Jak plagi kształtowały świat

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

W roku 541 n.e., po latach kampanii przeciwko Gotom i Wandalom, cesarz Justynian I uczynił z cesarstwa wschodniorzymskiego rozległe dominium, niemal otaczające całe Morze Śródziemne. Jednak ten rok nie dał władcy szans na świętowanie. Zaatakował go śmiertelny nowy wróg, niewidzialny i niezrozumiały.

Tajemnicza plaga rozprzestrzeniała się w państwie Justyniana i w jego stolicy, Konstantynopolu. Ofiary doświadczały gwałtownie rosnącej gorączki i bolesnego obrzęku dołów pachowych i pachwin. Wiele osób popadało w delirium. Sam cesarz również zachorował. Pogłoski o jego śmierci krążyły po mieście przepełnionym paniką. Historyk Prokopiusz, mieszkający w Konstantynopolu, podał, że dziennie umierało nawet 10 tys. osób. Justynian przeżył zakażenie, ale jego cesarstwo jeszcze przez wiele lat pogrążone było w strachu, tracąc władzę nad wieloma terenami i walcząc o utrzymanie kontroli nad Rzymem.

Naukowcy do dziś spierają się, co do natury tej plagi. Jedni uważają, że odpowiadał za nią wyjątkowo śmiercionośny szczep bakterii Yersinia pestis – objawy przypominały średniowieczną Czarną Śmierć, za którą odpowiadały właśnie drobnoustroje z gatunku Y. pestis. Inni sądzą, że Justyniana zaatakował wirus grypy, podobny do tego, który wywołał niesławną epidemię w 1918 roku, zabijając według różnych szacunków od 50 do 100 mln ludzi. Historycy zastanawiali się także, gdzie rozpoczęła się ta choroba. Wielu wskazywało na Egipt, ponieważ w relacjach historycznych wspominano podobną chorobę, która pojawiła się tuż przed katastrofą, jaka dotknęła Justyniana.

Wreszcie biologom i archeologom, którzy połączyli siły, aby pozyskać DNA z zębów i kości pochodzących z tego okresu, udało się zakończyć tę przedłużającą się dyskusję. W zębach znaleziono DNA Y. pestis, nie było tam natomiast pozostałości wirusów grypy. Obserwując, co działo się z tym szczepem w czasie i w przestrzeni, naukowcy przekonali się, że plaga dżumy nie rozpoczęła się w Egipcie, ale w zachodnich Chinach, i przewędrowała przez wysokie stepy Eurazji, aż dotarła do Europy.

Choroba „nieco ewoluowała, zanim trafiła do Imperium Rzymskiego” – mówi Alexander Herbig z Max-Planck-Institut für Menschheitsgeschichte w Jenie w Niemczech, który wykorzystuje metody komputerowe do rekonstruowania zmian w DNA tego patogenu, następujących w miarę jego przemieszczania . Z czasem niektóre z tych zmian umożliwiły patogenom życie i rozprzestrzenianie się na organizmy gospodarzy innych typów, poszerzając zasięg dokonywanych przez nie szkód.

Ta możliwość pozyskiwania DNA mikroorganizmów chorobotwórczych ze szczątków dawno żyjących ludzi pomaga wypełnić wiele dużych luk w książkach historycznych. Cząsteczki te pokazują, w jaki sposób naszą historię kształtowały spotkania z bakteriami i wirusami, które rozrastały się do rozmiarów pandemii. Naukowcy wykorzystywali DNA patogenów do poszerzenia wiedzy nie tylko o wydarzeniach, które wstrząsnęły epoką Justyniana, ale także o początkach Czarnej Śmierci i upadku Imperium Azteckiego. Znaleźli dowody na to, że w epoce brązu choroba utorowała drogę napływowi ludzi z Azji do Europy. Wraz z nimi pojawiły się techniki, kultura i geny, których wpływ możemy obserwować nawet dziś.

Dzięki tym odkryciom ukazują się pewne schematy dotyczące tego, w jaki sposób drobnoustroje prowadzą do rozwoju zarazy. Te maleńkie organizmy zaczynają szerzyć śmierć, kiedy natrafiają na grupy osób żyjących w gęstych skupiskach. W szybkim tempie ogarniają populacje, które nie miały z nimi wcześniej kontaktu, w związku z czym mają niski poziom naturalnej odporności. Narastający handel międzynarodowy i zwiększona mobilność ludzi przyspieszają ich rozprzestrzenianie. Patogeny zwykle napotykają większą podatność wśród osób marginalizowanych i należących do najuboższej części społeczeństwa, które nie mają zbyt wielu zasobów, aby się chronić. Te same schematy obserwujemy teraz, kiedy po globie rozprzestrzenia się obecna pandemia, wywoływana przez wirus SARS-CoV-2.

