Istnieje kilka koncepcji zróżnicowania wewnątrzgatunkowego człowieka: • Koncepcja rasy geograficznej (odmiany),
• Indywidualna typologia rasowa oparta na idei Mendla, • Koncepcja zmienności klinowej,
• Zmienność wewnątrz- i międzypopulacyjna.
Istnieją dwie podstawowe koncepcje rasy. Najstarsza jest koncepcja rasy geograficznej jako zbioru grup ludzkich podobnych do siebie pod względem określonego zestawu cech raso-wych i zamieszkujących wspólne terytorium, mających niekiedy wspólne pochodzenie. Zakła-damy, że wszyscy ludzie żyjący blisko siebie są do siebie podobni. Przykładem jest podział na rasy białą, czarną i żółtą. Na początku XX wieku pojawiła się koncepcja rasy typologicz-nej jako zbioru osobników najbardziej podobnych do siebie pod względem określonego zestawu cech, ale mogących należeć do różnych grup.
Polska Szkoła Antropologiczna założona przez Jana Czekanowskiego zakłada, że dziedzi-czenie alleli odbywa się na zasadzie mendlowskiej, zaś wygląd jest determinowany przez wiele genów dziedziczonych niezależnie. Podstawowymi jednostkami taksonomicznymi4 są:
• odmiana (równoważna rasom geograficznym),
• element antropologiczny (homozygotyczna rasa czysta, dwa takie same allele),
• typ antropologiczny (heterozygotyczni mieszańcy dwóch elementów, dwa różne allele). Za element antropologiczny uznaje się osobnika wzorcowego, określonego szczególną kombinacją cech występującą częściej, niż należałoby tego oczekiwać przy założeniu niezależnego dziedzi-czenia cech. W latach 50. XX wieku, gdy odkryto DNA okazało się, że wygląd nie zależy od pojedynczych alleli, ale od skomplikowanych interakcji pomiędzy różnymi genami. Interakcje te są trudne do opisania.
W przypadku populacji pradziejowych przyjmujemy geograficzną definicję populacji. Nie można bowiem określić, czy geny danej grupy są izolowane ze względu na brak wystarczających danych.
5 Paleogenetyka
5.1 Rodzaje badań paleogenetycznych
Od ok. 1990 roku coraz większą popularność zdobywają badania paleogenetyczne. Metody genetyczne pozwalają określić dawne choroby oraz migracje populacji.
Svante Pääbo w 1985 roku przeprowadził pierwszą analizę starożytnego DNA pochodzącego z mumii. Wydarzenie to jest początkiem paleogenetyki. DNA w martwych organizmach rozpada
się w stałym tempie. Zachowuje się maksymalnie kilkadziesiąt par zasad. Cząsteczki DNA są zjadanie przez bakterie i grzyby kolonizujące kości, związek rozpada się też samoczynnie. W kościach jest mało cząsteczek kwasu deoksyrybonukleinowego i są one mocno zdegradowane. Próbka może łatwo zostać zanieczyszczona współczesnym DNA.
We współczesnych komórkach jest dużo identycznych kopii DNA, w próbkach paleogenetycz-nych cząsteczek jest dużo mniej. Reakcja PCR (łańcuchowa reakcja polimerazy) pozwala szybko duplikować DNA poza organizmem żywym poprzez dodanie do próbówki zasad azoto-wych, reszt cukrowych oraz enzymu – polimerazy. Po podgrzaniu mieszaniny DNA zaczyna się duplikować pod wpływem polimerazy. Do nici dobudowana zostaje nić komplementarna. Po schłodzeniu wiązania wodorowe w podwójnej helisie rozpadają się tworząc dwie identyczne cząsteczki. Po ponownym podgrzaniu do każdej nici znów jest dobudowywana nić komple-mentarna. Po n podgrzaniach i schłodzeniach mieszaniny otrzymujemy 2n nici DNA. W skład cząsteczki DNA wchodzą zasady azotowe – adenina, cytozyna, guanina, tymina. W RNA za-miast tyminy jest uracyl.
Erika Hagelberg i Bryan Sykes w 1989 roku przeprowadzili pierwszą analizę starożytnego DNA pochodzącego z kości ludzkich. Stało się to możliwe dzięki odkryciu reakcji łańcuchowej polimerazy. Dopiero ok. 2000 roku uświadomiono sobie, że ryzyko kontaminacji próbek jest wysokie. Sformułowano procedury, które należy stosować, aby zapobiec kontaminacji. Prze-prowadzenie sekwencjonowania zgodnie z tymi procedurami jest jednak bardzo drogie.
Badania paleogentyczne pozwoliły na stwierdzenie, że ludzie współcześni mają część genów pochodzących od neandertalczyka.
