שיטה חדשה לזיהוי שרידי עצם מאובנים עוזרת לענות על השאלות החשובות מתי, איפה ואיך מינים אנושיים קדומים באו זה עם זה במגע

בקיצור

  • במהלך תקופת האבן התיכונה והמאוחרת, הומו ספיינס התפשט מאפריקה לאירואסיה. עקב כך, קבוצות בני אדם קדומות שחיו שם לפניהם, ביניהן הניאנדרטלים והדניסובים, נעלמו.
  • חוקרים להוטים להבין את טבע היחסים בין הקבוצות הללו והיקפם לאורך שלב המעבר הזה. אך רבים מהאתרים הארכיאולוגיים מהתקופה הזאת אינם מכילים מאובנים שאפשר לשייך למין זה או אחר על פי האנטומיה שלהם.
  • שילוב של שיטות מאפשר כעת למדענים לסרוק כמויות גדולות של רסיסי עצם בלתי מזוהים ולזהות בתוכם שרידים אנושיים שאפשר לתארך ולרצף גנטית. השיטה סיפקה כבר תובנות על קשרי הגומלין שהתקיימו בין מיני האדם.

תחושת הקלה מתעוררת בנו תמיד כשאנחנו מגיעים למערת דניסובה בדרום סיביר. בתום 11 שעות של נסיעה מקרטעת דרום-מזרחה מנובוסיבירסק, מעבר לערבה האירואסייאתית ומורדות הרי אלטאי (Altai), המחנה צץ פתאום מאחורי הסיבוב בכביש העפר, וכל המחשבות על המסע הארוך מתפוגגות. עמקים עמוקים, נהרות שוצפים ובתי העץ המסורתיים של תושבי האלטאי שולטים בנוף; עיטים זהובים דואים מעל. במרחק של כמה מאות מטרים משם, מערת אבן הסיד עצמה, המתנשאת גבוה מעל לנהר אַנוּי, מזמינה אותנו אליה, עם הבטחה לאחד מהמחקרים המרגשים ביותר שמתקיימים כיום ביחס למוצא האדם.

מערת דניסובה נמצאת בליבה של מהפכה בהבנת האופן שבו אבותינו הקדמונים בעידן הפליאוליתי, או תקופת האבן הקדומה, התנהגו ויצרו קשרים זה עם זה. המין שלנו, הומו ספיינס, הגיע במקור מאפריקה לפני מאות אלפי שנים. כשהתחיל להתפשט לאירופה ואסיה הוא נתקל במיני אדם אחרים, כמו הניאנדרטלים, וחלק איתם את כדור הארץ במשך אלפי שנים לפני שהמינים הקדומים האלה נעלמו.

מדענים יודעים שהקבוצות הללו נפגשו כי בני אדם בימינו נושאים DNA שהגיע מקרובי המשפחה הנכחדים שלנו – תולדה של הכלאות בין הומו ספיינס מוקדמים לפרטים מהקבוצות אחרות. עדיין איננו יודעים, ואנחנו להוטים לברר, מתי ואיפה הצטלבו דרכיהם, באיזו תדירות נוצרו ביניהם זיווגים ואיך הם השפיעו אלה על אלה מבחינה תרבותית.

יש למעשה לא מעט אתרים ארכיאולוגיים חשובים מתקופת המעבר הזאת שמכילים כלי אבן וחפצים עתיקים. אך ברבים מהאתרים הללו, כולל דניסובה, אין מאובנים אנושיים במצב שמור מספיק שיאפשר לשייך אותם למין מסוים על בסיס תכונותיהם הפיזיות. המחסור הזה הגביל את יכולתנו לקבוע איזה מין יצר מה ומתי.

טכניקה לזיהוי רסיסי עצם עתיקים, שנקראת זוּארכיאולוגיה בשיטת ספקטרומטריית מסה (Zooarchaeology by Mass Spectrometry), או ZooMS בקיצור, מאפשרת כעת לחוקרים להתחיל לענות סוף סוף על השאלות הללו. בחינת חלבון הקולגן שנשמר ברסיסי המאובנים הסתומים לכאורה הללו, מאפשרת לנו לזהות את הרסיסים שהגיעו ממשפחת בני האדם וקופי האדם, ואז לנסות להפיק DNA מהדגימות האלה. כך אפשר לזהות את המין שממנו בא הרסיס – האם מדובר בניאנדרטל, הומו ספיינס או משהו אחר. מעבר לכך אנחנו יכולים לבצע בדיקות שיקבעו את גיל הרסיסים.