Molekularne wskazówki

Naukowcy i historycy od dawna interesowali się powiązaniami między biologią patogenów a historią, jednak jeszcze 10 lat temu próby te udaremniały trudności związane z analizą DNA z kopalnych szczątków (ancient DNA, aDNA). Próby pozyskania genomów patogenów z miejsc pochówku ofiar Czarnej Śmierci skutkowały jedynie „kolejnym niepowodzeniem”, narzeka Hendrik Poinar, biolog zajmujący się aDNA na McMaster University w Ontario. Wydobyte z ziemi kości były zdegradowane i zawierały jedynie znikomo małe ilości cząsteczek materiału genetycznego mikroorganizmów.

Dwa nowe rozwiązania zmieniły ten obraz w ciągu ostatniej dekady. Jednym z nich było uznanie przez specjalistów genomiki archeologicznej, że zajmowali się niewłaściwymi częściami szkieletu. Najlepszymi kapsułami czasu nie są kości, ale zęby. Z zewnątrz zęby chroni twarda warstwa szkliwa. Wewnątrz miazga zęba jest pełna wysuszonej krwi – i zdegradowanych pozostałości przenoszonych z krwią patogenów. Naukowcy mogą przewiercić się do środka zęba wiertłem dentystycznym, a jeśli będą mieli trochę szczęścia, znajdą wewnątrz jakieś pozostałości DNA mikroorganizmów.

Jednak są one pofragmentowane i zmieszane. Trzeba je połączyć w długie sekwencje DNA, co pozwoli na określenie, do jakich konkretnie bakterii lub wirusów należą. Sekwencjonowanie nowej generacji, metoda, która przyspiesza to porządkowanie, to kolejne ważne osiągnięcie. Technika ta weszła ostatnio do szerokiego użytku dzięki potężnym komputerom i „całkowicie odmieniła zasady gry”, mówi Poinar. Co do zasady, metoda ta obejmuje sekwencjonowanie licznych krótkich łańcuchów DNA równolegle w tym samym czasie, a następnie złożenie ich w możliwy do identyfikacji genom poprzez łączenie ich w miejscach, gdzie nachodzą na siebie takie same serie liter (dobrze znanych A, T, C i G z kodu genetycznego). Dzięki takiemu podejściu można zrekonstruować cały genom ze zdegradowanej próbki, omijając konieczność pozyskania rzadko występujących, długich łańcuchów wysokiej jakości DNA.

Jeden z pierwszych sukcesów będących wynikiem tego połączenia lepszego źródła próbek i nowej techniki osiągnięto w roku 2011. Poinar ze współpracownikami wyizolowali genom Y. pestis z zębów pozyskanych z miejsca pochówku ofiar Czarnej Śmierci w Londynie. Ich odkrycie potwierdziło – po dziesięcioleciach spekulacji – że rzeczywiście to ta bakteria odpowiadała za średniowieczną pandemię, która doprowadziła do śmierci co najmniej 30% europejskiej populacji w latach 1347–1351. Kolejne pięć lat badań wykazało, że szczep ten nie był wcale szczególnie zjadliwy. Był bardzo podobny do współczesnych bakterii Y. pestis, które nie są wcale aż tak śmiercionośne. Wysoka śmiertelność w okresie Średniowiecza wydaje się wynikać ze zwiększającej się szybko, niekontrolowanej populacji szczurów śniadych, które przenosiły te bakterie w stłoczonych i niedożywionych populacjach rozwijających się miast, w których były fatalne warunki sanitarne.

Jednak być może największe zaskoczenie, jakie przyniosło aDNA z czasów zarazy, pochodziło z jeszcze starszych miejsc pochówku. Okazuje się, że ani pandemie z czasów Justyniana, ani z okresu Średniowiecza, nie były pierwszymi przypadkami, kiedy te mikroorganizmy wpłynęły na ludzkość w transkontynentalnej skali.

