Paleogenetyka, czyli co skrywają nasze genomy

Paleogenetyka to w antropologii najszybciej rozwijająca się dziedzina – dosłownie każdy miesiąc przynosi nowe i często sensacyjne fakty i interpretacje. Ale skąd się biorą paleogeny, czyli jej materiał badawczy? Przede wszystkim, rzecz jasna, ze skamieniałości. W szczególnych warunkach, zwłaszcza niskiej temperatury i wilgotności, fragmenty DNA potrafią przechować się przez tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy lat, co jeszcze niedawno wydawało się niemożliwe. Najstarsze jak dotąd praludzkie DNA odczytano ze szkieletów w jaskini Sima de los Huesos w Hiszpanii datowanych na ok. 400 tys. lat. Dziś znamy kopalne geny trzech różnych homininów: neandertalczyków, denisowian i nas, czyli Homo sapiens, nieraz należących do archaicznych, wymarłych już populacji naszego gatunku. Ale najwięcej genów, które przetrwały z odległej przeszłości, tkwi w nas samych, nasze genomy to prawdziwe skarbnice zaginionych światów.

Jeśli tylko ok. 2 proc. współczesnych DNA to tak zwane sekwencje kodujące, a więc bezpośrednio zaangażowane w funkcje życiowe, to dlatego, że znaczna część reszty stanowi bezużyteczny już ślad przeszłości: dawne, wbudowane w nasze chromosomy genomy wirusów, pozostałe po minionych epidemiach i pandemiach, tak zwane pseudogeny, a więc resztki funkcjonujących kiedyś genów, które przestały być użyteczne (na przykład geny węchu, których nasi przodkowie potrzebowali znacznie bardziej niż my), czy tak zwane skaczące geny (transpozony), które same potrafią się w genomach powielać.

Cały ten genetyczny bagaż, w każdej komórce ciała, kopiowany jest przy każdym podziale i przekazywany dalej – w przypadku komórek płciowych kolejnym pokoleniom. Kod genetyczny jest niezwykle przemyślny i skuteczny, ale z jednym ma duży kłopot – wśród wielu jego funkcji brak klawisza „delete”, który pozwoliłby łatwo pozbywać się niepotrzebnego dziedzictwa.

Jednak, jak wiadomo, nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło. Dla antropologów ów bagaż przeszłości to nieocenione źródło informacji. A najciekawsze są właśnie geny innych, wymarłych już homininów, które pozostały w nas po licznych epizodach krzyżowania międzygatunkowego. My i blisko z nami spokrewnione gatunki byliśmy pod względem hybrydyzacji szczególnie skorzy do działania.

Zniewalający urok prostoty

Historia ewolucji człowieka opiera się na scenariuszach – jak w filmie. Te najprostsze bywają szczególnie pociągające, a jeśli stają za nimi twarde fakty, mają zniewalającą siłę przyciągania. Tak było na przykład ze scenariuszem zasiedlenia Ameryki, znanym jako teoria „Clovis First”. Blisko 20 tys. lat temu zatopiona dziś przez ocean Beringia, łącząca pod koniec ostatniej epoki lodowej Azję z Ameryką Północną, przywitała pierwszych migrantów z Azji, którzy zajęli ten wolny od lodu i pełen dzikich zwierząt obszar, ale nie mogli pójść dalej, bo drogę zagradzał im lądolód obejmujący całą Kanadę – od wybrzeży Pacyfiku po Labrador i Nową Fundlandię.

Około 15 tys. lat temu, gdy zaczynało się ocieplenie, otworzył się wolny od lodu korytarz – długa na kilka tysięcy kilometrów droga do leżących dalej na południu prerii, też będących ojczyzną bogatej megafauny. Kto pierwszy poprowadził swój lud przez ten groźny lodowy korytarz, był jak Mojżesz idący przez rozstępujące się Morze Czerwone do Ziemi Obiecanej.

