Скільки живе ДНК, або чому "Парк Юрського періоду"

Відтоді, як у 1984 році вчені вперше успішно виділили дві ділянки ДНК зі зразка кваги – виду, схожого на зебру, що вимер у XIX столітті, – стародавня ДНК стала неоціненним інструментом для вивчення минулого Землі. За останні чотири десятиліття технології досягли неймовірного прогресу, дозволяючи послідовно секвенувати дедалі давніші генетичні матеріали. Сьогоднішній рекорд належить екосистемі Гренландії, чиї залишки зберігали ДНК протягом 2,4 мільйона років. Проте, питання про те, як довго ДНК може зберігатися в теорії та на практиці, досі залишається однією з найцікавіших загадок для науковців, адже її збереження залежить від величезної кількості чинників навколишнього середовища.

“Парк Юрського періоду”: міф чи реальність?

“Цей термін виявився коротшим, ніж вважали на початку 90-х, але довшим, ніж передбачали на початку 2000-х”, — пояснює Том Ґілберт, директор Данського національного дослідницького фонду Центру еволюційної гологеноміки. Він додає, що саме ранні 90-ті були епохою “Парку Юрського періоду”, що справило значний вплив на публічне сприйняття можливостей стародавньої ДНК. Науково-фантастичний роман Майкла Крайтона 1990 року, в якому мільярдер-засновник біоінженерної фірми видобуває ДНК динозаврів із комах, що скам’яніли в бурштині, та воскрешає кілька вимерлих видів, став для цілого покоління, зокрема й для багатьох майбутніх учених, точкою входу у світ стародавньої генетики.

Проте реальність виявилася дещо іншою. “Люди почали шукати ДНК у крейдяних скам’янілостях” організмів, що жили від 145 до 66 мільйонів років тому, – у часи, коли динозаври панували на Землі, – розповідає Ґілберт. Однак, виявилося, що знайдена ДНК належала бактеріям і не була такою вже й стародавньою.

У 2012 році Том Ґілберт став співавтором дослідження, яке використало статистичне моделювання для визначення “періоду напіврозпаду” ДНК у кістках, а також для перевірки заяв про надзвичайну живучість ДНК у зразках крейдяного періоду. Його команда проаналізувала мітохондріальну ДНК із 158 кісток вимерлих новозеландських птахів моа – великих безкрилих птахів, які колись мешкали на Новій Зеландії і вимерли у XIV-XV століттях. За допомогою радіовуглецевого датування кісток та аналізу розпаду ДНК з часом, вчені виявили, що “період напіврозпаду” ДНК, тобто час, за який розпадається половина її зв’язків у зразку, становить приблизно 521 рік. Ця модель передбачила, що за ідеальних умов ДНК може зберігатися близько 6,8 мільйона років – значно менше, ніж потрібно для реалізації “Парку Юрського періоду”.

Ідеальні умови для генетичних відбитків минулого

“Найкращі умови для збереження стародавньої ДНК – це холод, темрява, сухість і недавнє походження”, – зазначає Дженніфер Рафф, біологічний антрополог з Канзаського університету. – Саме в умовах вічної мерзлоти зазвичай можна знайти найкращу ДНК”. Це пояснює, чому найдавніша ДНК була знайдена в осадових породах Гренландії віком 2,4 мільйона років, а найдавніший секвенований геном – від мамута, що жив 1,2 мільйона років тому – був виявлений у Сибіру.

Вічна мерзлота Сибіру створює унікальне середовище, що консервує біологічні матеріали, тоді як Гренландія, найбільший острів світу, покритий масивним крижаним щитом, що забезпечує стабільні низькі температури та захист від руйнівних чинників. Ці регіони є природними сховищами генетичної інформації минулих епох.

Виклики у вивченні людської еволюції

Однак, коли мова заходить про ДНК людини та її найближчих родичів, ситуація ускладнюється. Люди еволюціонували переважно в географічних регіонах, де клімат жаркий та вологий, що надзвичайно несприятливо для збереження ДНК. Це обмежує наші можливості дізнатися більше про наших далеких предків та споріднені види через їхні генетичні матеріали.

ДНК неандертальців, наших найближчих вимерлих родичів, що населяли Європу та частини Азії, була вперше виділена у 1997 році зі знахідки 40 000-річного неандертальця, виявленого ще у 1856 році в печері Кляйне Фельдгофер у Німеччині. Найдавніша ж ДНК родича людини була знайдена в Іспанії, у підземній печері Сіма-де-лос-Уесос (дослівно “Яма кісток”) в горах Атапуерка. У 2022 році дослідники секвенували ДНК зі стегнової кістки гомініда, що жив 400 000 років тому, припускаючи, що ця група могла бути предком як неандертальців, так і денисовців – іншого виду архаїчних людей.

Щодо Африки, де еволюція людини тривала мільйони років, стародавня ДНК наразі вкрай рідкісна. Через природні умови збереження, найдавніша ДНК сучасних Homo sapiens з Африки на південь від Сахари нараховує лише 20 000 років. Це означає, що вчені обмежені у своїх дослідженнях генетики наших найперших пращурів.

Майбутні перспективи та межі можливостей

Хоча видобуток ДНК від австралопітеків, групи гомінідів, що існували в Африці близько 4,5-1,2 мільйона років тому, здається малоймовірним, адже їхні рештки знайдені в регіонах з несприятливими умовами для збереження генетичного матеріалу, науковці не втрачають надії. До австралопітеків належить і знаменита Люсі, скелет якої був знайдений в Ефіопії і є однією з найважливіших знахідок для вивчення походження людини.

Проте Дженніфер Рафф налаштована оптимістичніше щодо Homo erectus, виду гомінідів, що жив приблизно 1,9 мільйона – 117 тисяч років тому і був одним із перших, хто покинув Африку. “Я набагато оптимістичніша щодо Homo erectus”, – говорить Рафф. – “Ви маєте Homo erectus у місцях, де можна було б собі уявити хороше збереження ДНК”, зокрема у Грузії та Китаї.

Крім ідеальних умов збереження, існує ще один важливий аспект, наголошує Ґілберт: чи є збережена ДНК “значущою”. “Існує мінімальна довжина послідовності ДНК, яку ви можете унікально ідентифікувати”, – пояснює Ґілберт, використовуючи аналогію з книгою: “Якщо ви розділите книгу на розділи, ви зможете її ідентифікувати. Якщо розділите на слова, це набагато важче. Якщо розділите на літери, це неможливо”.

Попри те, що 2,4 мільйона років є поточним рекордом для найдавнішої значущої секвенованої ДНК, Ґілберт вважає, що в майбутньому може бути знайдено й старішу ДНК, можливо, під антарктичними крижаними щитами, де суворі, але стабільні умови можуть створити ідеальні умови для збереження. “Чесно кажучи, якби мене запитали у 2003 році, як довго може зберігатися ДНК, абсолютна мудрість усіх обізнаних людей була б 100 000 років”, – згадує Ґілберт. “Отже, ми вже помиляємося на коефіцієнт 20”. Ця непередбачуваність і постійне розширення меж можливого роблять дослідження стародавньої ДНК однією з найдинамічніших та найзахопливіших галузей сучасної науки.