Epsko potovanje genov ali kaj imajo skupnega sodobni človek, neandertalci in denisovci

Verjamem, da si vsak vsaj enkrat v življenju zastavi prastara vprašanja o svojem obstoju. Kako smo ljudje postali to, kar smo? Od kod izviramo? Kam gremo? Taka vprašanja – zaradi občutka nemoči, ki nam ga povzročajo – pogosto poskušamo tako secirati, da se jih nekako le lahko lotimo, čeprav s tem, ko poskušamo najti odgovore na bolje definirana (pod)vprašanja, velikokrat izgubimo celoto. A tako deluje pridobivanje novih znanstvenih spoznanj.

V znanosti z ustaljenimi metodami analiziramo procese in dogajanja okrog nas in v nas, poskušamo jih razložiti do potankosti, trudimo se povezati trenutna dogajanja s preteklostjo in napovedati, kaj bo sledilo obstoječemu dogajanju. Naloga znanosti je najti odgovore, podprte z znanstveno metodo in eksperimentalnimi dejstvi.

Poskusimo torej na postavljena vprašanja odgovoriti s spoznanji iz biologije, znanosti o življenju, in predvsem njene veje, genetike, ki lahko še najbolje pojasni našo evolucijsko pot.

Srečanje z neandertalci


Prvi misleci, ki so želeli pojasniti izvor in razvoj človeške vrste, so lahko predvsem opazovali živi svet in o njem razmišljali. Na začetku 19. stoletja so v jami pri naselju Engis v Belgiji odkrili prve ostanke fosilnega človeka, ki naj ne bi pripadal vrsti Homo sapiens (umni človek), vendar je bilo odkritje za nekaj časa pozabljeno. Nekaj desetletij kasneje, leta 1856, so bile v jami doline Neander v Nemčiji odkrite nenavadno močne fosilne kosti do tedaj še neznane človeške vrste. Ker so jih našli skupaj s kostmi izumrlih živali, so raziskovalci sklepali, da so kosti najdenega fosilnega človeka zelo stare in je vrsta živela v daljni preteklosti. Odkritje je pripeljalo do živahnih razprav in poimenovanja nove fosilne človeške vrste Homo neanderthalensis.

Sledile so ugotovitve, da so neandertalci uporabljali orodje in izdelovali nakit. Včasih so pokopavali in sežigali svoje mrtve. Bili so fizično močnejši od naših prednikov in morda prav tako pametni. Arheologi so bili v tistem času prepričani, da je vrsta izumrla pred približno 40.000 leti in da je z njenim izumrtjem izginil tudi njen genski sklad.

Preobrat v razumevanju evolucije neandertalcev in posledično tudi sodobnega človeka se je začel pred več kot 60 leti z odkritjem molekule DNK, ki tvori našo dednino, in na njej temelječimi genetskimi raziskavami.

Genetika zapolnjuje vrzeli v razumevanju evolucije človeka


DNK (deoksiribonukleinska kislina) je makromolekula, ki je sestavljena iz dolgih verig štirih podobnih molekul, imenovanih nukleotidi. Različne kombinacije nukleotidov sestavljajo naše gene, ki jih prenašamo na potomce. Analiza DNK nam danes omogoča ugotoviti to, česar nam kosti niso mogle povedati. Genetika, ki proučuje DNK in dedovanje, tako počasi zapolnjuje vrzeli v poznavanju našega izvora.

Razstavljanje živih bitij do njihovih najmanjših sestavnih delov, posameznih genov in molekul, nam je zagotovilo, da smo vsaj nekatere gene spoznali do potankosti. Določene spremembe nukleotidov v genih lahko povežemo z neko lastnostjo ali pojavom bolezni. Pri tem velja opozoriti, da poznamo skoraj vse korake v vzročni verigi razvoja nekaterih bolezni, vendar težko napovemo, kdaj se bo bolezen razvila.

Razpletli smo zelo zapleten mehanizem zapisa DNK, vendar ga moramo sedaj ponovno sestaviti. Povezovanje podatkov v celoto in odstiranje tančice s procesov, ki urejajo žive sisteme, organizme in človeka ter vplivajo na njihove lastnosti in značilnosti, predstavlja enega od največjih izzivov tega stoletja. Gre za izziv pravilnega branja in tolmačenja knjige življenja in celotne naše evolucijske poti.

