi mult mai ridicate, a identificat ADN din moa (Euryapteryx curtus). Este pasărea uriașă asemănătoare emului, dispărută de secole. Urmele ei le-a găsit în straturi de 600 de ani vechime. Era prima dată când cercetătorii identificau organisme complexe de mult dispărute folosind exclusiv sedimentul, fără nicio fosilă.

Două decenii mai târziu, studiul ADN-ului antic din sedimente, denumit sedaDNA, a devenit unul dintre cele mai captivante instrumente pentru cercetarea trecutului îndepărtat al umanității.

Un ocean albastru de posibilități

Interesul pentru ADN-ul din sol a explodat în urmă cu aproape zece ani. Atunci, oamenii de știință au reușit să izoleze pentru prima dată ADN uman din sedimentele epocii glaciare. Laboratoarele care se concentraseră anterior pe extragerea materialului genetic din fosile prețioase au început să-și întoarcă atenția spre pământul însuși. Arheologii reexaminează probe de sol colectate cu decenii în urmă, dornici să descopere mai mult folosind această tehnologie modernă.

„Este un ocean albastru imens de posibilități”, spune Willerslev. „Ai oameni, animale, plante — întreg ecosistemul.”

În 2022, echipa sa a extras fragmente de ADN din sedimentele de permafrost vechi de două milioane de ani de la extremitatea nordică a Groenlandei. Aveau în față cel mai vechi material genetic descoperit până în prezent. Limita de vârstă a arhivei moleculare a planetei tocmai fusese împinsă cu mult dincolo de tot ce se credea posibil.

Matthias Meyer, biolog molecular la Institutul Max Planck pentru Antropologie Evolutivă din Leipzig, Germania, rezumă situația cu o imagine sugestivă: „Cred că abia zgâriem vârful aisbergului în ceea ce privește posibilitățile.”

Willerslev merge și mai departe, cu o formulă care sună aproape provocatoare pentru o întreagă tradiție de cercetare: „Așteptarea mea este că putem aproape renunța la oase și să mergem direct la pământ” spune cercetătorul, citat de Nature.com.

Neanderthalieni, denisovani și moderni, toți descoperiți din noroi

Ideea ADN sedimentar (SedaDNA) s-a dovedit deosebit de revoluționară în studiul umanității arhaice. Aici ea oferă indicii cruciale atât despre primii reprezentanți ai speciei noastre, cât și despre neanderthalieni și enigmaticii denisovani. De la acești oameni arhaici s-au păstrat extrem de puține oase.

Momentul de cotitură pentru ADN-ul uman din sedimente a venit în 2017, când cercetători de la Institutul Max Planck — inclusiv din echipa condusă de Svante Pääbo, laureat Nobel pentru fondarea paleogenomicii — au identificat ADN uman în solurile epocii glaciare, din locuri unde nu fuseseră găsite fosile. Tehnica folosită: sonde moleculare care captează selectiv secvențele umane din masa de ADN microbian și faunistic care domină orice probă de sol.

Rezultatele au fost imediate și spectaculoase. La peștera Trou Al’Wesse din Belgia, sedaDNA a confirmat o bănuială de mult vehiculată — bazată pe unelte de piatră caracteristice — că neanderthalienii ocupaseră locul. La Peștera Denisova din Siberia, cercetătorii au găsit ADN atât de la neanderthalieni cât și de la denisovani — ramura înrudită care și-a luat numele de la această peșteră.

Un rezultat a stârnit în mod special uimirea comunității: dintr-un strat profund al sedimentelor Peșterii Denisova, o probă a indicat că neanderthalienii ajunseseră la acel loc cu 170.000 de ani în urmă — cu 30.000 de ani mai devreme decât sugerau fosilele. Niciun os nu confirmase prezența lor atât de timpurie. Pământul a știut înaintea fosilelor.

Tibet, misterul maxilarului și confirmarea din sediment

Una dintre cele mai fascinante povești ale sedaDNA implică o peșteră de la altitudini mari din Platoul Tibetan, Baishiya Karst Cave. În 1980, un călugăr descoperise acolo un maxilar antic. Abia în 2019 paleoantropologul Qiaomei Fu, de la Institutul de Paleontologie Vertebrată și Paleoantropologie din Beijing, a demonstrat prin analiza proteinelor antice că maxilarul, vechi de 160.000 de ani, că aparținea unui denisovan. Maxilarul era prima dovadă că acești oameni arhaici trăiseseră în afara Siberiei.

Existau însă dubii. Maxilarul fusese scos din peșteră cu mult timp înainte. În plus, proveniența sa exactă era incertă. În 2020, Fu a găsit ADN denisovan chiar în sedimentele peșterii. A eliminat astfel orice urmă de îndoială. Era prima dovadă incontestabilă că denisovanii trăiseră dincolo de Siberia, la 3.000 de kilometri distanță și la mii de metri altitudine.