תארוך ישיר של מאובנים הוא תהליך הרסני שמחייב להקריב חלק מהעצם בשביל הבדיקה. לכן אוצרי מוזיאונים אינם ששים בדרך כלל למסור עצמות שלמות לבדיקות הללו. אבל אין להם בעיה דומה עם הרסיסים.

רסיס עצם ממערת דניסובה שזוהה באמצעות ZooMS | צילומים: כריסטופר רודקוויסט

היכולת לתארך ישירות מאובנים שנמצאו קשורים לממצאים ארכיאולוגיים מרגשת במיוחד כשמדובר בדניסובה ואתרים דומים שידוע לנו כי בעבר ישבו בהם יחד כמה מינים אנושיים. חוקרים לא מעטים טענו כי ממצאים ארכיאולוגיים סמליים וקישוטיים, שמעידים על כישורי חשיבה מודרניים, מייחדים רק את ההומו ספיינס. אחרים טוענים כי גם ניאנדרטלים ומינים אחרים יצרו חפצים כאלה, וייתכן שאף העבירו חלק מהמסורות שלהם הלאה להומו ספיינס שפגשו. משמעות היכולת לזהות ולתארך את רסיסי המאובנים הללו היא שחוקרים יכולים להתחיל לשחזר מחדש את הכרונולוגיה של האתרים הללו בפירוט רב יותר משמעותית ולשפוך אור על תקופה הרת גורל בפרה-ההיסטוריה של המין האנושי.

משימה בלתי אפשרית

ארכיאולוגים רוסים חופרים במערת דניסובה מאז שנות ה-80. אך מה שהציב את האתר על המפה הייתה הודעה שפורסמה בשנת 2010. מדענים ממכון מקס פלנק לאנתרופולוגיה אבולוציונית בלייפציג שבגרמניה דיווחו אז על תוצאות הבדיקות הגנטיות שעשו על עצם שנמצאה בדניסובה שנתיים קודם לכן. ה-DNA שהפיקו מהמאובן – רסיס עצם מאצבע – חשפה הומינין, כלומר חבר במשפחת מיני האדם, שלא היה מוכר קודם, ושקרבתו לניאנדרטלים דומה לשלנו.

האצבע הייתה שייכת לילדה צעירה, שכונתה בהתחלה "אישה X", שהשתייכה לקבוצת אנשים שהמדענים מכנים כיום האדם הדניסובי. מאז ועד היום נמצאו בין השרידים עוד כמה עצמות ושיניים של הומינינים השייכים לדניסובים ולניאנדרטלים.

הגילויים הללו בדניסובה ממחישים את המידע המשמעותי שאפשר למצות ממאובנים בשיטות גנטיות מודרניות, שמספרות לנו לא רק על נוכחותו של מין שטרם היה מוכר לנו אלא גם על יחסי הגומלין שלו עם המין שלנו. ניתוח גנטי מלמד אותנו למשל שהניאנדרטלים ובני האדם המודרניים זווגו יחד שלוש פעמים לפחות במאה אלף השנים האחרונות ושהניאנדרטלים והדניסובים, בדומה לבני האדם המודרנים והדניסובים, זווגו גם הם. בעקבות זאת, התפיסה ששלטה במשך שנים, שלפיה הומו ספיינס יצאו מאפריקה ומחקו לגמרי את האוכלוסיות הקדומות הללו, השתנתה כהרף עין לתמונה מורכבת יותר שכוללת רבייה בין-מינית וזרימה גנטית בין קבוצתית – מודל של "החלפה הדרגתית" להסבר מוצאם של בני האדם המודרניים. עם זאת, רוב המאובנים בדניסובה חלקיים מדי וקשה לקבוע אילו מהם עשויים להשתייך למין אנושי, וקשה מאוד לתארך את האתר.

אנחנו נכנסנו לפרוייקט דניסובה לפני שש שנים בזכות התמחותנו בכרונולוגיה, ובמיוחד השימוש בתארוך פחמן רדיואקטיבי לקביעת טווחי זמן לאתרים ארכיאולוגיים. התארוך הזה חשוב במיוחד כשעוסקים בחומרים מהתקופה הפליאוליתית התיכונה (לפני 40-250 אלף שנה) והמאוחרת (10-40 אלף שנה), היות שלעתים קרובות אין באתרים עצמם סוגי כלים ייחודיים שמזוהים עם תקופות מוגדרות היטב. אנו מנסים למצוא כרונולוגיה ברורה לדניסובה ולאתרים פליאוליתיים אחרים באירואסיה.