Pred 30 leti je bila prvič objavljena raziskava o genetskem izvoru sodobnih ljudi. Na podlagi mitohondrijske DNK (ta je shranjena v mitohondrijih, celičnih tovarnah energije, in se deduje samo po materini liniji) so raziskovalci določili izvorno območje človeka. Ugotovili so, da sodobni ljudje izhajamo iz Afrike in da se je naš davni prednik razvil pred 150.000 do 250.000 leti.

Proučevanje recepta življenja


Pred desetletjem je novejša tržno dostopna tehnologija za analizo DNK omogočila proučevanje celotnega človeškega genoma.

Nekateri genomu pravijo recept življenja, nekakšen niz navodil, ki v točno določenem vrstnem redu določa vsa dogajanja v telesu. Človeški genom namreč zajema celotno človekovo DNK, zaporedje treh milijard nukleotidov, ki sestavljajo od 20.000 do 30.000 genov.

V vsakem genu, delu DNK, so nukleotidi urejeni tako, da sestavljajo zapis za izdelavo določene beljakovine. Vsakokrat, ko celica potrebuje posamezno beljakovino, »prebere« ustrezen kemični »zapis« na genu in določi vzorec za gradnjo beljakovine. Naši geni nosijo zapis za približno 100.000 različnih beljakovin človeškega telesa. V telesu ne nastane nobena beljakovina, ki ne bi bila zapisana v genih.

Beljakovine so sestavni del celic in vplivajo na njihovo delovanje. Celice so organizirane v tkiva, tkiva v organe. Vsi organi, skupaj z imunskim, živčnim in hormonskim sistemom, sestavljajo organizem. Organizem kot tak je samo tisto, kar je videti navzven, resnično dogajanje se skriva v notranji zgodbi, zapisani v genih.

Sodobni človek, neandertalci in denisovci


Genetikom inštituta Maxa Plancka v Leipzigu pod vodstvom dr. Svanteja Pääba je leta 2010 uspelo določiti tudi zaporedje celotnega genoma neandertalca, in sicer iz DNK, ki je bila izolirana iz kolagena neandertalske kosti.

Primerjava DNK sodobnega človeka in neandertalca, ki se je začela že leta 2006, je pripeljala do prelomnega odkritja na področju evolucije človeka. Raziskovalci so leta 2010 dokazali genetsko mešanje dveh človeških vrst: evropske (neandertalci) in afriške (iz katere izvira sodobni človek).

Analiza, ki je zajela več kot 1500 ljudi z vsega sveta, je pokazala, da so naši predniki imeli spolne odnose z neandertalci. Skoraj vsak sodobni človek (razen tistih z izključno afriškimi predniki) ima nekaj odstotkov neandertalskih genov v vsaki celici svojega telesa.

Leta 2008 so v Denisovi jami v ruskem delu gorovja Altaj odkrili fosilne ostanke nove, še vedno skrivnostne človeške vrste, ki so jo po jami imenovali Homo denisova, njene predstavnike pa denisovci. Za celostno paleontološko analizo je bilo odkritih premalo kosti, vendar je bilo na najdenem palcu dovolj tkiva za izolacijo in določitev zaporedja DNK.

Genetska analiza drugih najdenih kosti je pokazala, da jame niso naseljevali samo denisovci, ampak – mogoče istočasno – tudi neandertalci in predniki sodobnega človeka. Hkrati so bili razkriti zapleteni socialni odnosi med prebivalci jame, ki naj bi vključevali tudi sporadične inceste. Leta 2010 je nova raziskava zaporedij DNK, izolirane iz palca predstavnice denisovcev, pokazala genetsko mešanje denisovcev in neandertalcev. Lastnica palca je namreč v svojem genetskem zapisu imela veliko neandertalskih genov.
Sklepamo lahko, da so bili neandertalci in denisovci prednikom sodobnega človeka tudi spolno privlačni.

Naši predniki so se po odhodu iz Afrike v daljni preteklosti razmnoževali tako med seboj kot tudi s predstavniki drugih dveh človeških vrst, ki so jih srečevali med selitvijo. Analiza DNK namreč potrjuje, da je genom sodobnega človeka sestavljen iz DNK vseh treh človeških vrst. Sporadični spolni odnosi naj bi segali v obdobje pred približno 100.000 leti, kar je dokaz, da so naši predniki zapustil Afriko veliko prej, kot smo mislili do zdaj.

