DNA cô lập từ môi trường tiết lộ nhiều hơn về cuộc sống cổ đại

Trong gần 2 thập kỷ qua, các bộ gen được phân lập từ hóa thạch đã tạo nên cơ sở cho nghiên cứu về sự tiến hóa của loài người. Tuy nhiên, bất chấp những cải tiến trong việc truy xuất và phân tích DNA từ hóa thạch, các nhà nghiên cứu đến nay chỉ mới giải mã được toàn bộ bộ gen của 23 người cổ đại, 18 người trong số họ là người Neanderthal.

Thế nhưng trong vòng 3 tháng trở lại đây đã xuất hiện 4 nghiên cứu mô tả tiết lộ những thông tin phong phú về cuộc sống của loài người, gấu, bò rừng và các sinh vật cổ đại khác dựa trên một nguồn vật chất di truyền dồi dào hơn nhiều so với hóa thạch - đó là DNA từ trầm tích.

Việc theo đuổi "DNA môi trường" - vật liệu di truyền trong đất, nước và thậm chí cả không khí, bắt đầu từ những năm 1990. Các nhà khoa học cô lập DNA của vi sinh vật trong một mẫu đất để xem có các gen hoặc sinh vật nào trong mẫu. Đất cũng chứa các vật chất di truyền "rơi rụng" như da, lông, tóc hoặc chất thải từ các sinh vật lớn. Ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu bắt đầu dựa vào DNA môi trường để theo dõi các loài trong sông, hồ và các môi trường sống khác. Michael Knapp, nhà sinh thái học phân tử tại Đại học Otago, cho biết: “Nghiên cứu DNA môi trường hiện đại đang phát triển nhanh chóng".

Năm 2003, các nhà di truyền học tiến hóa đã báo cáo, những DNA lẫn trong môi trường như vậy có thể tồn tại hàng nghìn năm. Đến năm 2015, nghiên cứu đã chứng minh rằng DNA môi trường có thể giúp tái tạo lại toàn bộ hệ sinh thái cổ đại. DNA môi trường ngày càng chứng tỏ là một lĩnh vực nghiên cứu rất hấp dẫn, một phần vì hóa thạch là nguồn vật liệu hiếm hoi, ngoài ra việc chiết xuất DNA từ xương sẽ phá hủy một phần các mẫu vật vô giá.

Trong khi đó, "đất thì có ở khắp mọi nơi", Benjamin Vernot, nhà di truyền học từ Viện Nhân chủng học Tiến hóa Max Planck, cho biết. “Nếu lấy được DNA từ các mẫu trầm tích một cách có hệ thống, chúng ta có thể nghiên cứu những người đã từng sống ở hàng trăm hoặc hàng nghìn địa điểm - ngay cả khi họ không để lại hài cốt”. Viviane Slon, nhà cổ sinh học tại Đại học Tel Aviv, cho rằng viễn cảnh đó thật thú vị: “Phương pháp này mở ra khả năng thâu tóm một cái nhìn rộng hơn nhiều về lịch sử di truyền của các quần thể trong quá khứ".

Trước đây, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các thiết bị thăm dò phân tử - các đoạn DNA phù hợp với các DNA cổ đại cần nghiên cứu - trên các loại đất cổ. Những đầu dò đó có thể thu thập DNA ty thể (mtDNA) - vật chất di truyền trong ty thể được truyền từ con cái, và tiết lộ các loài nào đã hiện diện. Giờ đây, với các tiến bộ mới, các nhà nghiên cứu có thể giải trình tự DNA hạt nhân, cung cấp nhiều thông tin di truyền hơn về một loài. “Đó là mục tiêu đáng mơ ước hơn”, Knapp nói.

Nhà sinh vật học tiến hóa Pere Gelabert và nhà khảo cổ học Ron Pinhasi từ Đại học Vienna và các đồng nghiệp đã sử dụng kỹ thuật mới tại Hang động Satsurblia ở phía tây Georgia, nơi các công cụ cổ đại, hóa thạch người hiện đại và động vật khác đã được phát hiện. Nhóm nghiên cứu đã thu thập sáu mẫu trầm tích từ các lớp đất 32.000 đến 17.000 năm tuổi và tìm thấy vật liệu di truyền từ một người hiện đại là phụ nữ, một con chó và gia súc.