מדענים בוחנים משקעים ארכיאולוגיים במערת דניסובה | צילום: סרגיי זלינסקי, המוסד לארכיאולוגיה ואתנוגרפיה של האקדמיה הרוסית למדעים

ב-2014, במהלך ישיבת צוות בדניסובה, הגינו שנינו את הרעיון שחשבנו שיעזור לנו לעצב תמונה ברורה יותר של הקשרים שהתקיימו בין מיני האדם הניאנדרטלים והדניסובים. דבר אחד שבלט לעין בדניסובה הוא שכל שרידי ההומינינים שנותרו היו זעירים, בין שלושה סנטימטרים לחמישה. עצם האצבע של אישה X, למשל, הייתה בערך בגודל של אפון ושקלה פחות מ-40 מיליגרם.

חלק ניכר מחומרי העצם שבאתר היו שבורים, בעיקר בגלל פעילות של טורפים כמו צבועים, שמשתמשים במערות להמלטה ולועסים עצמות בזמן האכילה. מאז 2008 נחפרו יותר מ־135 אלף עצמות בדניסובה, אבל 95 אחוז מהשברים אי אפשר לזהות ולמיין כיוון שהיו מרוסקים מדי. בניגוד לכך, שימור המולקולות ברסיסים הללו – כולל אלה שמהן מורכב ה-DNA – היה משובח: שני הגנומים (הצופן הגנטי המלא של יצור) ההומיניניים השלמים ביותר שנמצאו אי פעם מגיעים ממאובני דניסובה.

כאן תהינו: מה יהיה אם נוכל לסנן את אלפי רסיסי העצמות הללו באתר על מנת למצוא עצמות אדם נוספות? אילו יכולנו לעשות זאת, ייתכן שנוכל ליצור מידע גנטי וכרונומטרי נוסף, או אפילו למצוא סוג חדש של הומינין מתחבא במערה. ואז הבנו שאולי נוכל לעשות סינון כזה באמצעות שיטת ZooMS.

ZooMS, שנקראת גם "טביעת אצבע של מסת פפטידי קולגן" (Collagen peptide mass fingerprinting), מאפשרת לחוקרים לשייך רסיסי עצם לקבוצה הטקסונומית המתאימה על ידי בחינת החלבונים שנמצאים בעצם. חלבון הקולגן בעצם מורכב ממאות תרכובות קטנות שנקראות פפטידים, והן משתנות מעט מבעל חיים אחד למשנהו. השוואה של חתימות הפפטידים בכל עצם מסתורית מול ספרייה של חותמות כאלו שנאספו מבעלי חיים מוכרים, מאפשרת לשייך את העצמות הבלתי מזוהות למשפחה, לסוג ולעיתים גם למין המתאים.

את השיטה פיתחו מייקל באקלי (Buckly) מאוניברסיטת מנצ'סטר ומת'יו קולינס (Collins) מאוניברסיטת יורק, והיא נמצאת בשימוש יותר מ עשור לצורך זיהוי עצמות של בעלי חיים באתרים ארכיאולוגיים. השיטה זולה יחסית ועולה 10-5 דולר לדגימה, והיא הרסנית במידה מזערית בלבד – מספיקים 20-10 מיליגרם של עצם לביצוע הבדיקה. היא גם מהירה – אדם יחיד יכול לסנן מאות עצמות בשבוע.

למיטב ידיעתנו, איש לא השתמש עד כה ב-ZooMS לחיפוש עצמות אדם. אבל חשבנו שיש לנו סיכוי להצליח. אפילו רסיסים קטנים יכולים להועיל, נימקנו, היות שרמת שימור הקולגן בעצם וה-DNA בדניסובה היא גבוהה מאוד, בזכות הטמפרטורה היציבה והנמוכה מאוד מתחת לאפס מעלות צלזיוס.

