In Krimiserien und -filmen, in denen Kriminaltechniker eine zentrale Rolle spielen, sieht man häufig, wie anhand eines Zigarettenstummels oder eines Kaugummis, der am Tisch klebt, erfolgreich identifiziert wird, wer diese Spuren hinterlassen hat. In der realen Welt kann auch aus einem Kaugummi, der im Mund einer Person war, viel über den Menschen erfahren werden. Heute werden wir eine Studie betrachten, in der Wissenschaftler der Universität Kopenhagen während Ausgrabungen einen etwa 5700 Jahre alten 'Kaugummi' entdeckten. Welche Informationen konnten die Wissenschaftler aus ihrem Fund gewinnen, über wen konnte der alte Kaugummi noch Auskunft geben und wie könnte diese Forschung zukünftig den Kampf gegen verschiedene Krankheiten beeinflussen? Antworten auf diese Fragen erwarten uns im Bericht der Wissenschaftler. Lassen Sie uns anfangen.
Grundlage der Forschung
Der Hauptfokus dieser Untersuchung liegt auf Birkenharz oder Birkenpech. Diese bräunlich-schwarze Substanz wird durch das Erhitzen der obersten Rinde der Birke (Birkenteer) in einem geschlossenen Behälter hergestellt. Unter diesen Bedingungen erfolgt die Erhitzung ohne Sauerstoffzufuhr, also durch trockene Destillation. Während des Erwärmungsprozesses verwandelt sich die Birkenschicht in Pech.
In der Antike wurde dieser Prozess in Tontöpfen über offenem Feuer durchgeführt. Damals wurde Pech in der Regel zur Bearbeitung von Steinprodukten als universeller Kleber verwendet. Die frühesten archäologischen Funde von Pech, das von Menschen verwendet wurde, stammen aus der Altsteinzeit.
Es ist nur logisch, dass Teer in der "Industrie" verwendet wurde, sozusagen. Doch auf vielen Stücken Birkenharz fanden Archäologen Zahnabdrücke. Warum kauten unsere Vorfahren Teer? Es gibt mehrere Theorien, die dies erklären. Erstens härtet Teer bei Abkühlung schnell aus, daher könnte das Kauen mit dem Wunsch verbunden gewesen sein, ihn zu erwärmen und weicher zu machen. Eine Theorie besagt, dass Teer zum Lindern von Schmerzen, die durch Erkrankungen im Mundraum verursacht werden, gekaut wurde, da Teer als schwaches Antiseptikum gilt. Einige Forscher glauben zudem, dass dies die Anfänge der Zahnhygiene waren, wobei Teer als eine Art antiker Zahnbürste fungierte. Und die amüsanteste Theorie, die dennoch Sinn macht, ist das Vergnügen. Alte Menschen könnten Harz einfach zum Kauen genutzt haben, ohne dafür zwingende Gründe zu haben.
Praktische Anwendung von Birkenharz.
Es gibt viele Spekulationen über das Kauen von Harz durch das antike Volk, doch konkrete Forschungsergebnisse blieben bislang eher rar. Daher entschlossen sich Wissenschaftler der Universität Kopenhagen, ein Stück des während einer Ausgrabung im Süden Dänemarks gefundenen gekauten Harzes zu untersuchen.1aDie Analyse der Probe ergab, dass sie nicht nur menschliche DNA, sondern auch mikrobielle DNA enthält, die viel über das Mikrobiom im Mund erzählen kann. Außerdem wurden Pflanzen-DNA festgestellt, die anscheinend von den frühen Menschen vor dem Harzkauen konsumiert wurden.
Die DNA hat sich so gut erhalten, freuen sich die Forscher, dass es ihnen gelungen ist, das vollständige Genom des Menschen zu extrahieren. Diese zunächst unbedeutend scheinende Tatsache ist tatsächlich ein Durchbruch in der Archäologie und Genetik. Bisher konnte das vollständige Genom eines alten Menschen ausschließlich aus seinen Überresten (in der Regel Knochen) gewonnen werden.