Người phụ nữ đại diện cho một nhóm người hiện đại chưa được phát hiện sống cách đây khoảng 25.000 năm. Dòng dõi của người phụ nữ này đã đóng góp vào bộ gen của thế hệ những người châu Âu hiện đại, nhóm nghiên cứu của Gelabert và Pinhasi mới đây công bố trên tạp chí Current Biology. Nghiên cứu chỉ phân tích được 0,5% bộ gen của người phụ nữ này, nhưng “vẫn rất ấn tượng”, Gemmell nói.

Nhóm nghiên cứu của Gelabert vàPinhasi cũng đã so sánh DNA của "chó" tìm thấy trong hang với bộ gen của chó hiện đại, và kết luận rằng DNA này thuộc về một dòng chó sói hiện đã tuyệt chủng. Những dữ liệu này ủng hộ giả thuyết rằng quần thể sói đã định hình lại khi kỷ băng hà cuối cùng kết thúc, trong đó dòng chó sói vừa tìm thấy đã chết dần khi khí hậu thay đổi, có thể do sự thay đổi về con mồi và sự cạnh tranh từ các loài khác.

“Chúng ta đã chuyển sang giai đoạn tiếp theo” trong nghiên cứu DNA cổ đại, Pinhasi nói, với đủ số lượng trình tự gen chất lượng cao để thực hiện các phân tích tiến hóa sâu rộng. Nhưng Pinhasi cũng cảnh báo, "chúng tôi có rất ít manh mối về việc các loài có sống cùng thời điểm hay không, hay các loài động vật khác nhau có thể đã lần lượt sinh sống trong hang động này cách nhau hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn năm".

Nhà cổ sinh vật học phân tử Mikkel Winther Pedersen ở Đại học Copenhagen cũng đang sàng lọc các lớp trầm tích trong Hang Chiquihuite ở phía bắc Mexico. Nhóm của ông đã thu được gen của ba con gấu đen và một trong số đó được chứng minh là thuộc về một con gấu mặt ngắn khổng lồ - loài này chưa từng được phát hiện ở khu vực này.

Chi phí của việc giải trình tự DNA ngày càng thấp, dó đó các nhóm nghiên cứu như của Pendersen và Pinhasi có thể xem xét tất cả DNA có trong một mẫu đất. Sau đó, các nhóm nghiên cứu so sánh các đoạn trình tự đó với cơ sở dữ liệu DNA để xác định các trình tự theo loài và sắp xếp chúng thành bộ gen. Vernot nói: “Họ không cần phải biết mình đang tìm kiếm loài nào khi bắt đầu phân tích mẫu".

Công trình nghiên cứu của Vernot về trầm tích trong một hang động ở Tây Ban Nha đã chỉ ra, cũng có thể áp dụng một cách tiếp cận có mục tiêu hơn, trong đó các nhà nghiên cứu sử dụng đầu dò phân tử để lấy ra các đoạn DNA của các loài cụ thể. Vernot đã sử dụng những dữ liệu thu thập được để ghép lại lịch sử của việc người Neanderthal chiếm đóng Hang động Estatuas ở miền bắc Tây Ban Nha. Theo cách tương tự, Matthias Meyer, nhà di truyền học tại Viện Nhân chủng học Tiến hóa Max Planck, và các đồng nghiệp đã kiểm tra DNA từ đất của Hang Denisova nổi tiếng, nơi tìm thấy những hóa thạch đầu tiên của người Denisovan. Họ phát hiện ra rằng hang động này cũng có người Neanderthal và người hiện đại sinh sống, có thể cùng một thời điểm với người Denisovan.

Meyer nói: “Tất cả những nghiên cứu này đều chứng minh rằng việc phân tích DNA môi trường cổ đại là lĩnh vực sẽ chiếm ưu thế".