V loňském roce padly na poli výzkumu pravěké DNA hned dva rekordy v disciplíně čtení nejstarší genetické informace. Podařilo se přečíst kompletní genom pravěkého koně, který žil před 700 tisíci let. Vědci také přečetli část genomu člověka z DNA staré 400 tisíc let.
Výzkum na tomto poli přináší informace, o jakých se předchozím generacím badatelů nesnilo. Molekulární genetici už několikrát obrátili naše představy o vývoji člověka na hlavu.
Vzestup a pád pravěké DNA
Počátky pokusů o izolaci a analýzu staré dědičné informace spadají do 80. let, kdy se nejprve podařilo získat část DNA z kůže muzejního exponátu vymřelé zebry quaggy a následně pak švédský genetik Svante Pääbo uspěl i při izolaci zlomků DNA ze starověkých lidských mumií. Postup byl ovšem nesmírně pracný a vyžadoval poměrně velké množství "suroviny".
Výzkum pravěké DNA zažil velký rozmach až počátkem 90. let minulého století se zavedením polymerázové řetězové reakce, s jejíž pomocí lze pro analýzy "namnožit" dostatečné množství DNA i z velmi malých vzorků. Hned několik týmů se předhánělo v tom, komu se podaří izolovat starší DNA.
Srovnání lebky člověka druhu Homo sapiens a neandrtálce (vpravo). Vyniknou základní anatomické rozdíly, které ovšem podle genetických poznatků rozhodně neznamenaly, že by se oba druhy nemohly křížit.
Bohatým zdrojem materiálu jim byly fosilie dochované v kapkách jantaru staré desítky milionů roků. "Zlatým hřebem" honu na pravěkou DNA měly být zlomky dědičné informace izolované z 80 milionů let starých dinosauřích kostí. Právě tyto výsledky inspirovaly v roce 1990 amerického spisovatele Michaela Crichtona k napsání románu Jurský park, který se stal o tři roky později předlohou pro dnes už kultovní stejnojmenný sci-fi film Stevena Spielberga.
Většina těchto prací však neobstála při následných kontrolách. Polymerázová řetězová reakce ukázala badatelům svou odvrácenou tvář. Je schopna namnožit i "zatoulaný" zlomek DNA, který se nechtěně dostal na fosilní materiál. A tak se "dinosauří DNA" nakonec ukázala jako zlomek DNA některého z badatelů, který fosilii objevil nebo ji pak v muzejních sbírkách studoval.
Comeback pravěké DNA
Naštěstí se ukázalo, že samotný nápad zkoumat dávnou DNA není ani nesmyslný, ani neproveditelný. Vědci se však museli obrátit k méně ambiciózním cílům a poprat se s celou řadou technických obtíží. Pravěká DNA se za běžných podmínek rozpadá poměrně vysokým tempem. Výzkum na kostech ptáků moa z Nového Zélandu určil "poločas rozpadu" DNA zhruba na 500 let. To dává teoretickou šanci na získání zlomků DNA u fosilie staré několik milionů let. Za reálné považují vědci "čtení" DNA staré asi 1,5 milionu roků.
Hodně záleží na tom, jakým podmínkám DNA čelila. Pokud ostatky lidí, živočichů, či rostlin ležely ve věčně zmrzlé půdě, je v nich DNA poměrně dobře zachovalá. V teplém a vlhkém klimatu, jaký vládne například na nalezišti kostí trpasličích pravěkých lidí ve floreské lokalitě Liang Bua, je DNA zřejmě už dávno nenávratně ztracena.
