Παρασκευή, 7 Νοεμβρίου 2014

Στο φως η γενετική κληρονομιά των Ευρωπαίων. Oldest European genome illuminates diverse ancestry

H νέα μελέτη αποκαλύπτει πολύ σημαντικά στοιχεία για την καταγωγή των Ευρωπαίων. Eske Willerslev found that a man from Kostenki in modern-day Russia had a lot in common with living Europeans. PETER THE GREAT MUSEUM OF ANTHROPOLOGY AND ETHNOGRAPHY MAN

Πρώτη φορά αποκαλύπτεται -με τη βοήθεια του DNA- η σημαντική γενετική συνέχεια των Ευρωπαίων από τα πανάρχαια χρόνια. Η γενετική ανάλυση του αρχαιότερου μέχρι σήμερα γενετικού υλικού από Ευρωπαίο, έναν άνδρα που ζούσε στη νοτιοδυτική Ρωσία πριν από 36.200 έως 38.700 χρόνια, φωτίζει σε βάθος την γενετική κληρονομιά των Ευρωπαίων.

Kostenki XIV (Markina Gora), reconstructed by M. M. Gerasimov.

Μεταξύ άλλων, η νέα έρευνα δείχνει ότι υπάρχει εντυπωσιακή γενετική ομοιότητα ανάμεσα στους αρχαιότερους γνωστούς Ευρωπαίους και στους σημερινούς, ότι οι αρχαίοι μας πρόγονοι κατάφεραν να επιβιώσουν παρά τις σκληρές συνθήκες της τελευταίας εποχής των πάγων (που αποκορυφώθηκε πριν από 27.000 χρόνια), καθώς επίσης ότι ο ανατομικά σύγχρονος άνθρωπος, ο Homo sapiens, και τα «ξαδέρφια» μας, οι Νεάντερταλ, ήρθαν σε επιμειξία πριν από περίπου 54.000 χρόνια. Γι’ αυτό, άλλωστε, το 1,5% έως 2,1% του DNA κάθε σημερινού Ευρωπαίου προέρχεται από τους Νεάντερταλ.

Τα ευρήματα

M. M. Gerasimov with his colleagues during the excavations at K14 (Markina Gora), 1954. Image: Peter the Great Museum

Η νέα διεθνής μελέτη, με επικεφαλής τον εξελικτικό βιολόγο Έσκε Βίλερσλεβ του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης, αποτελεί την πιο πρόσφατη από τις πολλές προσπάθειες που έχουν γίνει τελευταία, προκειμένου να ριχτεί φως στην καταγωγή των παλαιολιθικών Ευρωπαίων, οι οποίοι έφθασαν στη «γηραιά ήπειρο» από την Αφρική πριν από περίπου 45.000 χρόνια.

Kostenki-14's 37,000-year-old genome is revealing a wealth of human history. (Image: Peter the Great Museum)

Από γενετική άποψη, οι σύγχρονοι Ευρωπαίοι θεωρούνται ένα «υβρίδιο» με πολλαπλή γενετική καταγωγή από διάφορους αρχαίους πληθυσμούς. Η νέα μελέτη δείχνει όμως ότι πιθανότατα  ήδη πριν από 36.000 χρόνια είχε διαμορφωθεί πια ένας μεγάλος πληθυσμός κυνηγών - συλλεκτών, που εκτεινόταν από τη Δυτική Ευρώπη έως την Κεντρική Ασία, στο εσωτερικό του οποίου ελάμβαναν χώρα επιμειξίες μεταξύ των ομάδων, διαμορφώνοντας έτσι την σύγχρονη -πολύμορφη αλλά και αρκετά ενιαία γενετικά- ευρωπαϊκή «ταυτότητα».

An illustration of the Kostenki man. Image: Philip Nigst, University of Cambridge

Η νέα ανάλυση βασίστηκε στο DNA του λεγόμενου «Κοστένκι-14», ενός κυνηγού - συλλέκτη, το σώμα του οποίου είχε βρεθεί το 1954 στις όχθες του ποταμού Ντον. Το γονιδίωμά του σχετίζεται στενά με το αντίστοιχο των πρώτων κυνηγών - συλλεκτών της κυρίως Ευρώπης, καθώς επίσης με το DNA των σύγχρονων Ευρωπαίων, ενώ δεν έχει καμία γενετική συνάφεια με τους ανατολικοασιάτες. Αυτό σημαίνει ότι ήδη είχε γίνει ο διαχωρισμός των Ευρωπαίων από τους Ασιάτες (πριν από 37.000 έως 45.000 χρόνια) και έτσι ο «Κοστένκι-14» είναι ο αρχαιότερος Ευρωπαίος, του οποίου «διαβάζεται» το DNΑ. Πρόκειται επίσης για το δεύτερο αρχαιότερο σύγχρονο ανθρώπινο γονιδίωμα που αναλύεται: το αρχαιότερο ήταν ενός άνδρα που ζούσε στη Σιβηρία προ 45.000 ετών.

