Gammelt DNA fortæller historier om menneskers migranthistorie

Forskere kunne engang kun rekonstruere menneskehedens fjerne fortid ud fra det stumme vidnesbyrd fra gamle bosættelser, knogler, og artefakter.

Ikke længere. Nu er der en kraftfuld ny tilgang til at oplyse verden før den skrevne histories morgen – at læse den faktiske genetiske kode for vores gamle forfædre. To artikler publiceret i tidsskriftet Natur den 21. februar, 2018, mere end det dobbelte af antallet af gamle mennesker, hvis DNA er blevet analyseret og offentliggjort til 1, 336 personer - op fra kun 10 i 2014.

Den nye strøm af genetisk information repræsenterer en "moden alder" for det spirende felt af gammelt DNA, siger hovedforfatter David Reich, en Howard Hughes Medical Institute-efterforsker ved Harvard Medical School - og det opvejer den elskede arkæologiske ortodoksi. "Når vi ser på dataene, vi ser overraskelser igen og igen og igen, " siger Reich.

Sammen med hans laboratoriums tidligere arbejde og andre pionerer inden for gammelt DNA, Big Picture-budskabet er, at vores forhistoriske forfædre ikke var nær så hjemmebundne, som engang troede. "Der var en opfattelse af, at migration er en meget sjælden proces i menneskelig evolution, " forklarer Reich. Ikke så, siger det gamle DNA. Rent faktisk, Reich siger, "ortodoksien - antagelsen om, at nutidens mennesker nedstammer direkte fra de mennesker, der altid har boet i det samme område - er forkert næsten overalt."

I stedet, "den opfattelse, der dukker op - som David er en veltalende fortaler for - er, at menneskelige befolkninger bevæger sig og blander sig hele tiden, " siger John Novembre, en beregningsbiolog ved University of Chicago.

Stonehenges bygherrer forsvinder stort set

I en af ​​de nye aviser, Reich og en cast af snesevis af samarbejdspartnere kortlægger udbredelsen af ​​en gammel kultur kendt for sine stiliserede klokkeformede potter, det såkaldte Bell Beaker-fænomen. Denne kultur spredte sig først mellem Iberia og Centraleuropa fra omkring 4. 700 år siden. Ved at analysere DNA fra flere hundrede prøver af menneskelige knogler, Reichs team viser, at kun ideerne - ikke de mennesker, der opstod dem - tog skridtet i starten. Det skyldes, at generne fra den iberiske befolkning forbliver adskilt fra generne fra de centraleuropæere, der adopterede de karakteristiske potter og andre artefakter.

Men historien ændrer sig, da Bell Beaker-kulturen ekspanderede til Storbritannien efter 4. 500 år siden. Derefter, den blev bragt af migranter, der næsten fuldstændig fortrængte øens eksisterende indbyggere – de mystiske mennesker, der havde bygget Stonehenge – inden for et par hundrede år. "Der skete en pludselig ændring i befolkningen i Storbritannien, " siger Reich. "Det var en næsten fuldstændig erstatning."

For arkæologer, disse og andre resultater fra studiet af gammelt DNA er "absolut slags mind-blowing, " siger arkæolog Barry Cunliffe, professor emeritus ved University of Oxford. "De kommer til at forstyrre folk, men det er en del af spændingen ved det."

Stor migration fra steppen

Overvej den uventede bevægelse af mennesker, der oprindeligt boede på stepperne i Centralasien, nord for det sorte og kaspiske hav. Omkring 5, 300 år siden, de lokale jæger-samlerkulturer blev mange steder erstattet af nomadiske hyrder, døbt Yamnaya, som var i stand til at ekspandere hurtigt ved at udnytte heste og den nye opfindelse af vognen, og som efterlod store, rige gravsteder.

Arkæologer har længe vidst, at nogle af de teknologier, som Yamnaya brugte, senere spredte sig til Europa. Men den opsigtsvækkende åbenbaring fra det gamle DNA var, at folket bevægede sig, også – hele vejen til Europas Atlanterhavskyst i vest til Mongoliet i øst og Indien i syd. Denne store migration hjælper med at forklare spredningen af ​​indoeuropæiske sprog. Og det erstattede markant de lokale jæger-samler-gener i hele Europa med det uudslettelige stempel af steppe-DNA, som det skete i Storbritannien med Bell Beaker-folkets migration til øen.

"Hele dette fænomen med steppeudvidelsen er et fantastisk eksempel på, hvad gammelt DNA kan vise, " siger Reich. Og, tilføjer Cunliffe, "ingen, ikke engang arkæologer i deres vildeste drømme, havde forventet et så højt genetisk steppeindhold i befolkningerne i Nordeuropa i det tredje årtusinde f.v.t.

Dette ældgamle DNA-fund forklarer også det "mærkelige resultat" af en genetisk forbindelse, der var blevet antydet i genomerne hos nutidige europæere og indianere, tilføjer Chicagos Novembre. Linket er beviser fra mennesker, der boede i Sibirien 24, 000 år siden, hvis afslørende DNA findes både hos indianere, og i Yamnaya-steppebefolkningen og deres europæiske efterkommere.