Gdy w 1936 r. znaleziono w pobliżu miasteczka Clovis w stanie Nowy Meksyk oryginalne i nieznane na innych kontynentach narzędzia będące w wyposażeniu jakichś łowców na grubego zwierza, datowane na ok. 11 tys. lat, a potem podobne artefakty odkryto na wielu innych stanowiskach Ameryki Północnej, koncepcja Clovis First zyskała wszelkie naukowe podstawy wiarygodności. Jej atrakcyjność przemawiała do wyobraźni milionów Amerykanów: oto nieustraszeni łowcy objęli w posiadanie amerykańską ziemię obiecaną, a ich potomkowie przetrwali na niej kolejne tysiąclecia. Nic dziwnego, że ta epopeja stała się swego rodzaju mitem założycielskim, a jej obrona przez środowisko amerykańskich paleoantropologów przed coraz głośniejszymi z czasem głosami sprzeciwu przybrała charakter nieomal świętej wojny antropologii.

Dziś wiemy, że to owi buntownicy mieli rację – lud Clovis nie był pierwszy, a jego przedstawiciele wkraczali na ląd, który został odkryty tysiące lat wcześniej. Znalezione niedawno ślady ludzkich stóp na stanowisku White Sands w Nowym Meksyku, datowane na ok. 22 tys. lat, stanowią chyba przypieczętowanie tego długotrwałego sporu. Lud Clovis istniał naprawdę i jego heroiczne dzieje są najpewniej prawdziwe, ale historia zdobywania Ameryki była jednak nieporównanie bogatsza i z pewnością wciąż nie do końca poznana.

Wycinek wymarłych populacji

Coś podobnego spotkało znacznie młodszą koncepcję opuszczenia Afryki przez przedstawicieli naszego gatunku, ich ekspansji na pozostałe lądy Starego Świata i spotkania z żyjącymi tam innymi homininami. Z tych spotkań, jak się okazało, pozostały w naszych komórkach genetyczne ślady dawnych mezaliansów.

W 2010 r. zespół Svante Pääbo z Instytutu Maxa Plancka w Lipsku (za te prace otrzymał w 2022 r. Nagrodę Nobla) ustalił pierwszy pełny kod genetyczny wymarłego gatunku hominina – neandertalczyka. Był to wyczyn niebywały, zważywszy że zaledwie 10 lat wcześniej udało się odczytać genom ludzi współczesnych, a jest przecież kolosalna różnica między obecnymi w każdej komórce naszych ciał pełnymi i badanymi od dawna genomami a niewielkimi okruchami silnie zdegradowanego DNA ekstrahowanymi z równie fragmentarycznie zachowanych kości i zębów wymarłych przed dziesiątkami tysięcy lat kuzynami ludzi współczesnych.

Odczytanie genomu neandertalczyka pozwoliło porównywać nie tylko kości i zęby dawnych i współczesnych homininów, ale także ich geny. W dodatku od razu można było porównywać geny trzech gatunków homininów – bo w tym samym 2010 r. odkryto też i zsekwencjonowano geny z jednej kostki osobnika z jaskini na Ałtaju, które okazały się odmienne nie tylko od naszych, ale i neandertalskich. Tak dowiedzieliśmy się o istnieniu jeszcze jednego z naszych wymarłych kuzynów – denisowianina.

Z porównania naszych i neandertalskich genów dwa fakty zwróciły szczególną uwagę: po pierwsze, że niemal wszyscy ludzie na świecie noszą w swoich komórkach ślady dawnych miłosnych związków z neandertalczykami (od 1 do 2 proc. DNA) i po drugie, że nie dotyczy to subsaharyjskich mieszkańców Afryki, co potwierdzało ugruntowaną już wówczas tezę znaną pod nazwą Pożegnania z Afryką (Out of Africa – OoA). To zarazem oznaczało, że tylko Afrykanie są „czystymi” Homo sapiens, wszyscy inni są mieszańcami, co z początku niezbyt podobało się białym suprematystom.

Ale, jak w przypadku historii odkrycia Ameryki, wkrótce okazało się, że proste i piękne scenariusze nie mówią całej prawdy. Ludzie są zróżnicowani, a Europa, Azja i Ameryka, skąd pochodzi najwięcej danych, stanowią niewielki wycinek tego zróżnicowania, które szczególnie bogate jest w Afryce, gdzie nasz gatunek najdłużej się rozwijał i skąd wyszła tylko jedna z wielu populacji tego kontynentu. A przynajmniej tak się wydawało.

