Paleogenetyka w archeologii – skomplikowane i niekompletne puzzle

Obecnie archeolodzy prowadząc swoje badania często współpracują z wieloma naukowcami zajmującymi się innymi dyscyplinami naukowymi. Należą do nich m.in. paelogenetycy, których analizy są szczególnie ważne przy badaniu przeszłości gatunku ludzkiego, niejednokrotnie przypominające skomplikowane i niekompletne puzzle.  Paleogenetyka to dyscyplina, która zrewolucjonizowała podejście do historii naturalnej, a w kontekście badań archeologicznych podejście do badań nad społecznościami pradziejowymi. Naukowcy z Wydziału Archeologii Uniwersytetu Warszawskiego od dłuższego czasu ściśle współpracują z dr hab. Mateuszem Bacą. Archeowieści dotarły do niego i przeprowadzili z nim krótki wywiad na temat związku jego dziedziny z archeologią.

Redakcja Archeowiesci.pl (RA): Praca genetyka wydaje się fascynująca! Czy mógłby nam Pan opowiedzieć czym zajmuje się Pan w ramach analiz DNA?

Mateusz Baca (MB): Jestem paleogenetykiem. Na co dzień zajmuje się rekonstrukcją historii populacji zwierząt i ludzi. W swoich badaniach wykorzystuję analizy kopalnego DNA, czyli takiego odczytywanego ze szczątków archeologicznych i paleontologicznych. W Laboratorium Paleogenetyki i Genetyki Konserwatorskiej w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego, w którym pracuję, badamy szereg różnych gatunków. Najwięcej projektów dotyczy małych ssaków takich jak norniki i ich reakcji na zmiany klimatu w przeszłości, ale realizujemy też projekt dotyczący rozprzestrzeniania się udomowionych kotów w Europie czy migracji ludności na terenie współczesnej Polski od epoki brązu do wczesnego średniowiecza. 

RA: W jakich okolicznościach rozpoczęła się Pana współpraca z archeologami? 

MB: Współpracę z archeologami rozpocząłem jeszcze podczas studiów na Wydziale Biologii UW. W połowie lat dwutysięcznych w Zakładzie Genetyki, gdzie wykonywałem pracę licencjacką i magisterską, stawialiśmy pierwsze kroki w analizach DNA ze szczątków archeologicznych. Rozpocząłem wtedy równoległe studia na Wydziale Archeologii, tam poznałem prof. Ziółkowskiego z Ośrodka Badań Prekolumbijskich UW i (wtedy jeszcze) doktora Arkadiusza Sołtysiaka z Katedry Bioarcheologii UW. Uzyskaliśmy od nich do analiz szczątki ludzkie z Ameryki Południowej i z Bliskiego Wschodu, ale nasze pierwsze próby zakończyły się niepowodzeniem. Dopiero około dwa lata później, dzięki optymalizacji procedur ekstrakcji DNA i unikania zanieczyszczeń, udało nam się uzyskać wiarygodne dane genetyczne ze szczątków ludzkich pochodzących z grobowców zbiorowych w Peruwiańskich Andach.

RA: Czy mógłby nam Pan opowiedzieć nieco o analizach, jakie prowadził Pan w projekcie dotyczącym jaskiń Doliny Sąspowskiej?

MB: Wraz z dr Danijelą Popović również z Laboratorium Paleogenetyki i Genetki Konserwatorskiej CeNT UW pobraliśmy do analiz genetycznych fragmenty kości ludzkich, które dr Małgorzata Kot wraz z zespołem odkryła pośród kości zwierzęcych w materiałach z wykopalisk prowadzonych jeszcze przez prof. Chmielewskiego w latach 60, a także w ramach nowych wykopalisk. Analizy tych prób są w toku, ale w ramach pierwszych wyników udało się nam określić płeć osób, do których te szczątki należały. Okazało się też, że w przypadku kilku z nich, DNA zachowane jest na tyle dobrze, że możliwe będą szczegółowe analizy jądrowego DNA, które pozwolą określić ich relacje z innymi populacjami zamieszkującymi obszar dzisiejszej Polski oraz sprawdzić czy i w jakim stopniu oni sami byli ze sobą spokrewnieni. 

Poza szczątkami ludzkimi badamy też szereg gatunków małych ssaków, głownie norników. W przeciwieństwie do szczątków dużych zwierząt, szczątki tych niewielkich gryzoni zwykle bardzo licznie występują w osadach jaskiniowych. Jednym z niespodziewanych wyników badań, które prowadzimy, niezależnym od rekonstrukcji historii populacji tych gryzoni, okazała się możliwość datowania molekularnego badanych okazów a zarazem osadów, z których pochodzą. Małe ssaki, takie jak norniki czy myszy, ze względu na krótki czas generacji oraz bardzo liczne populacje charakteryzują się wysokim tempem ewolucji molekularnej. Innymi słowy zmiany w ich materiale genetycznym akumulują z dużą szybkością. Jeżeli uda nam się ustalić szybkość z jaką proces ten zachodzi, np. porównując sekwencje DNA okazów współczesnych i datowanych radiowęglowo, możemy oszacować wiek innych okazów jedynie na podstawie ich sekwencji DNA. Okazało się, że te szacunki są zaskakująco dokładne, nie dorównują wprawdzie dokładności datowania radiowęglowego, ale są dużo bardziej precyzyjne niż w przypadku podobnych analiz dużych zwierząt jak mamuty czy niedźwiedzie jaskiniowe. Dzięki nim jesteśmy w stanie pomóc archeologom w określaniu wieku poszczególnych warstw na stanowiskach, co może być szczególnie przydatne w przypadku osadów zbyt starych, aby wykorzystać metodę radiowęglową.