Prehistoryczna pandemia

W 2015 roku dane ze 101 kopalnych ludzkich genomów, pozyskanych ze szkieletów pogrzebanych na stepach Eurazji, wykazały, że członkowie plemienia Yamnaya z wczesnej epoki brązu około 5000 lat temu porzucili stepy, wypierając neolityczną, rolniczą kulturę Europy. Nowi przybysze udomowili konie i opanowali nowe techniki wytopu metali. Byli prawdopodobnie ludem wojowniczym, lecz mimo to tak duża zmiana populacyjna zaskoczyła naukowców, ponieważ grupy europejskie radziły sobie wcześniej dobrze przez całe stulecia. „Jak to możliwe, że te świetnie zorganizowane, wyraźnie dobrze prosperujące europejskie społeczeństwa neolityczne odeszły w niepamięć?” – pyta Kristian Kristiansen z Göteborgs Universitet (Szwecja), jeden z archeologów biorących udział w tym badaniu. Niektóre dowody archeologiczne wskazywały na załamanie populacji europejskich rolników, do jakiego doszło mniej więcej w okresie przybycia plemienia Yamnaya. Kristiansen i jego współpracownicy zaczęli zastanawiać się, czy to możliwe, aby społeczność europejska została osłabiona przez chorobę w stopniu umożliwiającym najazd. Konkretnie zapytał: „Czy mogła to być Czarna Śmierć?”.

Kiedy zespół Kristiansena przeprowadził sekwencjonowanie 101 genomów ludzi ze stepów, znalazł tam wszystko – nie tylko ludzkie DNA, ale mieszaninę wirusów, bakterii i współczesnych skażeń środowiskowych. „Około 95–99% danych było dla nas bezużytecznych – mówi jeden z członków zespołu, Simon Rasmussen z Københavns Universitet. – Wyrzucaliśmy je po prostu wszystkie do kosza”. Ale od 2015 roku nowa technika sekwencjonowania dała możliwość przesiewania materiału i porównywania go z innymi genomami. „Tak więc wzięliśmy wszystkie te dane – 100 mld małych fragmentów DNA – i szukaliśmy wśród nich dowodów na zarazę” – mówi Rasmussen.

W ciągu około dwóch tygodni naukowa maszyneria przyniosła odpowiedź. Około 7% kopalnych szczątków zawierało wewnątrz zębów ślady DNA związanego z plagą dżumy. Bakterie docierały do zębów przez naczynia krwionośne, a „jeśli bakterie są obecne we krwi, to sytuacja jest bardzo poważna”, stwierdził Rasmussen. „Jest bardzo prawdopodobne, że ludzie umierali z tego powodu”. Tę formę choroby o wysokiej śmiertelności nazywa się dżumą posocznicową. W najczęstszej postaci, dżumie dymieniczej, bakterie zakażają węzły chłonne. Ponieważ wiele badanych próbek aDNA było w złym stanie, Rasmussen podejrzewa, że DNA dżumy może występować w materiale nawet częściej, lecz być może było zbyt poszatkowane, aby mogło zostać wykryte. Jego zdaniem wyniki badań „zaczynają wskazywać na prawdopodobieństwo pandemii”. Poinar jest jednak ostrożniejszy i wskazuje, że do załamania populacji europejskiej mogły również przyczynić się inne czynniki prócz Y. pestis, takie jak głód lub wojna.

Nawet jeśli bakterie dżumy były tylko jednym z elementów ogólnego obrazu, skutki możemy obserwować do dziś. Zespół Kristiansena uważa, że podobnie jak w przypadku późniejszych epidemii zakażeń Y. pestis, także ta przywędrowała do Europy ze stepów. Plemię Yamnaya prawdopodobnie wykazywało pewną odporność na te bakterie, ponieważ stykało się z nimi od setek lat. Ta odporność dawała przewagę nad dziesiątkowanymi przez zarazę europejskimi rolnikami. Więc Yamnaya się zadomowili. Ta grupa o jaśniejszym kolorze skóry, mówiąca językiem praindoeuropejskim, wciąż wpływa na wygląd, język i geny współczesnych Europejczyków. Kristiansen uważa, że „to zmieniło historię Europy. To zmieniło języki w Europie”. Jego zdaniem pod względem genetycznym Europejczycy „są potomkami tych ludzi ze stepu”.

Ostatnio grupa naukowców znalazła kolejne dowody potwierdzające tę teorię o zmianie wywołanej zarazą. Wykryli oni DNA Y. pestis w dwóch szwedzkich szkieletach z epoki neolitu, datowanych na około pięć tysięcy lat temu. Wygląda na to, że choroba dotarła do Skandynawii tuż przed podbojem przez plemię Yamnaya. Kristiansen mówi, że jego zespół „szuka teraz wszędzie” innych miejsc występowania tego wczesnego wariantu. Określa go jako „matkę wszystkich plag dżumy”.