Małe, tradycyjne, często żyjące w niedostępnych zakątkach globu społeczności mogą zawierać genetyczne ślady przeszłych zdarzeń nieobecne u innych, znacznie większych populacji. Tak okazało się w przypadku Papuasów z Nowej Gwinei i Melanezyjczyków z okolicznych wysp, w których genach, obok neandertalskich, odkryto znaczne domieszki genów denisowian, nieobecne u Azjatów czy u Europejczyków. A raczej, znów, niewidoczne w pierwszych badaniach – niedawno przeanalizowano genomy ogromnej liczby Islandczyków i u tej izolowanej od dawna i wyjątkowo odległej od Melanezji populacji znaleziono ślady (bardzo niewielkie, rzędu 0,1 proc., ale jednak) genów pochodzących od denisowian. Od neandertalczyków oczywiście też.

Genom Afrykańczyków

Z Afrykanami było podobnie. Już wcześniej w genomach współczesnych Afrykańczyków znaleziono ślady jakichś starszych, niepasujących do dzisiejszego Homo sapiens homininów (nazwanych „duchami” – ghost populations), a w zachodniej Afryce odkopano liczące zaledwie kilkanaście tysięcy lat szczątki kopalne ludzi o archaicznych cechach budowy. Wygląda na to, że afrykańskie populacje, i tak genetycznie najbardziej zróżnicowane spośród wszystkich ludzi na świecie, obejmowały w przeszłości znacznie więcej grup o różnym pochodzeniu i tylko część z tego bogactwa przetrwała do czasów współczesnych. Wreszcie, w 2020 r. przeanalizowano genomy zawarte w bazie danych zwanej 1000 Genomes Project, stwierdzając, że w kilku współczesnych populacjach afrykańskich występują fragmenty przypominające odcinki genomów neandertalskich – przypisano je wpływom „powrotów do Afryki”, tyle że zapewne nie samych neandertalczyków, a ludzi z Europy, których przodkowie z neandertalczykami się krzyżowali.

Temu, jak było naprawdę, postanowiła przyjrzeć się amerykańska genetyczka i antropolożka Sara Tishkoff, od lat badająca afrykańskie populacje i ogólnie wpływ Afryki na ewolucję człowieka. Zorganizowany przez nią zespół antropologów z całego świata i z wielu wiodących ośrodków naukowych na kilku kontynentach rozpoczął zakrojone na szeroką skalę badania mieszkańców subsaharyjskiej Afryki, tak dobranych, by nie pominąć przedstawicieli żadnej z czterech rodzin językowych Czarnego Lądu (afroazjatyckiej, nilo-saharyjskiej, nigero-kongijskiej i khoisan) i zebrać dane na temat izolowanych i żyjących wedle tradycyjnych wzorców społeczności. Wyniki tych prac ukazały się na łamach czasopisma „Current Biology” w październiku 2023 r.

Badania zespołu Tishkoff wykazały, że podobne do neandertalskich sekwencje obecne są u wszystkich populacji subsaharyjskich Afrykanów, choć nie są identyczne z neandertalskimi fragmentami obecnymi u Europejczyków i innych mieszkańców Ziemi i występują w znacznie mniejszej ilości i częstotliwości (średnio 0,6 proc. genomu zamiast ok. 2 proc.), przy czym to „podobieństwo neandertalskie” określone zostało poprzez porównanie z genomem neandertalczyka z Ałtaju sprzed o.k 120 tys. lat, a więc z czasów znacznie wcześniejszych od osławionego „wyjścia z Afryki”. Precyzyjne użycie słów jest tu bardzo istotne: te archaiczne odcinki były „podobne do neandertalskich”, ale nie „neandertalskie” – analogiczne do nich odcinki w genomie ałtajskim były z kolei „podobne” do Homo sapiens i wskazywały na łączność dawnych Afrykanów z dawnymi neandertalczykami znacznie poprzedzającą OoA. Niezłe zamieszanie, pokazujące, że kanoniczna wersja OoA nie mówi całej prawdy o naszych i neandertalskich losach.