Jaké to bylo před DNA?Před nástupem genetických metod se byly kořením archeologie, paleoantropologie a paleontologie vždycky byly nové nálezy a nová datování. Například objev koster miniaturních pravěkých lidí na indonéském ostrově Florés vyvolal v roce 2004 podobně bouřlivou diskusi, jakou zažila věda, když byly v roce 1856 v Německu nalezeny ostatky neandrtálce. Na jedné straně sporu stáli v obou případech zastánci názoru, že se podařilo objevit nový druh člověka. Jejich protivníci to odmítali s tím, že kostra patří normálnímu jedinci postiženému řadou těžkých degenerací či dědičných chorob. Příkladem datování, které zamotalo vědcům hlavu, byla studie týmu vedeného Carlem Swisherem, v níž byly v roce 1996 světu předloženy důkazy o tom, že pravěký člověk Homo erectus žil na Jávě ještě před 25 tisíci let, a byl tak současníkem našich přímých předků náležejících k druhu Homo sapiens. |
Další velkou komplikaci při výzkumu pravěké DNA představuje kontaminace vzorků. I když vědci dnes vyzvedávají fosilie určené ke genetickým analýzám tak, aby na ně nezanesli svou vlastní DNA, v půdě se dostává do fosilií DNA početné armády půdních mikroorganismů, plísní, hlístů, roztočů, hmyzu, rostlin atd. Při analýzách pak musí genetici vytřídit "zrno od plev" a zajistit, aby četli skutečně jen dědičnou informaci organismu, jenž je předmětem jejich zájmu.
Technický pokrok v sekvencování DNA a v práci s nepřeberným množstvím dat, která se z moderních "čteček DNA" hrnou, dovolil vědcům pokrok, jaký byl v době natáčení Jurského parku nepředstavitelný i pro snílky s velmi bujnou fantazií.
Neandrtálský genom
Prvním obrovský průlom znamenala v roce 2010 "hrubá" rekonstrukce genomu neandrtálce z DNA izolované z kostí starých 40 tisíc let. Ta navázala na čtyři roky staré analýzy, jež přinesly údaje o rozsáhlých oblastech neandrtálského genomu. V loňském roce byl genom neandrtálce přečten kompletně a v kvalitě srovnatelné s daty o genomu současných lidí Homo sapiens.
Srovnání našeho a neandrtálského genomu potvrdilo, že neandrtálci nebyli zdaleka takoví primitivové, jak byli ještě nedávno líčeni. Například jejich gen FOXP2, který hraje významnou roli při mluvení, je u neandrtálců stejný jako u současných lidí.
Největší překvapení ovšem nastalo, když se ukázalo, že obyvatelé Evropy a Asie nesou ve své dědičné informaci sice malou, ale přesto nepřehlédnutelnou příměs neandrtálské DNA. Zdá se, že jsme od neandrtálců zdědili i některé užitečné geny. Jeden z nich je součástí našeho imunitního systému. Toto odhalení vrhlo nové světlo na soužití neandrtálců a moderních lidí Homo sapiens v evropsko-asijském prostoru.
Odlitek lebky "hobita" z ostrova Flores v jeskyni Liang Bua, kde byl originál nalezen. Mezi antropology tehdy vzbudila vášnivou diskusi, zda jde o pozůstatky jedince s nějakou vývojovou vadou nebo nový druh. Zatím převažují spíše důkazy ve prospěch teorie, že šlo o příslušníka druhu jinak neznámého menšího příslušníka rodu Homo.
Z nálezů vyplývá, že když před 40 tisíci let přišli do Evropy a Asie první lidé Homo sapiens ze své africké domoviny, našli oba kontinenty osídlené tlupami neandrtálců. Oba druhy člověka žily po tisíciletí vedle sebe, ale nakonec se neandrtálci poroučeli do propadliště dějin a moderní lidé "osiřeli".
Teorií o tom, proč neandrtálci zmizeli, je k dispozici nepřeberné množství. Podle některých badatelů už se už tito lidé s postavami těžkých atletů a překvapivě objemnou mozkovnou při příchodu člověka Homo sapiens potáceli na pokraji vymření a jejich odchod byl jen otázkou času. Podle jiných odborníků podlehli neandrtálci našim přímým předkům v tvrdém konkurenčním boji o zdroje potravy a životní prostor. Nelze vyloučit ani to, že si s sebou lidé Homo sapiens přinesli z Afriky pro ně celkem banální infekční chorobu, která se ukázala pro neandrtálce jako smrtelná.