Ny indsigt fra Sydøsteuropa

Reichs anden nye Natur papir, om Sydøsteuropas genomiske historie, afslører en yderligere migration, efterhånden som landbruget spredte sig over hele Europa, baseret på data fra 255 personer, der levede mellem 14, 000 og 2, 500 år siden. Det tilføjer også en fascinerende ny guldklump - det første overbevisende bevis på, at den genetiske blanding af befolkninger i Europa var forudindtaget mod det ene køn.

Jæger-samlergener, der er tilbage i nordeuropæere efter tilstrømningen af ​​migrerende bønder, kom mere fra mænd end kvinder, Reichs hold fundet. "Arkæologiske beviser viser, at da landmændene først spredte sig til det nordlige Europa, de stoppede på en breddegrad, hvor deres afgrøder ikke voksede godt, " siger han. "Som et resultat, der var vedvarende grænser mellem bønderne og jæger-samlerne i et par tusinde år." Dette gav jæger-samlere og bønder lang tid til at interagere. Ifølge Reich, et spekulativt scenarie er, at i løbet af denne lange langvarig interaktion, der var en social eller magtdynamik, hvor landmandskvinder havde en tendens til at blive integreret i jæger-samlersamfund.

Indtil videre er det kun et gæt, men det faktum, at ældgammelt DNA giver ledetråde om de forskellige sociale roller og skæbner for mænd og kvinder i det gamle samfund "er en anden måde, Jeg tror, at disse data er så ekstraordinære, " siger Reich.

Avancerede maskiner

Disse videnskabelige spring fremad er blevet drevet af tre vigtige udviklinger. Den ene er den dramatiske omkostningsreduktion (og hastighedsstigning) i gensekventering muliggjort af avancerede maskiner fra Illumina og andre virksomheder. Den anden er en opdagelse med Ron Pinhasi i spidsen, en arkæolog ved University College Dublin. Hans gruppe viste, at petrobenet, indeholdende det lille indre øre, rummer 100 gange mere DNA end andre gamle menneskelige rester, tilbyder en enorm stigning i mængden af ​​genetisk materiale, der er tilgængeligt til analyse. Den tredje er en metode implementeret af Reich til at læse de genetiske koder for 1,2 millioner omhyggeligt udvalgte variable dele af DNA (kendt som enkeltnukleotidpolymorfismer) i stedet for at skulle sekventere hele genomer. Det fremskynder analysen og reducerer omkostningerne yderligere.

Det nye felt slog til, da Svante Pääbo fra Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, arbejde med Reich og mange andre kolleger, brugt gammelt DNA til at bevise, at neandertalere og mennesker blandede sig. Siden da, antallet af gamle mennesker, hvis DNA Reich har analyseret, er steget eksponentielt. Hans laboratorium har genereret omkring tre fjerdedele af verdens offentliggjorte data og, inkluderet upublicerede data, har nu nået 3, 700 genomer. "Hver gang vi springer en størrelsesorden i antallet af individer, vi kan svare på spørgsmål, som vi ikke engang kunne have stillet før, " siger Reich.

Nu, med hundredtusindvis af gamle skeletter (og deres petroleumsknogler) der stadig skal analyseres, feltet for gammelt DNA er klar til både at fastlægge aktuelle spørgsmål og tackle nye. For eksempel, Reichs team arbejder sammen med Cunliffe og andre for at studere mere end 1, 000 prøver fra Storbritannien for mere præcist at måle udskiftningen af ​​øens eksisterende genpulje med steppe-relaterede DNA fra Bell Beaker-folket. "De beviser, vi har for en udskiftning på 90 procent, er meget, meget tankevækkende, men vi er nødt til at teste det lidt mere for at se, hvor meget af befolkningen før bægeret, der virkelig overlevede, " forklarer Cunliffe.

Udover det, oldgammelt DNA giver løftet om at studere ikke kun vores fjerne forfædres bevægelser, men også udviklingen af ​​egenskaber og modtagelighed for sygdomme. "Dette er et nyt videnskabeligt instrument, ligesom mikroskopet, da det blev opfundet i det syttende århundrede, gør det muligt at studere aspekter af biologi, som simpelthen ikke var mulige at undersøge før, " forklarer Reich. I et eksempel, forskere ved Københavns Universitet fandt DNA fra pest i steppebestandene. Hvis de grupper, der migrerede til Storbritannien efter 4, For 500 år siden førte sygdommen med sig, som kunne være med til at forklare, hvorfor den eksisterende befolkning skrumpede så hurtigt.

Med muligheden for mange sådanne opdagelser endnu forude, "det er en meget spændende tid, " siger Cunliffe. "Gamle DNA kommer til at revitalisere arkæologien på en måde, som de færreste af os kunne have gættet selv for ti år siden."