Skąd się one wzięły u dzisiejszych Afrykanów lub – to również zasadne pytanie – skąd wzięły się w genomie ałtajskiego neandertalczyka? Neandertalczycy nie przybyli raczej do Afryki, nie ma na to żadnych dowodów. Są natomiast przesłanki, by sądzić, że już bardzo dawno, bo przed ponad 250 tys. lat, ludzie współcześni opuścili Afrykę, skrzyżowali się gdzieś z neandertalczykami – może na Bliskim Wschodzie, może aż na Ałtaju – i stąd w neandertalskich genomach znalazły się „współczesne” (choć archaiczne) afrykańskie domieszki populacji. Później ci archaiczni Homo sapiens wymarli i dziś jedynym śladem ich obecności na Ziemi są te zagadkowe domieszki, zarówno w genomach neandertalskich, jak i dzisiejszych subsaharyjskich Afrykanów.

Za takim scenariuszem mogą przemawiać znajdywane ostatnio szczątki bardzo starych Homo sapiens odkrywane poza Afryką (np. na stanowiskach Apidima w Grecji czy Misliya w Izraelu, oba okazy sprzed ponad 150 tys. lat), a także fakt, że najstarsi ludzie współcześni w Europie, którzy przybyli tam wraz z pierwszą (?) falą migracji z Afryki sprzed ponad 40 tys. lat (szczątki z Peştera cu Oase w Rumunii, Zlatý kůň w Czechach czy Baczo Kiro w Bułgarii), zawierają znacznie większe niż dzisiejsi Europejczycy domieszki DNA neandertalskiego, ale należą do populacji, które później wymarły, tak samo jak sami neandertalczycy. Wszystko to świadczy, że ludzie żyjący dziś na Ziemi to jedynie niewielki wycinek dawnych populacji.

Bardzo dawne pożegnanie

Nad wynikami tych badań ciąży pytanie, czy dowody tak częstych i rozległych hybrydyzacji między Homo sapiens i neandertalczykiem (a także neandertalczyków i denisowian, a także denisowian z nami) nie wskazują, że przynajmniej te trzy gatunki nie były w istocie odrębnymi bytami, ale raczej podgatunkami jednego wszechogarniającego gatunku Homo sapiens, który w ten sposób nie tylko powiększyłby się taksonomicznie, ale i chronologicznie, do czasów rozejścia się linii tych trzech populacji, ocenianych na ok. 700 tys. lat temu.

Otóż, choć takie stanowisko jest uprawnione i wielokrotnie w różnych wersjach było głoszone, wiele wskazuje, że jego przyjęcie raczej zaciemniłoby obraz naszej ewolucji. Po pierwsze bowiem, jeśli w ogóle możemy mówić o domieszkach neandertalskich czy denisowiańskich w naszych genomach, to właśnie dlatego, że nasze i ich DNA jest bardzo różne, a to oznacza, że przez długi czas te trzy grupy homininów musiały rozwijać się w dużej mierze niezależnie i we względnej izolacji. Fakt, potem dochodziło nieraz do zbliżeń, więc to rozejście nie było radykalne, ale – i to po drugie – te obce domieszki są w naszym DNA rozmieszczone bardzo nierównomiernie i na wielu chromosomach są długie odcinki zupełnie „czyste”, nazywane obrazowo „chromosomalnymi pustyniami” (neandertalskie introgresje byłyby więc swoistymi „oazami”).

To samo dotyczy też genomów neandertalczyka, którego „afrykańskie” odcinki przeważają w niekodujących obszarach DNA. I u nas, i u nich dobór naturalny pozbywał się genów „tych drugich”, które najwyraźniej gorzej sobie radziły w obcym otoczeniu genetycznym (choć warto pamiętać, że dobór mógł też działać w drugą stronę i niektóre z tych domieszek faworyzować). Szczególnie czyste są tu chromosomy płciowe (X i Y), a także nasze mitochondria zawierające swoje własne DNA – w nich śladów introgresji z zewnątrz nie widać. I, co najważniejsze, odcinki obce włączone w obręb naszych genomów dotyczą w ogromnej większości sekwencji niekodujących niczego, a więc niewpływających na nasze procesy życiowe. A to oznacza, że nawet jeśli bariery międzygatunkowe między tymi trzema liniami nie uniemożliwiały jeszcze krzyżowania się między nimi, to jednak zaczęły się już wznosić i byliśmy na najlepszej drodze, by okazały się w przyszłości nie do pokonania.