איור: Science Photo Library

ידענו שלא נוכל לקבל עם ZooMS זיהוי מדויק עד רמת המין האנושי הספציפי: חתימות חלבון הקולגן של מיני האדם וקופי האדם דומים מדי ואי אפשר להפריד ביניהם באמצעותן. אבל לא ידוע על קופי אדם ששהו בחלק הזה של העולם בתקופה הפליאוליתית. כך שאם נוכל לזהות שחתיכת עצם כלשהי שייכת לפרט בקבוצה הכוללת את קופי האדם ואת בני האדם, הידועים יחד כהומינידים, נוכל לדעת בסבירות גבוהה שהיא שייכת לאדם מסוג מסוים ולהפעיל עליה בדיקות גנטיות שיאפשרו לזהות באיזה מין מדובר.

סוונטה פאאבו (Pääbo), מומחה ל-DNA קדמוני ממכון מקס פלנק לאנרופולוגיה אבולוציונית, שמוביל את פרויקט הגנום הניאנדרטלי וקבוצתו פרסמה את הגנום הדניסובי בשנת 2010, הגיע לדניסובה לישיבה ההיא ב-2014. לא פגשנו עד אז את פאאבו באופן רשמי לפני כן, והיינו להוטים לראות מה יחשוב על הרעיון שלנו לסינון רסיסי עצם ואם ירצה לשתף פעולה במאמץ הזה. הוא קפץ על המציאה ונתן את תמיכתו המיידית.

לאחר מכן פרסנו את התוכנית שלנו בפני אנטולי דרביאנקו (Derevianko) מהאקדמיה הרוסית למדעים, שמפקח על העבודה בדניסובה, ומנהל החפירות מיכאל שונקוב (Shunkov). שניהם הביעו עניין. ועל כן בהמשך השנה התחלנו בתהליך הדגימה של כמה אלפי רסיסים קטנים, שלכל צורך ועניין נחשבו עצמות "חסרות ערך", שנחפרו לאחרונה באתר.

של מי העצם הזאת בכלל?
באמצעות ZooMS, חוקרים יכולים לסווג רסיסי עצמות לקבוצה הטקסונומית הנכונה. ZooMS בוחנת את חלבון הקולגן שנשמר בעצם. אנזים חותך את הקולגן לשרשראות הפפטידים שמהן הוא מורכב. מכשיר ספקטרומטריית מסה משתמש בלייזר כדי להעביר מטען חשמלי לפפטידים, שמואצים לעבר גלאי שמודד מתי כל פפטיד פוגע בו. טווח הערכים המתקבל הוא "טביעת אצבע" ייחודית, שאפשר להשוות לספריית טביעות אצבע קולגניות של מינים ידועים, וכך לזהות עצם לא מזוהה.

בסיכומו של דבר, ציפינו שהעבודה תהיה מהירה. בפועל נתקלנו במטלה המפרכת של הסרת דגימה קטנטנה של עצם מכל רסיס לבדיקה, תוך נקיטת אמצעי זהירות כדי לא לגעת בדגימות בעלות ערך פוטנציאלי במשהו שעלול לזהם אותן. אחת הסטודנטיות שלנו, סמנתה בראון, שבחרה בפרויקט הזה לעבודת המאסטר שלה, עשתה חלק ניכר מהעבודה, ובילתה שעות רבות מספור במעבדה שלנו באוניברסיטת אוקספורד.

באקלי משתף איתנו פעולה במיזם הזה. ברגע שצברנו 800-700 דגימות עצם מוכנות, בראון הלכה למעבדה שלו על מנת להכין אותן ולנתח אותן. התוצאות היו מעניינות: היו שם ממותות, צבועים, סוסים, איילים, קרנפים צמריריים – ייצוג מלא של חיות עידן הקרח. אך למרבה הצער אף אחת מחתימות החלבונים לא התאימה להומינידים. למרות האכזבה החלטנו לנסות קבוצה שנייה בתקווה להצליח לזהות לפחות עצם אנושית אחת מכל הרסיסים. אף שלא חשבנו שהסיכויים שלנו גבוהים, קיווינו להתבדות.

ערב אחד בקיץ 2015 קיבלנו דוא"ל מבאקלי. הוא זיהה באחת הדגימות שלנו, DC1227, את החלבון האופייני להומינידים. היה בידינו רסיס עצם אנושית – המחט המפורסמת בערימת השחת! היינו מאושרים. הרעיון המשוגע שלנו הצליח למרות הכול.