W latach 2000. nastąpił postęp technologiczny w dziedzinie sekwencjonowania genów. Opra-cowano metodę pirosekwencjonowania, która oparta jest na reakcji enzymatycznej prowadzącej do emisji sygnału świetlnego. Jest to jednak metoda bardzo droga, zastosowana właśnie do badania genomu neandertalczyka. Obecnie wiadomo już jak wyglądał jego genom jądrowy.
DNA jądrowe człowieka mieści się w 23 parach chromosomów, w tym w jednej parze chromo-somów płciowych. W chwili podziału DNA jądrowego może dochodzić do powstawania mutacji. Istnieją jednak mechanizmy zapobiegające mutacjom.
Mitochondria to organella komórkowe odpowiedzialne za procesy energetyczne. Znajduje się w nich 4–10 kolistych cząsteczek mitochondrialnego DNA (mtDNA). W przypadku cząsteczek mtDNA nie ma procesów naprawczych, które zapobiegłyby mutacjom w trakcie podziału, a więc ich zmienność jest większa niż DNA jądrowego. Mitochondriów w każdej komórce jest więcej niż jedno, może być ich kilkaset. Zatem kopii mtDNA w każdej komórce jest dużo więcej niż DNA jądrowego.
Mitochondrialne DNA jest dziedziczone tylko w linii żeńskiej, z matki na córkę. W chwili zapłodnienia z plemnika przyjmowane jest tylko jądro, a reszta komórki, w tym mitochondria, jest odrzucana. Mitochondria znajdujące się w zygocie pochodzą zatem tylko z komórki jajowej. DNA mitochondrialne pozwala ustalić dziedziczenie w linii żeńskiej. Analogicznie chromosom Y pozwala ustalić dziedziczenie tylko w linii męskiej.
Paleogenetycy badają zarówno mtDNA, jak i DNA jądrowe. Badane było m.in. dziedzi-czenie genu powodującego mukowiscydozę. Prowadzi się paleogenetyczne badania DNA zwie-rzęcego, aby ustalić kiedy bydło zostało udomowione oraz, czy bydło europejskie pochodzi od bydła bliskowschodniego. Badania te mają na celu zbadanie procesu neolityzacji.
DNA bakteryjne jest badane, by zdiagnozować obecność bakterii chorobotwórczych, które nie powodują śladów chorób widocznych na kościach, w ciałach ludzi zmarłych w przeszłości. Badania DNA bakterii pozwalają zdiagnozować bakterie gruźlicy, dużo trudniej jest rozpoznać
Bada się także zmienność genetyczną ludzi współczesnych, aby określić ślady dawnych mi-gracji, które odbyły się przed wieloma pokoleniami. Przesiedlenia po II wojnie światowej spo-wodowały, że ludność ze wschodu Polski została przesiedlona na ”Zimie Odzyskane“, co dopro-wadziło do powstania ostrej granicy genetycznej na Odrze i Nysie Łużyckiej.
Stan zachowania DNA zależy od amplitud wilgotności i temperatury w środowisku, w któ-rym szczątki się znajdują. Najlepiej zachowują się cząsteczki DNA w szczątkach zamrożonych – mumiach lodowych.
Kontaminacja może nastąpić w czasie wykopalisk lub w laboratorium. Może nastąpić po-przez spadnięcie na szczątki kropli potu zawierającej komórki naskórka archeologa. Analogicz-nie w czasie rozmowy można zaAnalogicz-nieczyścić szczątki komórkami błony śluzowej. Człowiek stale rozsiewa wokół siebie swoje DNA.
Procedura pobierania próbek do badań DNA zakłada, że próbki pobiera tylko jedna osoba ubrana w fartuch ochronny, z zasłoniętymi ustami i włosami, w rękawiczkach. Od tej osoby również pobiera się próbkę DNA i sekwencjonuje się ją, aby upewnić się, że ze szkieletu uzyskano inny wynik niż z próbki od archeologa, a więc nie nastąpiła kontaminacja w trakcie wykopalisk. Próbki od chwili pobrania powinny być przechowywane w lodówce, aby amplitudy tempe-ratur były jak najniższe. Duże amplitudy przyspieszają degradację DNA. Kości znajdujące się w muzeach mają znikome ślady zachowanego DNA.
Kontaminacja może nastąpić w laboratorium od pracowników lub wcześniej badanych pró-bek. W laboratorium miejsce przygotowywania próbek powinno być oddzielone od miejsca analizowania. W trakcie przygotowywania próbki może dojść do kontaminacji najłatwiej. Pro-ces powinien być odizolowany od środowiska, być prowadzony w zamkniętej komorze, podda-wanej oczyszczeniu promieniami UV i środkami chemicznymi pomiędzy analizą poszczególnych próbek.