Do všech těchto scénářů teď musíme zakomponovat i vzájemné křížení neandrtálců s našimi předky Homo sapiens. Oba druhy člověka si zjevně nepřipadaly navzájem tak cizí a neoddělovala je ani biologická reprodukční bariéra. Mohli spolu plodit děti. Zdá se, že ke křížení neandrtálců s lidmi Homo sapiens došlo kdesi v oblasti Kavkazu, protože neandrtálské dědictví v naší DNA nese mnohé znaky DNA neandrtálců právě z tohoto regionu.
Genetické analýzy DNA neandrtálců z různých koutů světa odhalily, že tito lidé žili v poměrně malých uzavřených komunitách, kde děti plodili i pokrevně blízce příbuzní jedinci. To mohl být další handicap, který si s sebou neandrtálci nesli a který pomohl k jejich vyhynutí.
Pravěký člověk objevený v laboratoři
Hon za neandrtálskou DNA měl jeden nečekaný vedlejší produkt: objev dosud neznámého druhu pravěkého člověka. Ruští vědci poskytli německým kolegům pro izolaci DNA úlomek kosti z prstu ruky, který považovali za neandrtálský. Genetické analýzy však odhalily, že kost nepatří neandrtálci ani pravěkému člověku Homo sapiens. Jen díky výzkumu pravěké DNA jsme se dozvěděli, že vedle Homo sapiensa neandrtálců žil v Asii i další druh člověka, pro kterého se ujalo označení denisovan, protože analyzovaná kost byla objevena na Altaji v Denisově jeskyni.
Denisované zůstávají i nadále opředeni záhadami. Nevíme, jak vypadali, protože k dispozici jsou z nich už jen dva zuby nalezené v těsné blízkosti úlomku prstní kůstky. Je celkem pravděpodobné, že v muzejních depozitářích leží kosti denisovanů, ale zatím se je nepodařilo identifikovat. Pokusy izolovat DNA z koster, jež jsou nejžhavějšími kandidáty na denisovanské ostatky, zatím vycházejí naprázdno. Běžné podmínky, v jakých jsou muzejní exponáty uloženy, mají totiž na pravěkou DNA devastující účinky. Větší šanci na identifikaci denisovanské kostry proto mají vědci při zcela nových nálezech.
Díky nejmodernějším molekulárně genetickým metodám se podařilo zkompletovat genom denisovanů s přesností srovnatelnou s čtením DNA současných lidí. Tím se opět otevřely možnosti pro srovnání genomů lidských druhů, které žily před 40 tisíci let vedle sebe v Evropě a Asii.
Tato srovnání odhalila ještě mnohem širší mesalianci než srovnání genomu Homo sapiens a neandrtálce. Naši předci se křížili i s denisovany. Příměsi denisovanské DNA si nesou v dědičné informaci obyvatelé rozsáhlých oblastí Asie a dokonce i Melanésané obývající např. Novou Guineu. Denisované se křížili i s neandrtálci. A aby toho nebylo dost, objevili genetici v denisovanském genomu sekvence, které svědčí o křížení s nějakým evolučně starším druhem člověka. Jakým? To je zatím záhada.
Archeologové při práci v Denisově jeskyni na Altaji, kde byly objeveny velmi skromné pozůstatky tzv. "denisovanů", kteří podle DNA měli něco z Homo sapiens, něco z neandrtálce a něco ze zřejmě zatím neznámého dalšího druhu člověka.
Záhadní lidé z "jámy kostí"
Úspěch při rekonstrukci genomu pravěkého koně, jehož kosti ležely 700 tisíc let ve věčně zmrzlé půdě, povzbudil vědce k pokusům získat DNA pravěkých lidí, kteří žili před neandrtálci a denisovany. Volba padla na lidské kosti objevené v jeskynním systému pohoří Atapuerca v severním Španělsku. Na dně dvanáctimetrové šachty označované jako Sima de los Huesos ("jáma kostí") se tu našly ostatky nejméně osmadvaceti lidí, kteří žili před 400 tisíci let.