Vzvode za spolno vedenje naših prednikov raziskovalci še vedno poskušajo razjasniti na osnovi prostorskih, kulturnih in vedenjskih razlik, a sklepamo lahko, da so bili neandertalci in denisovci prednikom sodobnega človeka tudi spolno privlačni. Tako se je od prvega opisa neandertalcev, ki ga je leta 1911 objavil francoski paleontolog Marcellin Boule, naše videnje neandertalca zelo spremenilo. Iz jamskega divjaka se je spremenil v zelo sofisticiranega sorodnika.

Nove različice genov


Ne glede na to, da so bili stiki z drugimi človeškimi vrstami zelo redki, današnja spoznanja kažejo, da so bili za našo evolucijo zelo pomembni. Seksualno obnašanje naših prednikov je pustilo posledice v naši dedni zasnovi in s tem tudi v naših lastnostih, ki izvirajo iz pridobljene dednine. Naši predniki so pridobili nove variacije genov, ti pa so jim pomagali pri hitrejši prilagoditvi na novo okolje.

Sodobni človek je od neandertalcev denimo podedoval moč ter pigmentacijo las in kože. Skupina raziskovalcev pod vodstvom Benjamina Vernota z Univerze v Washingtonu je z objavo študije v prestižni reviji Science (leta 2014) pokazala, da je največ DNK neandertalcev v genih, ki so povezani z našim imunskih sistemom in metabolizmom. Prevzeti geni so omogočili sodobnemu človeku hitrejšo prilagoditev imunskega sistema in s tem uspešnejšo kolonizacijo, saj pri tem ni umiral zaradi bolezni, proti katerim prej ni imel razvite odpornosti.

Marca 2015 je bila objavljena tudi študija o genetskem mešanju prednikov sodobnega človeka in denisovcev; to naj bi se zgodilo kakšnih sto generacij po genetskem mešanju naših prednikov z neandertalci. Znaten delež denisovskih genov v svojem genomu imajo zlasti prebivalci Južne Azije. Predniki današnjih prebivalcev Nove Gvineje so od njih verjetno prevzeli gene za subtilen voh. Redke spremembe nukleotidov na nekaterih genih, ki današnjim domorodnim prebivalcem Tibeta omogočajo boljšo zmožnost adaptacije na visoko nadmorsko višino, so raziskovalci prav tako pripisali mešanju njihovih prednikov z denisovci.

Sodeč po nekaterih raziskavah pa nam prevzeti geni danes lahko tudi škodijo, saj naj bi povzročali večjo občutljivost imunskega sistema na alergene (cvetni prah ali živalske dlake) ter vplivali na hitrejši razvoj alergij. Zelo preseneča tudi povezava neandertalskih genov z odvisnostjo od nikotina, saj vemo, da je prišel tobak v Evropo veliko kasneje. Znanstveniki ob tem poudarjajo, da je spremenjeni gen, ki sedaj vpliva na zasvojenost, v preteklosti imel popolnoma drugo funkcijo.

DNK kot priča evolucije


Zanimiva študija, ki jo je v začetku leta 2015 objavil Pimenoff s sodelavci, kaže, da so bili ljudje po odhodu iz Afrike izpostavljeni sevu humanega papilomavirusa HPV16a, s katerim naj bi bili okuženi neandertalci in denisovci. HPV 16a lahko nemoteno živi v telesu in se širi z nezaščitenim spolnim odnosom. Čez čas lahko pri človeku povzroči raka materničnega vratu, anusa ali grla. Zapisi DNK se skozi zgodovino lahko spreminjajo, če se določeni nukleotidi v zaporedju zamenjajo – te zamenjave imenujemo mutacije.

Ker se mutacije sčasoma kopičijo, je DNK tudi nekakšna priča časa. Z analizo zaporedja različnih sevov HPV so raziskovalci izračunali čas, v katerem je HPV 16a razvil svojo genetsko raznolikost. Primerjava časovne premice evolucije virusa HPV in človeka je pokazala, da se je človek okužil z virusom po odhodu iz Afrike. Študija tako daje nov vpogled v možne vzroke za izumrtje neandertalcev. Kakor so naši predniki od neandertalcev dobili HPV 16a, tako so mogoče neandertalci od naših prednikov prevzeli bolezni, ki so povzročile njihovo izumiranje.
Neandertalski kromosom Y je že dolgo tega izginil iz človeškega genoma.

Človek ima 46 kromosomov, povezanih v 23 homolognih parov; eden od kromosomov v paru prihaja iz materine, drugi iz očetove spolne celice. Zadnji par tvorita spolna kromosoma; pri ženskih osebkih sta to dva kromosoma X (XX), pri moških pa kromosoma X in Y (XY). Kromosom Y, ki ga zarodek podeduje po očetu, določa razvoj moškega zarodka. Pri križanju vrst bi pričakovali, da moški potomci vsebujejo kromosom Y obeh vrst, vendar je neandertalski kromosom Y že dolgo tega izginil iz človeškega genoma.