Przed przystąpieniem do sekwencjonowania powinno się przeprowadzić estymację spodzie-wanej długości sekwencji na podstawie stopnia zachowania DNA. Jeśli uzyskamy dłuższą se-kwencję niż spodziewana, możemy przypuszczać, że nastąpiła kontaminacja. Prowadzi się też ślepe próby, by sprawdzić, czy taka próbka nie ulega kontaminacji. Łatwiej rozstrzygnąć, czy nastąpiła kontaminacja, jeśli prowadzimy sekwencjonowanie DNA zwierzęcego. Kontamina-cja następuje najczęściej DNA ludzkim. Jeśli udało się przeprowadzić sekwencjonowanie DNA zwierzęcego w danym laboratorium, można przypuszczać, że w tym laboratorium można bez-piecznie sekwencjonować także DNA ludzkie.
Badania tego samego DNA należy niezależnie potwierdzać w dwóch różnych laboratoriach paleogenetycznych. Jeśli uzyska się niepodważalne sekwencje DNA można rozpocząć ich inter-pretację poszukując odpowiedzi na różne pytania, np. czy osoby pochowane w jednym grobie są ze sobą spokrewnione, jakie choroby występowały w populacji.
W badaniach paleogenetycznych bada się najczęściej najbardziej zmienne fragmenty DNA – mtDNA i chromosom Y. Jeśli założymy, że jedna mutacja następuje średnio raz w określo-nej jednostce czasu, można ustawić tzw. zegar molekularny. W ten sposób można ustalić, ile czasu upłynęło od rozdzielenia linii filogenetycznych, ewolucyjnych dwóch różnych gatun-ków na podstawie liczby różnic pomiędzy ich genomami. Różnice mogą być substytucjami, insercjami lub delecjami. Można też ustalić czas rozejścia się linii rozwojowych różnych popu-lacji należących do tego samego gatunku, np. możemy ustalić kiedy rozeszły linie rozwojowe Europejczyków i Amerykanów lub ludzi współczesnych i neandertalczyków.
Tempo mutacji jest nieznane i musi być najpierw ustalone na podstawie próbek, których wiek znamy. Koncepcja zegara molekularnego zakłada stałe tempo mutacji. Pozwala wyko-rzystać genetykę do tworzenia i weryfikacji systematyk oraz do wykrywania ruchów ludności w pradziejach. Podstawowymi zastosowaniami zegara molekularnego są:
• ustalenie pochodzenia człowieka i jego związków z innymi naczelnymi,
• ustalenie pochodzenia ludzi współczesnych i ich związków z neandertalczykami, • rozstrzygnięcie kwestii zasiedlenia Ameryki.
Na podstawie zegara molekularnego można tworzyć drzewa filogenetyczne dla różnych gatun-ków. Prowadzenie badań genetycznych pozwoliło przebudować drzewo filogenetyczne rzędu naczelnych. Uznano, że ludzie są najbliżej spokrewnieni z szympansami i gorylami. Można to wywnioskować także na postawie geograficznej dystrybucji tych gatunków.
Pierwsze badania DNA neandertalczyka przeprowadzono około 20 lat temu. Obecnie jego genom został już ustalony. Sekwencja 377 zasad azotowych z genomu neandertalczyka po-równana została z CRS (Cambridge Reference Sequence). Okazało się, że fragment mtDNA neandertalczyka różni się od fragmentu referencyjnego w 27 miejscach – nastąpiły 24 podmiany, 2 transwersje oraz 1 delecja. Zbadany został fragment hiperzmienny mtDNA, czyli taki, gdzie mutacji jest najwięcej.
Sekwencja neandertalska porównana została z 994 sekwencjami ludzi współczesnych. Róż-nica była większa niż współczesne zróżnicowanie wewnątrzgatunkowe – średnia odległość między współczesnymi ludźmi jest mniejsza niż odległość człowieka współczesnego od neandertalczyka. Na postawie badań mtDNA stwierdzono, że ludzie współcześni nie są potomkami neandertal-czyka, choć badania jądrowego DNA wykazały, że istniała możliwość krzyżowania.
Mitochondrialne DNA ulegają szybko dryfowi5, gdyż linia mitochondrialna może łatwo wy-gasnąć, jeśli kobieta nie ma córek. Jednak jej DNA jądrowe wciąż pozostaje w populacji.
Ostatnio podejmowane są próby sekwencjonowania DNA pochodzącego z osadów, a nie ze szkieletów organizmów. Jest to tzw. brudne DNA. Zachowuje się tylko na zamkniętych stanowiskach, w jaskiniach oraz na obszarze wiecznej zmarzliny. Można w ten sposób usta-lić inwentarz zwierzęcy osad średniowiecznych mieszkańców Grenlandii. Badania potwierdziły skład inwentarza zapisany w sagach. Brudne DNA zachowuje się gorzej niż w mumiach, ale jego badania są nadal rozwijane.