Podmínky ve španělské "jámě kostí" měly daleko k "mrazákovému klimatu" severoamerického permafrostu, z nějž byly vyzvednuty kosti pravěkých koní. Přesto se vědcům podařilo izolovat významnou část genomu lidí z Atapuercy, tzv. mitochondriální DNA. Ta je poměrně krátká a obsahuje jen malý počet genů. V každé buňce se však vyskytuje v několika tisících kopií. Genetici proto mají podstatně větší šanci, že najdou její zbytky, než kdyby pásli po dědičné informaci uložené v buněčném jádru. Ta je sice rozsáhlá a obsahuje velké množství genů, ale každá buňka jí nese pouhé dva výtisky.
I mitochondriální DNA atapuerských pravěkých lidí stačila vědcům zamotat hlavy. Člověk z Atapuercy byl vždy považován za "neandrtálce ve výstavbě". Jenže jeho DNA se ze všeho nejvíc podobá DNA záhadných denisovanů, kteří žili o 350 tisíc let později na Sibiři. Okamžitě se vyrojila řada hypotéz, které se snaží tento nečekaný nález vysvětlit. Těžko mezi nimi hledat nějakého favorita. Všichni odborníci se shodují v tom, že by se ve svých úvahách ocitli na mnohem pevnější půdě, kdyby měli k dispozici i jadernou dědičnou informaci člověka z Atapuercy. To nemusí být nesplnitelné přání. V laboratořích molekulárních genetiků už se na tom pracuje.
Milion let starý genom?
Jaroslav PetrJe vzděláním biolog. Pracuje jako vedoucí výzkumný pracovník ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Praze-Uhříněvsi, kde se zabývá reprodukční biologií a biotechnologiemi hospodářských zvířat. Přednáší externě na České zemědělské universitě v Praze a dalších institucích. Je také dlouholetým popularizátorem vědy. Píše například pro Lidové noviny, časopis Vesmír i server Osel.cz. |
Někteří vědci už spřádají plány na přečtení genomů starých milion roků. S největší pravděpodobností to bude pro začátek genom pravěkého zvířete, jehož ostatky ležely po celou dobu v příznivých podmínkách. Ani přečtení lidského genomu starého milion let zřejmě není v dohledné budoucnosti vyloučeno. Jestli to vnese do našeho poznání evoluce člověka jasno, nebo to před nás postaví další záhady, to se teprve uvidí.
O našich předcích se můžeme dozvědět velmi zajímavé věci i z genomů nejrůznějších mikroorganismů. V loňském roce se ukázalo, že DNA choroboplodných bakterií přetrvává v bezpečí nitra lidských zubů překvapivě dlouho v překvapivě dobrém stavu. Rozpadá se podstatně pomaleji než lidská DNA. Tak se podařilo rekonstruovat kompletní genom původce lepry, bakterie Mycobacterium leprae, která vyvolala toto onemocnění u mladé Dánky ze 13. století. Podobně se podařilo izolovat DNA původce středověkých morových ran. Výsledky jsou natolik povzbudivé, že vědci spřádají plány na výzkum, který by jim prozradil, jaké infekční choroby trápily pravěkého člověka Homo sapiens, neandrtálce, denisovany, ale i starší druhy lidí jako Homo heidelbergensis nebo Homo erectus.
Zajímavé informace však nabízí i výzkum mladších lidských ostatků. Například analýza DNA izolované z kostry hocha, jenž zemřel před 24 tisíci let poblíž jezera Bajkal, odhalila, že jeho předci pocházeli ze západní Evropy a jeho potomci zřejmě patřili k první vlně lidí, kteří pronikli přes pevninský most v místech dnešní Beringovy úžiny na americký kontinent. První Američané tak zřejmě měli západoevropské kořeny. Teprve další migrační vlny přivedly do Ameriky lidi, kteří měli kořeny na východě Asie.