Mednarodna študija pod vodstvom raziskovalcev z Univerze Stanford opisuje možne razloge za izginotje kromosoma Y. To se je lahko zgodilo naključno ali pa vzrok tiči v nekompatibilnosti med geni na kromosomu Y neandertalca in geni na kromosomu X prednice sodobnega človeka. Geni na kromosomu Y, ki se razlikujejo med neandertalci in nami, večinoma regulirajo imunski sistem.

Vodilni raziskovalec, Fernando Mendez, je dejal, da bi teoretično lahko ženski imunski sistem vplival na moški zarodek, ki je nosil neandertalski imunski kompleks genov na kromosomu Y, zaradi česar se je taka nosečnost končala s splavom. To hipotezo podpira tudi dejstvo, da se zaradi genetske nezdružljivosti tudi pri sodobnem človeku ženski imunski sistem včasih negativno odzove na moške potomce.

Človeška epigenomika


V nasprotju s prepričanjem, da življenje začnemo kot skupek genov, podedovanih in ločenih od staršev, v resnici začetek našega življenja zaznamujejo tudi mehanizmi izražanja genov, ki so jih na nas prenesli starši. Po oploditvi, ko se združita spolni celici, se začnejo naši geni prepisovati in izražati po podedovanem ključu, zapisanem v majhnih molekulah (na primer metilne skupine), ki se vežejo na našo DNK. Te molekule regulirajo »vklapljanje« in »izklapljanje« naših genov oziroma njihovo izražanje in s tem njihov prepis v beljakovine.

Na ta mehanizem posredno vplivamo tudi sami z lastnim načinom življenja, saj je od njega odvisno število in delovanje teh molekul. Te vplive lahko prenesemo na naslednjo generacijo ali dve, pri čemer lahko mati in oče preneseta na potomce škodljive ali koristne lastnosti, ki so posledica izražanja genov. Tovrstne spremembe imenujemo epigenetske spremembe.

Na področju človeške epigenomike, ki proučuje epigenetske spremembe oziroma način izražanja človeške dednine, odkrivamo zanimive in velikokrat nejasne zakonitosti. Epigenomika arhaične DNA je še posebno zahtevna, saj epigenom ni tako dobro ohranjen kot genom. Študija, ki je bila objavljena že leta 2009, kaže, da je štrleči čelni greben pri neandertalcih verjetno fenotipska lastnost, nastala pod vplivom epigenetskih sprememb. Poleg tega lahko epigenetske spremembe osvetlijo vpliv okolja na izumrtje neandertalcev in denisovcev ter preživetje naših prednikov. Pred raziskovalci je torej še veliko zahtevnih izzivov.
Domnevamo, da nam bodo boljše miselne sposobnosti omogočile zmanjšati vpliv tistih elementov v naši naravi, ki povzročajo sebičnost in nasilnost.

Peter Singer, profesor bioetike na Univerzi v Princetonu, ugotavlja, da ljudje pogosto domnevamo, da je posledica evolucije izbor osebkov, ki delujejo samo za svoje interese in interese svojih bližnjih. Odtod bi izhajal sklep, da se bodo v ljudeh razširili geni za te značilnosti. Vendar dr. Singer tudi poudarja, da nas lahko razvoj razuma popelje tudi v drugo, bolj človeško smer. Verjame, da se ljudje skozi zgodovino intelektualno izboljšujemo, zato lahko tudi domnevamo, da nam bodo boljše miselne sposobnosti omogočile zmanjšati vpliv tistih elementov v naši naravi, ki povzročajo sebičnost in nasilnost.

Ali lahko genetska dognanja podprejo tako zahtevno tezo? Ustreznega odgovora za zdaj še nimamo. Vse bolj pa je jasno, da sta genom in epigenom tista zakladnica, ki nam bo omogočila pojasniti epsko potovanje naših prednikov ter ovinke in razpotja, ki so jih ubirali naši geni.

Izr. prof. dr. Elena Bužan, UP FAMNIT




© Poobjava prispevka »Epsko potovanje genov ali kaj imajo skupnega sodobni človek, neandertalci in denisovci« z dovoljenjem uredništva časnika Delo. Avtorica je za ponovno objavo prispevek nekoliko razširila.