Prije otprilike 100 000 godina, zajednica neandertalaca naselila se u regiju onoga što znamo kao sjevernu Španjolsku, držeći je domom kroz mnogo generacija. Prostrane vapnenačke špilje služile su kao zaklon od vanjskih utjecaja, radionica za izradu kamenog alata i kuhinja za pripremu hrane.

Unatoč bogatoj povijesti i aktivnosti na ovom mjestu, poznatom kao Galería de las Estatuas, pronađen je samo jedan fosil neandertalca: ružičasta kost prsta, premali sadržaj da bi se mogao izvući genetski materijal bez potpunog uništenja uzorka. Pronalaženje ostataka kostura neandertalaca općenito je vrlo rijetko - toliko, da je od stotina ili čak tisuća arheoloških nalazišta drevni DNK prikupljen od samo 18 osoba.

"Neandertalci su živjeli stotinama tisuća godina, protežući se europom i Azijom, a mi ih zastupamo s 18 ljudi", rekao je Benjamin Vernot, postdoktorand na Max Planck Institutu za evolucijsku antropologiju. "Nekako smo dosegli granicu. S vremena na vrijeme, netko iskopa novu neandertalsku kost, ali mnogi rezultati koji su do sada izašli su stvari koje su iskopane u 70-ima, 80-ima ili 90-ima.

U novoj studiji, Vernot i njegovi kolege pokazuju snalažljivu tehniku prikupljanja drevnijeg ljudskog DNK iz, u osnovi, prašine. Svaka šaka sedimenta s poda Galería de las Estatuas i drugih špilja sadrži obilje DNK biljaka, životinja i mikroba koji su tamo nekoć boravili. Istraživači su otkrili inovativan način prosijavanja mase zbrkanog genetskog materijala kako bi izvukli DNK neandertalca.

"Možete zamisliti neandertalku kako sjedi u pećini, reže jelena i sebe pritom poreže. Malo krvari po tlu, a u toj krvi je DNK, koji se veže za prašinu na tlu", rekao je Vernot. "Vrijeme prolazi, nakuplja se još prljavštine, i njezin DNK je s vremenom zarobljen u prašini. Sada ga možemo pronaći i naučiti o toj osobi."

Prethodni rad uspješno je prikupio neandertalsku i denisovansku mitohondrijsku DNK - mali kružni kromosom pronađen unutar organela koje stvaraju energiju stanica - iz sedimenta. Svaka stanica ima oko 10 do 100 kopija mitohondrijskog genoma i samo dvije kopije jezgrinog genoma, što prvo čini mnogo lakšim za pronalaženje. Ali budući da je mitohondrijski DNK isključivo majčinski naslijeđen, ne uspijeva zahvatiti potpunu genetsku povijest arhaičnih ljudi.

Trenutna studija ukazuje da je to prvi put da je jezgrin DNK arhaičnih ljudi na bazi sedimenta iskopana i analizirana. Povratna tehnika, koja cilja područja u genomu koja razlikuju ljude od drugih sisavaca, otvara vrata za mnogo više molekularnih studija koje bi mogle popuniti dijelove priče o ljudskom podrijetlu koji nedostaju. Rezultati su objavljeni u časopisu Science.

"Dobivanje DNK iz špiljskih sedimenata izvanredno je postignuće i nudi iznimne mogućnosti za otkrivanje kasnijih zbivanja u ljudskoj evoluciji", rekao je Richard Potts, direktor programa Ljudskog podrijetla u Nacionalnom prirodoslovnom muzeju Smithsoniana, koji nije bio uključen u istraživanje. "Studija je blagodat otkrivanja onoga što sada znamo, na temelju drevnih DNK analiza, da je povijest kako su neandertalci, Denisovanci i Homo sapiensi komunicirali i križali se bila vrlo složena."

Za Vernota i njegove kolege, potraga za malim komadićima jezgrine DNK neandertalca u uzorcima prašine bila je poput uočavanja igle u plastu sijena veličine slona. Iako su odabrali sediment s poznatih neandertalskih nalazišta - Galería de las Estatuas, zajedno s Denisovom špiljom i špiljom Chagyrskaya u Sibiru - više od 99,9 posto genetskog materijala došlo je iz mikroba, biljaka i drugih nemamalijskih izvora. Od svekoliko prisutnog DNK sisavaca, manje od 1% potječe od arhaičnih ljudi.

"Nitko nikada nije pronašao ljudski DNK u sedimentima "sekvenciranjem sačmarice" (eng. "shotgun sequencing"), što je sekvenciranje svega u uzorku", rekao je Vernot. "Stoga smo krenuli u potragu za određenim regijama u ljudskom genomu i dizajnirali ono što se naziva sondama koje u osnovi omogućuju da izvadite DNK iz uzorka."

Istraživači su otkrili koji dijelovi genoma posjeduju veliku količinu mutacija kod različitih sisavaca i posebno su jedinstveni za ljude. Također su uzeli u obzir koji bi dijelovi bili informativni u vezi s odnosima populacija, kao što je DNK koji se razlikuje između modernih ljudi i neandertalaca ili između dva pojedinačna neandertalca.

Nakon što su koristili sonde kako bi izvukli nešto što bi mogao biti ljudski DNK iz uzoraka Sibira, Vernot i njegovi kolege provjerili su svoje nalaze u odnosu na prethodno objavljeni drevni DNK izvađen iz ostataka kostura u Denisovoj špilji i špilji Chagyrskaya. Njihovi rezultati na bazi sedimenta bili su u skladu s podacima na bazi kostiju i vjerojatno su došli iz iste populacije neandertalaca.

Istraživači su zatim primijenili istu tehniku na uzorke sedimenta koji se protežu 40 000 godina od Galería de las Estatuas, mjesta gdje se mnogo manje zna o neandertalcima koji su tamo živjeli zbog nedostatka jezgrine DNK koja se može izdvojiti. Dobili su stariju jezgrinu DNK na bazi sedimenta koja je ukazivala na dosljednu populaciju koja je zauzimala to mjesto do prije otprilike 100 000 godina, kada se činilo da se dogodio izrazit preokret. U tom trenutku, druga populacija je preuzela, prema njihovim podacima - događaj koji je vjerojatno povezan s brzim hlađenjem Zemlje na početku novog ledenog doba.

"Činjenica da se molekularni genomi mogu izvesti iz špiljskih sedimenata, a ne uništavanjem dijelova fosilnih kostiju i zuba, znači da se molekularne studije zaista mogu pojačati", rekao je Potts. "Tako možemo odrediti iz sedimenata tko je točno okupirao određene špilje u Europi i Aziji i u koje vrijeme."

Potts je također mišljenja da ove vrste studija sedimenta mogu dodatno razjasniti jedan od najintrigantnijih nalaza o ljudskom podrijetlu koji se pojavio u posljednjih desetak godina: križanje među vrstama, uključujući i naše, kao dio evolucijskog procesa.

Međutim, napominje da pronalaženje genetskog materijala na bazi sedimenta na toplijim mjestima, kao što je Afrika, nije bilo moguće zbog brzog degradiranja DNK u takvim okruženjima. Također postavlja pitanje, mogu li špilje osigurati kontrolirano podešavanje temperature za očuvanje DNK. Ako je tako, znanstvenici će možda moći zakoračiti dalje u genomsku povijest ljudske evolucije i otkriti još uvjerljivije tajne naše daleke prošlosti.