Ewolucyjna podróż

Dotąd przeanalizowano kilkadziesiąt genomów Y. pestis, pochodzących z różnych okresów na przestrzeni ostatnich 5000 lat. Zmiany w tych sekwencjach pozwoliły naukowcom odtworzyć ewolucyjną historię tej bakterii i wskazać na pewne wczesne zmiany genetyczne, które mogły pomóc w transformacji oportunistycznego gatunku jelitowego w jednego z największych zabójców w historii ludzkości.

Ich najwcześniejsza forma – wariant sprzed 5000 lat – raczej nie mogła być przenoszona przez żerujące na szczurach pchły, tak jak w przypadku Czarnej Śmierci. Te starsze bakterie nie miały enzymu, który chroni współczesne drobnoustroje przed strawieniem w jelitach pcheł. Prawdopodobnie przenosiły się z kropelkami wody przez powietrze, kiedy ich gospodarz – zwierzę lub człowiek – zakasłał. Jednak około 4000 lat temu bakterie Y. pestis zyskały gen nazwany ymt, prawdopodobnie od innych bakterii jelitowych. Bakterie często wymieniają się genami. Gen ymt koduje ten ochronny enzym, który pozwolił drobnoustrojom dżumy żyć w organizmach pcheł i wędrować wraz z nimi, mówi Johannes Krause, specjalista od kopalnego DNA z Max-Planck-Institut für Menschheitsgeschichte.

Kiedy bakterie Y. pestis zyskały gen ymt, rozwinęły zdolność tworzenia biofilmu – i prawdopodobnie to ten talent jest najbardziej złowieszczą zmianą dotyczącą tego drobnoustroju. Doszło do mutacji genowych, które zwiększają zdolność wytwarzania adhezyjnej macierzy zewnątrzkomórkowej, zaś inne mutacje zdezaktywowały różne geny, które wcześnie spowalniałyby lub powstrzymywały produkcję macierzy. Te zmiany pozwoliły zarazkom łączyć się w kleiste konglomeraty komórek. Powstawały one w jelicie pierwotnym środkowym pcheł, blokując ich przewód pokarmowy. Zagłodzone pchły popadają w atak szału i gryzą każdego ssaka, jakiego napotkają, wraz z każdym ugryzieniem przekazując bakterie dalej.

Ludzie i patogeny

Badania nad aDNA pozwoliły prześledzić również historię innych mikroorganizmów, umożliwiając naukowcom określenie, kiedy wiele współczesnych ludzkich patogenów, w tym szczepy wywołujące trąd, gruźlicę, wirus zapalenia wątroby typu B czy parwowirusy, zaczęło sprawiać problemy na dużą skalę. Te daty, prawdopodobnie nieprzypadkowo, pokrywają się z okresem, kiedy ludzie zaczęli się osiedlać, mówi Krause.

W miarę rozwoju cywilizacji odległe społeczności zyskiwały możliwości kontaktu z wykorzystaniem koni, koła, a potem łodzi. A gdziekolwiek wędrowali ludzie, mikroorganizmy szły razem z nimi. Herbig uważa, że handel na duże odległości ułatwił „wymianę chorób na skalę globalną”. Na przykład rozkład genomów wirusa zapalenia wątroby typu B i dżumy odpowiada dobrze udokumentowanym trasom migracji ludności w epokach brązu i żelaza. Podobnie gruźlicę przenosiły „załogi rzymskich statków handlowych albo kupcy spotykający się na Jedwabnym Szlaku”, uważa Caitlin Pepperell z University of Wisconsin–Madison. Jej zespół na podstawie aDNA gruźlicy oszacował, że współczesne szczepy powstały około 6 tys. lat temu – a nie 70 tys. lat temu, jak wcześniej sądzono.

Nie tylko handel powodował rozprzestrzenianie się tych drobnoustrojów. Patogeny często wykorzystują jako gospodarza różne zwierzęta, a dane z DNA wskazują, że kiedy nasze związki z wybranymi zwierzętami się zacieśniały, wkrótce znajdowało to też odbicie w patogenach. Na przykład jedna z ostatnich zachowanych populacji wiewiórek pospolitych w Wielkiej Brytanii nadal jest zakażona średniowiecznym szczepem trądu, prawdopodobnie przywleczonym do Anglii przez Wikingów handlujących futrami. Podobnie szczep gruźlicy, atakujący ludzi, został najwyraźniej przeniesiony do południowej Afryki przez foki, jak dowodzi aDNA z liczącego sobie kilka tysiącleci peruwiańskiego szkieletu. Ten genom gruźlicy jest najbliżej spokrewniony ze szczepami, które znajdujemy współcześnie u fok i lwów morskich. „W przypadku tej populacji jest to w zupełności uzasadnione pod względem archeologicznym i antropologicznym, ponieważ jej członkowie często polowali na foki – tłumaczy Herbig, który brał udział w tym badaniu. – Wytwarzali garnki, na których można znaleźć rysunki przedstawiające ludzi polujących na foki, a także dokonujących obróbki mięsa fok”.