למחרת בבוקר מוקדם הלכנו למעבדה שלנו באוקספורד כדי לאתר את העצם בין הדגימות שבארכיון. התאכזבנו לגלות שהעצם שמצאנו הייתה זעירה אפילו יותר מרוב הדגימות מדניסובה – אורכה היה 25 מילימטר בלבד – מה שלא השאיר הרבה לבדיקות נוספות. אך בזכות השימור הביומולקולרי הראוי לציון של השרידים הדניסוביים האמנו שזה יספיק על מנת לאפשר לנו להפעיל את הטכנולוגיות שרצינו להשתמש בהן כדי לגלות כמה שיותר על העצם. צילמנו אותה ברזולוציה גבוהה, הנחנו אותה בסורק טומוגרפיה ממוחשבת (CT) וקדחנו דגימות נוספות לבדיקת תארוך ואיזוטופים לפני שבראון לקחה את העצם ללייפציג לבדיקת DNA במעבדה של פאאבו.

מימין: חיתוך דגימה זעירה לבדיקת ZooMS; משמאל: איסוף דגימות אחרות לתארוך רדיואקטיבי

כמה שבועות לאחר מכן תוצאות התארוך חזרו. היעדרו של פחמן רדיואקטיבי ניתן לזיהוי בדגימה העיד שהעצם הקטנה שלנו בת יותר מ-50 אלף שנה. ועד מהרה למדנו מפאאבו שה-DNA המיטוכונדרי של העצם – שנמצא באברונים מייצרי האנרגיה של התאים ומועבר מאם לילדיה – מעיד שהעצם הגיעה מפרט שאימו ניאנדרטלית. מצאנו רסיס עצם של הומינין שהתחבאה בין אלפי עצמות "מיותרות", והוכחנו שהשיטה הזאת יכולה לעבוד.

הקבוצה של פאאבו תכננה למצות את הגנום הגרעיני, שמכיל הרבה יותר מידע, מהעצם, שכעת קיבלה שם שמייצג את האתר שבו נמצאה, "דניסובה 11", או "דני", כפי שכינינו אותה. בינתיים החלטנו לבחון את השיטה שלנו באתר נוסף.

אנחנו והם

מערת וינדיה (Vindija) בקרואטיה היא אתר מרכזי להבנת הניאנדרטלים המאוחרים באירופה. במשך שנים רבות, תארוך פחמן רדיואקטיבי העיד שייתכן כי הניאנדרטלים שרדו שם עד לפני 30 אלף שנה, ראיה לאפשרות של חיים לצד בני אדם בעלי אנטומיה מודרנית שהגיעו לאזור הזה לפני 42-45 אלף שנה. דו-קיום ממושך כל כך מרמז שהניאנדרטלים לא נדחפו להכחדה בידי בני האדם המודרניים, אלא נטמעו בתוכם.

בשעה שבחנו מחדש את הכרונולוגיה של וינדיה, עלה בדעתנו שיהיה מעניין להשתמש ב-ZooMS לבחינת העצמות הבלתי מזוהות מהאתר. בדיקה קודמת של העצמות השלמות יותר מווינדיה הראתה שרוב השרידים היו של דובי מערות, שכללו 80 אחוז מהעצמות, כך שלא ציפינו למצוא מגוון בעלי חיים דומה לזה שזיהינו בדניסובה. קארה קוביאק (Kubiak), שהייתה אז סטודנטית שלנו, לקחה את הפרויקט על עצמה.

באופן מפתיע, הדגימה ה-28 מתוך 383 הדגימות שבחנו הפיקה רצף חלבוני שמתאים להומונידים. מאוחר יותר, קבוצתו של פאאבו אישרה שמבחינה גנטית מדובר בניאנדרטל. אורך העצם היה כשבעה סנטימטרים, ומעניין לציין שנראו עליה סימני חיתוך ושינויים אחרים מעשה ידי אדם. עצמות ניאנדרטלים נושאות לפעמים סימנים כאלה, שעשויים בהחלט להעיד על טֶבַח וקניבליזם.

הדגימה, שנקראת Vi-*28, הוכיחה חשיבות רבה למלאכת התארוך שלנו. במשך הזמן ארכיאולוגים ומשמרים טיפלו בעצמות מווינדיה בחומרי שימור כדי להגן עליהם. טיפול כזה מקשה מאוד על תארוך באמצעות פחמן רדיואקטיבי, כי החומרים הללו מוסיפים פחמן לעצם.