Οι πηγές

The major new finding of this paper, however, is that K14 had Basal Eurasian ancestry, which was first proposed for EEF from Germany 7,000 years ago, so now it postulated for Russian hunter-gatherers 37,000 years ago. I don't think many archaeologists would derive European farmers from Russia (Russia is actually one of the last places in Europe that became agricultural). So, maybe the hunter-gatherers from Russia had Basal Eurasian ancestry and this wasn't limited to the ancestors of the EEF? If they did, it's strange that Loschbour, La Brana, MA-1, Ust'-Ishim, Swedish Mesolithic (and maybe KO1?) didn't have it. So, either Kostenki was very unique or there is an alternative explanation for its strangeness. The evidence for the Basal Eurasian ancestry in K14 is summarized in this figure.

Επιπλέον, η νέα ανάλυση διαπίστωσε ομοιότητα με το γονιδίωμα ενός κυνηγού - συλλέκτη που ζούσε προ 7.000 ετών στην Ισπανία, πράγμα που υποδηλώνει ότι «υπήρξε κάποια συνέχεια ανάμεσα στους ευρωπαϊκούς πληθυσμούς για σχεδόν 30.000 χρόνια», όπως είπε ο ελληνικής καταγωγής Ιωσήφ Λαζαρίδης του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ. 

This model is not formally tested, but at least it seems to derive Europeans as a 3-way mixture that is basically identical to that of Lazaridis et al., with some relabeling of populations (MHG=WHG and NEOL=EEF).

Ο ίδιος είχε προτείνει προ μηνών ότι το σύγχρονο γονιδίωμα των Ευρωπαίων πηγάζει από τρεις διαφορετικούς πληθυσμούς (ντόπιους ευρωπαίους κυνηγούς - συλλέκτες, νομάδες ασιάτες των στεπών και, πιο πρόσφατα, μεσανατολίτες γεωργούς), οι οποίοι, μετά από διαδοχικές μεταναστεύσεις, αναμίχθηκαν και αντάλλαξαν γονίδια μέχρι πιο πρόσφατα, έως πριν από 5.000 χρόνια.

Όμως, η νέα έρευνα φαίνεται να υποστηρίζει ότι ήδη πριν από 36.000 χρόνια οι πρόγονοί μας ήσαν ήδη «καθαροί Ευρωπαίοι». «Ουσιαστικά, όλα τα βασικά γενετικά συστατικά που βρίσκει κανείς στους σύγχρονους Ευρωπαίους, υπάρχουν και στους αρχαιότερους. Αυτό δεν είναι κάτι που πολλοί είχαν προβλέψει», τόνισε ο Έσκε Βίλερσλεβ. Η νέα μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science».

Πώς δύο σαύρες επαληθεύουν το Δαρβίνο. Debunking Darwin: scientists witness quick, visible physical evolution in tree lizards

Η αναγκαστική συμβίωση τους οδήγησε σε αναπρογραμματισμό των γονιδίων τους. If the biology of Anolis lizards is a puzzle, then a new paper by Yoel Stuart, Todd Campbell and colleagues is a crucial piece. It’s a puzzle piece that not only contains a wealth of information when held up on its own, but also brings clarity to a broader picture of anole biology when fitted into place. Green anole lizard, otherwise known as anolis carolinensis (Photo: PiccoloNamek/Wikimedia)

Δύο μικρές… αγχωμένες σαύρες που «ευδοκιμούν» στις νοτιοδυτικές ΗΠΑ, κατάφεραν να αποτελέσουν ένα απτό παράδειγμα της θεωρίας της εξέλιξης των ειδών, η οποία, αν και πλέον είναι ευρέως αποδεκτή, σπανίως μπορεί να αποδειχτεί.

Η ιδέα

Invasive brown anole male, perched and extending a flap of skin called the dewlap. It uses the dewlap to communicate during territorial and mating interactions. Photo: Dr. Todd Campbell

Έχοντας ως αφετηρία την αρχή ότι όταν οι συνθήκες δυσκολεύουν η διαδικασία της φυσικής επιλογής επιταχύνεται, μια ομάδα αμερικανών επιστημόνων, συνέλαβε την ιδέα ενός μακροχρόνιου πειράματος που θα εξελισσόταν στη φύση. Ο στόχος ήταν να αποδείξει ότι, ο ανταγωνισμός μεταξύ δύο συναφών ειδών στο φυσικό τους περιβάλλον, θα οδηγούσε, μοιραία και με, ταχύτερους ρυθμούς, σε βελτιωμένα είδη.