Die Forschungsergebnisse
Nachdem die Archäologen das „materielle Beweismaterial“ gesichert hatten, begannen sie mit der schrittweisen Analyse, um möglichst umfassende Informationen über unseren „Verdächtigen“, der Birkenharz kaute, zu erhalten.
Abbildung Nr. 1
Die Radiokohlenstoffdatierung, die anhand der Änderung des Gehalts im Proben des radioaktiven Isotops 14C im Vergleich zu stabilen Kohlenstoffisotopen durchgeführt wurde, hat ergeben, dass das Alter des Kaugummis zwischen 5858 und 5661 Jahren liegt (1b). Das weist darauf hin, dass die Probe aus der Zeit des frühen Neolithikums stammt. Diese Periode wird ebenfalls als „Jungsteinzeit“ bezeichnet, da Steinprodukte komplexer wurden und die Technologie des Schleifens und Bohrens entstand.
Die chemische Analyse mittels Fourier-Transformationsinfrarotspektroskopie (FTIR) ergab ein Spektrum, das dem modernen Birkenharz sehr ähnlich ist. Die GC/MS (Gaschromatographie/Massenspektrometrie) zeigte das Vorhandensein von Triterpenen, Betulin und Lupenol, was für Proben, die aus Birken entnommen wurden, ganz üblich ist (1c). Eine weitere Bestätigung, dass die Probe birkenbasiert ist, sind die nachgewiesenen Dicabbonsäuren und gesättigten Fettsäuren, die ebenfalls von der GC/MS identifiziert wurden.
Somit haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass die Probe Birkenharz aus dem Zeitraum von 5858 bis 5661 Jahren (frühes Neolithikum) ist.
In der nächsten Phase fand das Sequencing der DNA statt, während dem etwa 360 Millionen gepaarte DNA-Basensequenzen generiert wurden, von denen fast ein Drittel eindeutig mit dem Referenzgenom des Menschen (hg19) in Zusammenhang gebracht werden kann.
Die gepaarten Basensequenzen der menschlichen DNA wiesen alle Merkmale auf, die für die DNA uralter Menschen charakteristisch sind: ausreichend kurze Durchschnittslängen der Fragmente, häufige Vorkommen von Purinen* vor dem Brechen der Stränge und eine erhöhte Häufigkeit von sichtbaren Ersetzungen von Cytosin* (C) auf Thymin* (T) an den 5'-Enden der DNA-Fragmente.
Purine* (C5N4H4) – der einfachste Vertreter der Imidazo[4,5-d]pyrimidine.
Cytosin* (C4H5N3O) – eine organische Verbindung, ein stickstoffhaltige Base, ein Derivat des Pyrimidins.
Thymin* (C5H6N2O2) – ein Derivat des Pyrimidins, eine der fünf stickstoffhaltigen Basen.
Zudem wurden etwa 7,3 GB Daten zu Sequenzen generiert, die nicht zur menschlichen DNA gehören.
Im Probenmaterial befand sich ungefähr 30% endogene menschliche DNA. Das ist vergleichbar mit gut erhaltenen Zähnen und Knochen uralter Menschen.
Aufgrund des Verhältnisses zwischen den Sequenzen der gepaarten Basen, die mit den Chromosomen X und Y übereinstimmen, konnten die Wissenschaftler das Geschlecht des alten Kaugummi-Liebhabers bestimmen – weiblich.
Um die Haar-, Augen- und Hautfarbe vorherzusagen, wurden Genotypen für einundvierzig SNP*, die in das System .
SNP* eingeführt wurden (Single Nucleotide Polymorphism) – Unterschiede in der DNA-Sequenz von einem Nukleotid im Genom von Vertretern einer Art oder zwischen homologen Abschnitten homologer Chromosomen.
Diese Analyse zeigte, dass die Frau dunkelhäutig mit dunkelbraunen Haaren und blauen Augen war.
Abbildung Nr. 2
Die Wissenschaftler fanden 593102 SNP in dem untersuchten Genom, die zuvor in einer Datenbank von >1000 modernen Menschen und >100 zuvor veröffentlichten alten Genomen genotypisiert wurden.