ADN mitocondrial contra ADN nuclear, un compromis calculat

Atât Meyer cât și Fu au folosit inițial „cârlige moleculare” concepute să pescuiască ADN din mitocondrii. Ele sunt organitele celulare care generează energia. Cu mii de copii per celulă, ADN-ul mitocondrial (ADNmt) este mult mai abundent și mai ușor de găsit decât ADN-ul nuclear. Dezavantajul era asumat. Genomul nuclear, cu cele trei miliarde de litere ale sale față de doar 16.000 ale ADNmt, este mult mai bogat în informații despre cum s-au separat și încrucișat populațiile umane de-a lungul istoriei.

Benjamin Vernot, genetician de populație la același Institut Max Planck, s-a întrebat dacă ar putea extrage ADN nuclear din probele care furnizaseră deja ADNmt. A conceput un set de 1,6 milioane de sonde. Cu acestea a analizat secvențe răspândite în întreg genomul uma. Sondele fuseseră proiectate să capteze material genetic de la neanderthalieni, denisovani și oamenii moderni timpurii. Desigur, erau aplicabile oricăror alte specii umane ale căror genetică este încă necunoscută.

„Există întotdeauna posibilitatea ca în proba ta să existe ADN de Homo erectus”, spune Vernot. „Am vrut să fim pregătiți, la caz.”

Eforturi mari

Sondele au funcționat, dar provocarea a fost să extragi înțeles din datele rare obținute. „Cele mai bune probe ale noastre de sediment erau totuși cu adevărat, cu adevărat jalnice”, recunoaște Vernot. Din cele 1,6 milioane de sonde genomice, o probă bună acoperea secvențe pentru doar 10.000 dintre ele. I-au trebuit opt luni să dezvolte metode computaționale capabile să lucreze cu date atât de sărace.

Aplicând aceste metode la sedimentele din Galería de las Estatuas, o peșteră din nordul Spaniei unde fuseseră descoperite un singur os de picior neanderthalian și unelte de piatră, Vernot a putut distinge din ADNmt două populații distincte de neanderthalieni. Una a înlocuit-o complet pe cealaltă în urmă cu circa 100.000 de ani. Din ADN-ul nuclear a putut determina care probe proveneau de la un singur individ,bărbat sau femeie. Ele conțineau un amestec de material genetic de la mai multe persoane.

Pescuit cu sonde contra secvențiere în masă

Pere Gelabert, genetician de populație la Universitatea din Viena, a abordat problema dintr-un unghi diferit: în loc să folosească sonde moleculare pentru a captura selectiv secvențele umane, a aplicat secvențierea „shotgun”. A citit prin forță brută tot ADN-ul extras din sol. Cea mai recentă sa lucrare, prezentată ca preprint, arată însă că această abordare este mult mai puțin eficientă pentru genetica populațiilor. Într-o comparație directă, captura cu sonde moleculare a furnizat de 32 de ori mai multe secvențe la locații genomice informative față de metoda shotgun. „Efortul este nebunesc”, spune Gelabert despre varianta brute-force.

Concluzia lui Gelabert este pragmatică. Extragerea ADN-ului nuclear din sedimente va rămâne probabil rezervată cazurilor speciale, probe extrem de bogate în material genetic. În majoritatea situațiilor, ADN-ul mitocondrial va fi suficient. „Putem deja să avem idei despre câte linii genetice diferite sunt în proba noastră și chiar să urmărim diferențele dintre populații”, spune el.

O nouă paleontologie, fără fosile

Implicațiile practice ale acestei revoluții metodologice sunt considerabile. Dacă ADN-ul uman persistă în sedimentele unor peșteri timp de zeci sau sute de mii de ani, prezența sau absența fosilelor la un sit archaeological nu mai este criteriul definitiv pentru a stabili dacă oamenii arhaici l-au locuit. Lutul devine dosar.

Cercetătorii sunt deja optimiști că viitoare studii de sedaDNA ar putea identifica autorii uneltelor de piatră de la site-uri unde niciun os nu a supraviețuit. Ba chiar, poate cândva, vor putea fi reconstituiți artiștii picturilor rupestre, prin ADN lăsat în solul din fața pereților pe care au lucrat.

Singura precauție în acest acord larg optimist vine de la câțiva cercetători. Ei atrag atenția că nu întotdeauna se acordă suficientă grijă pentru a garanta fiabilitatea rezultatelor. ADN-ul identificat într-un strat provine cu adevărat din acel strat și nu a migrat prin sol din alte locuri sau epoci?

Pentru Willerslev, însă, direcția e clară. De la câinele care și-a depus urmele pe un trotuar din Copenhaga și de la ideea pe care nimeni nu a vrut s-o asculte, până la rescrierea capitolelor fundamentale ale istoriei umane cu ajutorul unui pumn de pământ din Groenlanda, Tibet sau Siberia, distanța s-a dovedit de fapt mai scurtă decât ar fi crezut cineva.