W październiku 2023 r. dowiedzieliśmy się więc o neandertalskich domieszkach u Afrykanów, które – paradoksalnie – nie są wynikiem powrotu neandertalczyków do Afryki, ale raczej bardzo dawnego pożegnania Afryki przez wczesnych przedstawicieli naszego gatunku. A kilka miesięcy wcześniej przyszło inne doniesienie, pozornie odległe od omawianych tu tematów, ale rzucające na nie nowe światło, a może także na pewien zagadkowy i wciąż nierozwiązany problem antropologii. A jest nim tajemnica ludzkiego chromosomu 2.

Pradawne wąskie gardło

Wielkie małpy człekokształtne (szympansy, goryle i orangutany) mają w swoich komórkach 48 chromosomów – po 24 od każdego z rodziców. Człowiek ma ich 46, co oznacza, że w którymś momencie naszych dziejów pojawił się osobnik obdarzony inną od wszystkich jego krewnych liczbą chromosomów, a więc też i niezdolny do założenia trwałej, wielopokoleniowej rodziny (liczba chromosomów od obojga rodziców powinna się pokrywać, by mogło dojść do ich parowania). Wiedzą coś o tym muły – bezpłodne, bo będące potomstwem konia i osła o różnej liczbie chromosomów (64 wobec 62). Co dziwniejsze, zamiast umrzeć bezpotomnie, ów osobnik okazał się pionierem linii, która doprowadziła do powstania Homo sapiens – dziś ta liczba 46 jest jedną z cech gatunkowych odróżniających nas od naszych bliższych i dalszych biologicznych krewnych.

Od momentu, kiedy o tym wiemy, stale powraca pytanie: kiedy to się wydarzyło? Mogło być to równoznaczne z rozejściem się linii homininów od pozostałych małp człekokształtnych, a więc miałoby miejsce przed 5 do 7 mln lat, ale wciąż nie było na to twardych dowodów. Gdy odczytaliśmy genomy neandertalczyka i denisowian, okazało się, że i one dzieliły z nami tę osobliwość, ale – i tu zaskoczenie – zapewne inne, wcześniejsze homininy już nie. Wniosek taki wynika z faktu, że nasz chromosom 2, który powstał ze zlania się dwóch odrębnych chromosomów (nazwanych 2A i 2B), zawiera w sobie genetyczne ślady tego dawnego wydarzenia, a stopień degradacji miejsca połączenia niesie informacje na temat czasu, jaki upłynął od momentu owej chromosomowej fuzji.

W 2022 r. ukazała się praca czwórki polskich naukowców (Barbara Poszewiecka i inni), która przesuwa datę tego przełomowego wydarzenia na zaledwie ok. 900 tys. lat, bardzo blisko punktu, w którym rozeszły się ścieżki Homo sapiens, neandertalczyka i denisowian! Czyżbyśmy wtedy dopiero ostatecznie zerwali więzy z naszymi małpimi przodkami i ruszyli w nieprzetartą przez nikogo drogę, najpierw wspólnie, a potem – po rozejściu się trzech linii – już w pojedynkę, choć nie tracąc wciąż zdolności i chęci do wchodzenia w ponowne związki, gdy tylko okoliczności na to pozwalały.

Jeszcze jedno doniesienie z 2023 r. przykuło uwagę antropologów i prasy popularnej – z porównania genomów współczesnych Afrykanów wynika, że przed ok. 800 tys. lat nasi afrykańscy przodkowie doświadczyli wielkiego załamania populacyjnego, określonego jako wąskie gardło. To dramatyczne wydarzenie miało trwać ok. 100 tys. lat, po czym nastąpiła gwałtowna eksplozja demograficzna. Autorzy tej pracy zwracają uwagę, że zbiegło się to w czasie z proponowaną przez Barbarę Poszewiecką i współpracujących z nią naukowców fuzją chromosomów 2A i 2B, a wąskie gardło mogło odpowiadać powstaniu odizolowanej od innych homininów populacji, której późniejsza ekspansja doprowadziła do rozdzielenia się linii ludzkiej, neandertalskiej i denisowiańskiej.

Nasz genom i genomy naszych najbliższych krewnych to wielkie archiwum dokumentów obrazujących bliższe i dalsze losy naszego gatunku. Odczytaliśmy zaledwie pierwsze linijki tych dokumentów, ale z pewnością tkwią w nich jeszcze opowieści, których poznanie rzuci zupełnie nowe światło na fenomen naszego gatunku.