Im Bild 2a Die Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse sind dargestellt. Diese Methode zur Dimensionreduktion ermöglichte es, dass die alte Frau, deren Genom untersucht wird, höchstwahrscheinlich zu den westlichen Jägern und Sammlern gehört (WHG). Der Vergleich Allele* von modernen Menschen und der alten Frau bestätigte ihre Zugehörigkeit zur festgelegten Gruppe (2b).
Allele* — verschiedene Varianten eines gleichen Gens, die an denselben Orten homologer Chromosomen lokalisiert sind. Allele bestimmen die Entwicklungsrichtung eines bestimmten Merkmals.
Diese Ergebnisse werden auch durch die qpAdm-Analyse gestützt. Diese Analyse zeigt, dass das einfache lineare Modell, das 100%ige Abstammung der alten Frau aus der Gruppe WHG annimmt, nicht zugunsten eines komplexeren Modells verworfen werden kann (2s).
Um den taxonomischen Inhalt der nicht-menschlichen Sequenzen in der Probe grob zu charakterisieren, wurde MetaPhlan2 verwendet – ein Tool, das speziell für das taxonomische Profiling kurzer Sequenzen entwickelt wurde, die erhalten wurden mit der Schrotflintenmethode*.
Schrotflintenmethode* — eine Methode zur Sequenzierung langer DNA-Abschnitte, bei der die Erfassung einer zufälligen massiven Stichprobe klonierter DNA-Fragmente es ermöglicht, die ursprüngliche DNA-Sequenz wiederherzustellen.
Abbildung Nr. 3
Auf „Origami“ 3a Die Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse zeigen, dass der mikrobielle Inhalt der untersuchten Probe mit 689 Profilen von Mikrobiomen aus dem Projekt „Mikrobiom des Menschen“ (HMP) verglichen wurde. Zwischen den Daten der Probe und den HMP-Daten wurde eine Clusterbildung festgestellt, was bedeutet, dass sie in vielerlei Hinsicht ähnlich waren. Dies zeigt sich auch in 3b, wo der mikrobielle Inhalt des Harzes im Vergleich zu dem anderer Erdbodenproben (die Entnahme erfolgte an einem Ort) und im Vergleich zum mikrobiellen Inhalt des modernen Menschen dargestellt wird.
Eine detailliertere Analyse des mikrobiellen Inhalts ergab das Vorhandensein von Bakterien Neisseria subflava und Rothia mucilaginosa, sowie Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia und Treponema denticola. Darüber hinaus wurden Spuren des Epstein-Barr-Virus nachgewiesen.
Außerdem wurden mehrere Arten von Streptokokken identifiziert, die zur Gruppe Mitis, darunter Streptococcus viridans und Streptococcus pneumoniae.
Tabelle Nr. 1: Auflistung aller nichtmenschlichen Taxa, die in der Probe des Birkenharzes gefunden wurden.
Es wurde eine Rekonstruktion des Konsensusgenoms aus den Sequenzen der gepaarten Basen S. pneumoniae durchgeführt und die Anzahl der heterozygoten Bereiche bewertet. Die Ergebnisse zeigten das Vorhandensein mehrerer Stämme (Bild Nr. 4).
Bild Nr. 4
Um die Virulenz der Stämme zu bewerten, S. pneumoniaedie aus der alten Harz gewonnen wurden, verglichen die Wissenschaftler die Kontigien (eine Sammlung überlappender DNA-Segmente) mit der vollständigen Datenbank der Virulenzfaktoren, was die Identifizierung bekannter Gene ermöglicht. Virulenz* S. pneumoniae.
Virulenz* ist das Maß für die Fähigkeit eines Stammes, den untersuchten Organismus zu infizieren.
Im alten Sample wurden 26 Virulenzfaktoren von S. pneumoniae identifiziert, darunter Kapselpolysaccharide (CPS), Streptokokken-Enolase (Eno) und das pneumokokkale Oberflächenantigen A (PsaA).
