В детективных сериалах и фильмах, где криминалисты играют главную роль двигателя сюжета, частенько можно встретить, как по окурку от сигареты или по жвачке, прилепленной к столу, успешно определялся человек, оставивший эти следы. В реальной же жизни из жвачки, побывавшей во рту человека, также можно о нем много узнать. Сегодня мы с вами рассмотрим исследование, в котором ученые из Копенгагенского университета обнаружили во время раскопок «жвачку», возраст которой составляет примерно 5700 лет. Какую информацию о человеке смогли получить ученые из своей находки, о ком еще смогла рассказать древняя жвачка и как данное исследование может повлиять на борьбу с различными заболеваниями в будущем? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Главным героем сего исследования является березовая смола или березовый деготь. Данная коричневато-черная субстанция получается путем варки верхнего слоя коры березы (бересты) в закрытом контейнере. В таких условиях происходит нагревание без доступа кислорода, т.е. сухая перегонка. В процессе нагревания береста преобразуется в деготь.



В древности этот процесс производили в глиняных емкостях на костре. Применялся деготь в те времена обычно для обработки каменных изделий в качестве универсального клея. Первые археологические находки дегтя, применяемого человеком, датируются периодом палеолита.

Логично, что деготь применяли в «промышленности», так сказать. Однако на многих кусочках березовой смолы археологи находили следы зубов. Почему наши предки жевали деготь? Есть несколько теорий, объясняющих это. Во-первых, деготь быстро затвердевает при охлаждении, потому его пережевывание могло быть связано с желанием его разогреть и сделать более мягким для работы. Есть теория, утверждающая, что деготь жевали для снижения болевых ощущений, вызванных заболеваниями ротовой полости, так как деготь считается антисептиком, хоть и очень слабым. Также некоторые исследователи считают, что это были зачатки зубной гигиены, а деготь выступал в роли древней зубной щетки. И самая забавная теория, но оттого не лишенная смысла, это удовольствие. Древние люди могли жевать смолу просто так, т.е. без каких-либо веских на то причин.


Изготовление березовой смолы на практике.

Спекуляций на тему жевания смолы древними людьми достаточно много, а вот исследования, дающие конкретные результаты, особо никто не проводил. Посему ученые из Копенгагенского университета решили проанализировать кусочек пережеванный смолы, найденный во время раскопок на юге Дании (1а). Изучение образца показало, что в нем содержится не только ДНК человека, но и микробная ДНК, которая может больше рассказать о микробиоме ротовой полости. Также были найдены ДНК растений, которые, видимо, были употреблены древним человеком в пищу перед жеванием смолы.

ДНК настолько хорошо сохранились, радуются ученые, что им удалось выделить полный геном человека. Этот незначительный на первый взгляд факт на самом деле является прорывом в археологии и в генетике. Дело в том, что полный геном древнего человека ранее могли получить исключительно из его останков (как правило, костей).

Результаты исследования

Получив «вещественное доказательство» археологи начали его поэтапный анализ для получения максимально полной информации о нашем «подозреваемом», который жевал березовую смолу.


Изображение №1

Радиоуглеродное датирование, которое производится за счет изменения содержания в образце радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода, рассказало, что возраст жвачки составляет от 5858 до 5661 лет (1b). Это говорит о том, что образец относится к периоду раннего неолита. Этот период также именуют «новокаменный век», поскольку изделия из камня стали более сложными, появилась технология шлифования и просверливания отверстий.

Химический анализ с помощью инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием (FTIR) дал спектр, очень похожий на современную березовую смолу. ГХ/МС (газовая хроматография/масс-спектрометрия) выявила наличие тритерпенов бетулина и люпеола, что вполне привычно для образцов, взятых из березы (1c). Дополнительным подтверждением того, что образец березовый, стали выявленные той же ГХ/МС следы дикарбоновых кислот и насыщенных жирных кислот.

Таким образом, ученые выяснили, что образец это березовая смола в возрасте от 5858 до 5661 лет (ранний неолит).

На следующем этапе производилось секвенирование ДНК, во время которого было сгенерировано порядка 360 миллионов последовательностей спаренных оснований ДНК, почти треть из которых может быть однозначно сопоставлена с эталонным геномом человека (hg19).

Последовательностей спаренных оснований ДНК человека показали все признаки, присущие ДНК древних людей: достаточно короткие средние длины фрагментов, частое наличие пуринов* до разрыва нитей и увеличенная частота видимых замен цитозина* (С) на тимин* (Т) на 5'-концах фрагментов ДНК.

Пурин* (C₅N₄H₄) — простейший представитель имидазо[4,5-d]пиримидинов.

Цитозин* (C₄H₅N₃O) — органическое соединение, азотистое основание, производное пиримидина.

Тимин* (C₅H₆N₂O₂) — производное пиримидина, одно из пяти азотистых оснований.

Также было сгенерировано порядка 7.3 Гб данных касательно последовательностей, которые не относятся к человеческим.

В образце было примерно 30% эндогенной ДНК человека. Это сопоставимо с хорошо сохранившимися зубами и костями древних людей.

Исходя из соотношения между последовательностями спаренных оснований, соответствующих хромосомами X и Y, ученые смогли определить пол древнего любителя жвачки — женский.

Дабы предсказать цвет волос, глаз и кожи, были выведены генотипы для сорока одного ОНП*, которые включены в систему HIrisPlex-S.

ОНП* (однонуклеотидный полиморфизм) — отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид в геноме представителей одного вида или между гомологичными участками гомологичных хромосом.

Данный анализ показал, что женщина была темнокожей с темно-коричневыми волосами и голубыми глазами.