RA: Czy podczas pracy w tym projekcie uzyskał Pan jakieś wyniki, które Pana zaskoczyły?

MB: Jedną z ciekawszych prób był paliczek pochodzący z pochówku dziecięcego z Jaskini Tunel Wielki. To z wielu względów unikalny pochówek. Szczątki zostały wydatowane metodą radiowęglową na XVII-XVIII wiek co samo w sobie jest nietypowe, ponieważ praktycznie nie są znane pochówki jaskiniowe z tego okresu. Co więcej, w ustach dziewczynki znaleziono czaszki dwóch ptaków, konkretnie zięb. Także znalezisko było ogromnie tajemnicze. Pomimo, że zwykle kości długie nie są dobrym źródłem DNA, w tym przypadku okazało się, że jest on dość dobrze zachowany i relatywnie mało zanieczyszczony DNA mikroorganizmów, co umożliwiło nam analizę genomu jądrowego. W pierwszej kolejności potwierdziliśmy żeńską płeć pochowanej osoby. W przypadku szczątków młodocianych określenie płci metodami antropologicznymi często jest niepewne, więc w tym przypadku potwierdzenie genetyczne było istotne. Chcieliśmy też dowiedzieć się czegoś o pochodzeniu pochowanej dziewczynki. W tym celu porównaliśmy informację genetyczną uzyskaną ze szczątków dziewczynki ze współczesnymi populacjami. Niestety, takie analizy często nie są jednoznaczne, ale uzyskane przez nas wyniki wskazywały, że profil genetyczny badanej dziewczynki jest trochę bardziej podobny do współczesnych populacji zamieszkujących basen morza Bałtyckiego z Litwy, Estonii czy Finlandii niż do populacji z centralnej Polski. Ze względu na bardzo nietypowe okoliczności pochówku podchwyciliśmy taką możliwość a dr Michał Wojenka znalazł w źródłach informacje o kontyngencie wojsk Fińskich stacjonującym w XVII wieku w pobliżu jaskini Tunel Wielki.

RA: Czy podczas współpracy z archeologami zdarzyło się, że nie zgadzaliście się w interpretacji części uzyskanych wyników?

MB: Myślę, że zawsze największym nieporozumieniem w kontaktach z osobami, które na co dzień nie zajmują się genetyką i nie mówię tu tylko o archeologach i o badaniach szczątków ludzkich, ale też badaniach zwierząt, były oczekiwania, że genetyka odpowie w sposób jednoznaczny na pytania, które ich nurtują. Czy to o relacje pomiędzy badanym osobnikiem czy populacją a innymi archeologicznymi lub współczesnymi populacjami. Niestety ze względu na naturę zmienności genetycznej jak i ograniczenia techniczne nasze badania często dawały tylko bardzo ogólne odpowiedzi. Wynikało to na przykład z tego, że przez kilkanaście lat podstawowym markerem analizach kopalnego DNA był mitochondrialny DNA, który jest markerem o relatywnie niskiej rozdzielczości. Dopiero w ostatniej dekadzie wraz z rozwojem technik sekwencjonowania wysokoprzepustowego stopniowo upowszechniały się analizy genomów jądrowych dzięki którym jesteśmy w stanie dużo dokładniej określać pochodzenie osób i relacje między nimi.

RA: Jak wygląda praca z kopalnym DNA?

MB: Praktycznie od początku mojej kariery naukowej badam kopalny DNA ze szczątków ludzkich. Praca z takim materiałem wymaga szczególnych środków ostrożności. W kościach zarówno ludzkich jak i zwierzęcych DNA zachowuje się w homeopatycznych ilościach, jest silnie pofragmentowane i zmodyfikowane chemicznie. Taki materiał bardzo łatwo zanieczyścić współczesnym DNA pochodzącym od badacza czy z późniejszych etapów analiz w której namnażamy to DNA do ilości umożliwiających sekwencjonowanie. Z tego względu praca w laboratorium kopalnego DNA wygląda podobnie do pokazywanych często w okresie pandemii laboratoriów badające koronawirusa. Na co dzień pracujemy w pełnych kombinezonach ochronnych, w maskach i ochraniaczach a w laboratorium obowiązuje specjalna organizacja pracy. Z tym, że w tym przypadku te obostrzenia nie mają chronić nas przed drobnoustrojami a badane przez nas materiały przed nami samymi.

Mateusz Baca – adiunkt w Laboratorium Paleogenetyki i Genetyki Konserwatorskiej w CeNT UW. Od prawie 20 lat związany z Uniwersytetem Warszawskim, gdzie ukończył studia i w 2015 obronił doktorat. Wykorzystuje analizy kopalnego DNA do rekonstrukcji historii populacji zwierząt i ludzi. Badał relacje rodzinne osób pochowanych w andyjskich grobowcach i strukturę populacji prekolumbijskich. W ostatnich latach koncentruje się na badaniu wpływu klimatu na populacje małych ssaków w okresie ostatniego zlodowacenia. 

ORCiD

Google Scholar

 

Artykuł ten można bezpłatnie przedrukować, ze zdjęciami, z podaniem źródła

 

Tekst powstał w ramach dofinansowania IDUB, projektu “From caves to public: A series of popular science articles published on the archeowieści.pl blog, showing a multidisciplinary approach in archaeology, based on the results of our researches in the Ojców Jura.” Badania jaskiń Doliny Sąspowskiej były finansowane przez Narodowe Centrum nauki w ramach projektu SONATA BIS 2016/22/E/HS3/00486.