Die Analyse des alten Harzes zeigte außerdem Spuren von zwei Pflanzenarten: Birke (Betula pendula) und Hasel (Corylus avellana). Darüber hinaus wurden etwa 50.000 Sequenzen gefunden, die zur Krickente (Anas platyrhynchos, eine Entenart) gehörten.
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in und dazu.
Epilog
Diese Studie kann als einzigartig bezeichnet werden, angesichts des Umfangs der gewonnenen Informationen. Zuvor konnte das vollständige Genom eines alten Menschen ausschließlich aus seinen Überresten (Knochen und Zähnen) rekonstruiert werden, jedoch gelang es in dieser Arbeit den Wissenschaftlern, es aus gekautem Birkenharz zu extrahieren.
Sie fanden heraus, dass eine 5700 Jahre alte Kaugummiaus einer Frau mit dunkler Haut, braunen Haaren und blauen Augen stammt. Diese Beschreibung ihrer Merkmale bestätigt erneut, dass eine hellere Hautpigmentierung unter den Bewohnern des westlichen Eurasiens später auftrat. Darüber hinaus sind solche Merkmale vergleichbar mit denen westlicher Jäger und Sammler, zu denen die Frau, deren Genom aus einer Probe entnommen wurde, vermutlich gehörte.
Ein Vorteil der Untersuchung des gekauten Harzes besteht darin, dass es Informationen über die mikrobielle Zusammensetzung der Mundhöhle des antiken Menschen liefert. Diese Analyse zeigte das Vorhandensein mehrerer Arten von Bakterien (Neisseria subflava, Rothia mucilaginosa, Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia und Treponema denticola). Darüber hinaus wurden Spuren des Epstein-Barr-Virus gefunden, was nicht verwunderlich ist, angesichts der hohen Verbreitung dieses Virus unter modernen Menschen (90-95 % der Erwachsenen sind Träger).
Es wurden auch mehrere Arten von Streptokokken aus der Gruppe gefunden Mitis, darunter Streptococcus viridans und Streptococcus pneumoniae.
Was die gastronomischen Vorlieben der alten Frau betrifft, so wurden anhand nicht-menschlicher DNA-Sequenzen, die nicht zu Viren oder Bakterien gehörten, Spuren von Birke, Haselnuss und der Stockente (Anas platyrhynchos) gefunden. Man kann annehmen, dass diese Pflanzen und Tiere die Grundlage der Nahrung der frühen Menschen dieser Zeit waren. Es besteht jedoch eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die DNA dieser Pflanzen und Tiere in das Harz gelangte, da die alte Frau diese kurz vor dem Kauen des Harzes verzehrte. Mit anderen Worten, es könnte sich um einen Einzelfall gehandelt haben.
Warum ist also Harz eine hervorragende Quelle für die DNA frühzeitlicher Menschen? Das liegt daran, dass im Prozess des Kauens die DNA in dem Harz „versiegelt“ wird und aufgrund der aseptischen und hydrophoben Eigenschaften darin erhalten bleibt.
In Zukunft planen die Wissenschaftler, andere gefundene Proben zu analysieren, um ein noch besseres Verständnis des Lebens der alten Menschen zu erlangen. Darüber hinaus ermöglicht die mikrobielle Zusammensetzung der alten Proben, die Evolution spezifischer Mundmikroben und einiger pathogener Mikroorganismen zu verstehen.
Wie dem auch sei, so viele Informationen über eine Person aus einem Stück gekauten Gummis, das vor 5700 Jahren ausgespuckt wurde, zu sammeln, ist eine unglaubliche Leistung. Für manche Menschen ist Information aus der Vergangenheit, insbesondere aus so weiter Ferne, nicht von Bedeutung. Doch tatsächlich gilt: Je mehr wir über unsere Vorfahren wissen, desto besser verstehen wir uns selbst.
Freitagsthema:
Ein Video über die Herstellung von Kaugummi in der modernen Welt.
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Quelle: habr.com