Изображение №2

Ученые обнаружили 593102 ОНП в исследуемом геноме, которые ранее были генотипирован в базе данных из >1000 современных людей и >100 ранее опубликованных древних геномов.

На изображении 2а показаны результаты метода главных компонентов. Данный метод уменьшения размерности данных позволил определить, что древняя женщина, чей геном изучается, скорее всего относится к западным охотникам-собирателям (WHG). Сравнение аллелей* современных людей и древней женщины подтвердили ее принадлежность к установленной группе (2b).

Аллели* — разные виды одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных хромосом. Аллели определяют направление развития определенного признака.

Эти результаты подтверждаются еще и qpAdm анализом. Данный анализ показывает, что нельзя отбрасывать простую линейную модель, предполагающую 100% происхождение древней женщины из группы WHG, в угоду более сложной модели (2с).

Чтобы в общих чертах охарактеризовать таксономический состав нечеловеческих последовательностей в образце, был использован MetaPhlan2 — инструмент, специально разработанный для таксономического профилирования коротких последовательностей, полученных методом дробовика*.

Метод дробовика* — метод секвенирования длинных участков ДНК, когда получение случайной массированной выборки клонированных фрагментов ДНК позволяет восстановить исходную последовательность ДНК.

Изображение №3

На «оригами» 3а показаны результаты метода главных компонентов, в котором было проведено сравнение микробного состава изучаемого образца и 689 профилей микробиомов из проекта «Микробиом человека» (HMP). Между данными из образца и HMP данными обнаружилась кластеризация, то есть они были во многом похожи. Это видно и на 3b, где показан микробный состав смолы в сравнении с аналогичным из двух образов почвы (забор был произведен в одном месте) и в сравнении с микробным составом современного человека.

Более детальный анализ микробного состава показал наличие бактерий Neisseria subflava и Rothia mucilaginosa, а также Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia и Treponema denticola. Помимо этого были выявлены следы вируса Эпштейна-Барр.

Также были идентифицированы несколько видов стрептококков, принадлежащих к группе Mitis, в том числе Streptococcus viridans и Streptococcus pneumoniae.


Таблица №1: перечень всех нечеловеческих таксонов, обнаруженных в образце березовой смолы.

Была произведена реконструкция консенсусного генома из последовательностей спаренных оснований S. pneumoniae и оценка числа гетерозиготных участков. Результаты показали наличие нескольких штаммов (изображение №4).


Изображение №4

Чтобы оценить вирулентность штаммов S. pneumoniae, извлеченных из древней смолы, ученые сопоставили контиги (набор перекрывающихся сегментов ДНК) с полной базой данных фактора вирулентности, что позволяет идентифицировать известные гены вирулентности* S.pneumoniae.

Вирулентность* — степень способности штамма заражать изучаемый организм.

Было идентифицировано 26 факторов вирулентности S. pneumoniae в древнем образце, включая капсульные полисахариды (CPS), стрептококковую енолазу (Eno) и пневмококковый поверхностный антиген A (PsaA).

Анализ образца древней смолы также показал наличие в нем следов двух видов растений: березы (Betula pendula) и фундука (Corylus avellana). Кроме того было обнаружено порядка 50000 последовательностей, которые относились к крякве (Anas platyrhynchos, вид уток).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данное исследование можно по праву назвать уникальным, учитывая объем полученной информации. Ранее полный геном древнего человека удавалось восстановить исключительно из его останков (костей и зубов), однако в данном труде ученым удалось получить его из пережеванной березовой смолы.

Они выяснили, что древнюю жвачку возрастом 5700 лет жевала женщина с темной кожей, темно-коричневыми волосами и голубыми глазами. Такое описание внешности лишний раз подтверждает, что более светлая пигментация кожи среди жителей западной части Евразии начала проявляться позже. Кроме того, подобные внешние характеристики сопоставимы с таковыми у представителей западных охотников-собирателей, к которым, предположительно, и относилась женщина, чей геном был получен из образца.

Плюс изучения пережеванной смолы заключается в том, что она позволяет получить информацию касательно микробного состава полости рта древнего человека. Данный анализ показал наличие нескольких видов бактерий (Neisseria subflava, Rothia mucilaginosa, Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia и Treponema denticola). Помимо этого были обнаружены следы вируса Эпштейна-Барр, что не удивительно, учитывая высокую степень распространенности этого вируса среди современных людей (90-95 % взрослого населения являются его носителями).

Также было найдено несколько видов стрептококков из группы Mitis, в том числе Streptococcus viridans и Streptococcus pneumoniae.

Что касается гастрономических предпочтений древней женщины, то по оценке нечеловеческих последовательностей ДНК, которые также не относились к вирусам или бактериям, были найдены следы березы, фундука и уток вида кряква. Можно предположить, что именно эти растения и животные были основой пищи древних людей того периода. Однако есть большая вероятность, что ДНК этих растений и животных попали в смолу, так как древняя женщина употребила их в пищу незадолго до пережевывания смолы. Другими словами, это мог быть единичный случай.

Почему же смола является отличным источником ДНК древнего человека? Все дело в том, что в процессе жевания ДНК «запечатывается» смолой и сохраняется в ней, ввиду асептических и гидрофобных свойств.

В дальнейшем ученые планируют провести анализ других найденных образцов, что поможет еще лучше понять жизнь древних людей. Кроме того, микробный состав древних образцов позволяет понять эволюцию специфических для ротовой полости микробов и некоторых патогенных микроорганизмов.

Как бы то ни было, собрать столько информации о человеке из кусочка пережеванной смолы, которую он выплюнул 5700 лет назад, это невероятное достижение. Для кого-то информация из прошлого, особенно столь далекого, не является важной. Однако, на самом деле, чем больше мы знаем о наших предках, тем больше мы понимаем себя настоящих.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?