To połączenie czynników, zwiększających u ludzi wrażliwość na patogeny – liczniejsze populacje, więcej połączeń w obrębie globu i ciągle zmieniające się relacje ze światem zwierząt – miało duży wpływ na Nowy Świat, kiedy po raz pierwszy dotarli tam Europejczycy. Imperium Azteków, położone na terenie Meksyku, uległo inwazji niedużego kontyngentu sił hiszpańskich na początku XVI wieku. Najeźdźcy obalili tę cywilizację przy pomocy zniechęconych poddanych i rywalizujących państw. Następnie Hiszpanie wprowadzili brutalny system nazywany encomienda, oparty na ostrym traktowaniu, ciężkiej pracy i niedożywieniu. Wyglądało też na to, że najeźdźcy z Europy przywieźli ze sobą również innych wrogów.

Po pierwszym podboju w 1521 roku populację Azteków spustoszyła jedna z największych pandemii w historii. Pisemne świadectwa hiszpańskiego mnicha z zakonu Franciszkanów, Bernardino de Sahagún, który dotarł do Meksyku osiem lat po pierwszym kontakcie z Hiszpanami, dowodzą, że infekcja zabiła aż 80% rdzennej populacji. Pozostawało jednak tajemnicą, jaki mikroorganizm ukrywał się za nadaną mu przez miejscowych nazwą cocoliztli. Hipotezy obejmowały grypę krwotoczną, malarię i dur brzuszny, a nawet czarną ospę. Historycy nie byli nawet pewni, czy była to choroba pochodzenia miejscowego, czy przywieźli ją Hiszpanie.

Jednak w 2018 roku aDNA wskazało prawdopodobnego winnego. Na podstawie DNA pozyskanego ze szkieletów znalezionych w masowym grobie z okresu cocoliztli Krause ze współpracownikami stwierdzili w ponad połowie próbek obecność Salmonella paratyphi C – bakterii, które prowadzą do ciężkiej choroby przewodu pokarmowego. Mikroorganizmów z rodzaju Salmonella nie odnajdywano w żadnej z Ameryk w czasach sprzed kontaktów z Europejczykami, dlatego niemal na pewno przypłynęły one ze Starego Świata. Prawdopodobnie konkwistadorzy przywieźli skażone pokarmy i wodę na swoich transatlantyckich statkach wraz z innymi potencjalnymi wektorami, takimi jak kurczaki, świnie i bydło czy szkodniki – szczury i myszy. Każde z nich mogło przenosić chorobę.

W tym samym czasie katastrofy ekologiczne w Amerykach pomogły się tam zadomowić drobnoustrojom takim, jak Salmonella. Na początku XVI wieku Meksyk dotknęły powtarzające się klęski suszy, co określono na podstawie badań słojów drzew, opublikowanych w 2000 roku. Niedobory pożywienia i przesiedlenia ludności spowodowały, że ludzie byli osłabieni i nie mieli sił do walki z nieznanymi atakującymi ich drobnoustrojami, na które ich układ odpornościowy nie był gotowy. Cywilizacja upadła.

Współczesne społeczeństwa wiedzą dużo więcej na temat patogenów i możliwości ich zwalczania niż ludzie 500 czy 5 tys. lat temu. Jednak nasze obecne zmagania z Covid-19 dowodzą, że nasza podatność na nowe choroby się nie zmieniła. Choroby te często przechodzą na człowieka od innych gatunków, rozprzestrzeniają się dzięki międzynarodowemu handlowi i podróżom, a nasilają na skutek stłoczenia, biedy i niedożywienia. Badania nad aDNA przypominają nam o tych niezmiennych faktach i dowodzą, że czasami największe zdarzenia historyczne nie wynikały jedynie z decyzji możnych, takich jak cesarz Justynian I czy konkwistador Hernán Cortés. W równie dużym stopniu były kształtowane przez drobnoustroje, którym ludzie pomagali się rozprzestrzeniać.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.