Native green anole male, perched and dewlapping. Photo: Ambika Kamath

Εν ολίγοις, ήθελαν να αποδείξουν ότι κάποιο από τα δύο ανταγωνιστικά είδη θα ανέπτυσσε νέα φυσικά χαρακτηριστικά τα οποία θα του εξασφάλιζαν καλύτερη προσαρμογή στο περιβάλλον και ένα πλεονέκτημα επιβίωσης που, με τη σειρά του, θα το διευκόλυνε να αναπαραχθεί με ταχύτερους ρυθμούς από τον αντίπαλο.  Ως ιδανικοί πρωταγωνιστές για το πείραμα ήταν δύο σαύρες του ίδιου είδους οι οποίες, μέχρι την άφιξη των επιστημόνων, ζούσαν μακριά… και αγαπημένα.

Οι δύο πρωταγωνιστές

Την επόμενη φορά που θα αγχωθείτε απέναντι σε κάποιο ανταγωνιστή, σκεφτείτε ότι οι μακρινοί απόγονοί σας, ενδεχομένως θα αποκτήσουν περισσότερες ικανότητες... λένε οι μικρές πρωταγωνίστριες του επιστημονικού πειράματος για τη φυσική επιλογή. A. carolinensis perched below A. sagrei on the University of Florida campus in Gainesville.

Η πρώτη πρωταγωνίστρια σαύρα, χρώματος πράσινου και με την επιστημονική ονομασία Anolis carolinensis ήταν η πρώτη κάτοικος του συμπλέγματος νησιών στα ανοιχτά της Φλόριδα όπου και πραγματοποιήθηκε το πείραμα. Η αντίπαλός της, η χρώματος καφέ Anolis Sagrei, αν και αρχικά ζούσε αποκλειστικά στην Κούβα, είχε, μέσα σε μια τριανταριά χρόνια, κατακτήσει όλες τις νοτιοδυτικές ΗΠΑ, χωρίς όμως να καταφέρει να φτάσει και στο σύμπλεγμα νησιών όπου βασίλευαν μόνες και ανενόχλητες οι πράσινες σαύρες -τουλάχιστον μέχρι την έναρξη του πειράματος τον Μάιο του 1995.

Anolis carolinensis on small spoil-islands in Florida are the subject of Stuart et al. (2014)

Σε ό,τι αφορά τα χαρακτηριστικά των δύο αντιπάλων, αμφότερες οι σαύρες είχαν μήκος περίπου 20 εκατοστών μαζί με την ουρά και το ίδιο… μενού, τρεφόμενες κυρίως με μικρά έντομα και αράχνες, ενώ και οι δύο διακρίνονταν από τις αναρριχητικές τους ικανότητες αν και η καφέ έτρεφε μια σαφή προτίμηση προς το έδαφος. 

50-year-old, man-made, dredge spoil islands in Mosquito Lagoon, FL. Note the houseboat in the foreground of the image for scale. The islands are about a football field in size. Todd Campbell

Αυτό που έκαναν οι επιστήμονες το 1995 ήταν να επιλέξουν αρχικά έξι νησάκια όπου ζούσε η πράσινη σαύρα και να μελετήσουν τη συμπεριφορά της ως προς όλες τις παραμέτρους της. Στη συνέχεια, σε τρία από τα έξι νησιά –ένα μικρό, ένα μεσαίο και ένα μεγάλο- εισήγαγαν ορισμένους εκπροσώπους της καφέ σαύρας, συνεχίζοντας να παρατηρούν τη συμπεριφορά και των δύο εκπροσώπων του είδους.

Η αλληλεπίδραση

On the introduction islands (filled shapes), the green anole increased its perch height within months. Stuart et al. 2014. Science 346, 463-466

Μέχρι τον Αύγουστο του 1998, στα τρία νησιά όπου οι πράσινες σαύρες συνυπήρχαν με τις καφέ, παρατηρήθηκε ότι οι πρώτες σκαρφάλωναν προοδευτικά ολοένα και ψηλότερα στα δέντρα προκειμένου να ξεφύγουν από τον «εισβολέα». Σε εκείνα τα νησιά, πάλι, όπου δεν είχαν εισβάλλει οι καφέ σαύρες, οι πράσινες δεν είχαν αλλάξει στο ελάχιστο τις συνήθειες τους ως προς την αναρρίχηση.

Οι επιστήμονες άφησαν τότε πράσινες και καφέ σαύρες στην ησυχία τους για μια καμιά δεκαπενταριά χρόνια. Όταν το 2010 επανήλθαν στα νησιά διαπίστωσαν ότι, ελάχιστοι χώροι δεν είχαν εποικισθεί από τις καφέ σαύρες, ενώ η χρόνια συνύπαρξη είχε μεταμορφώσει τις πράσινες σαύρες σε πρωταθλητές της αναρρίχησης.

Το ακόμα εντυπωσιακότερο στοιχείο ήταν ότι, στο παραπάνω διάστημα το οποίο αντιστοιχεί σε είκοσι γενιές σαύρες, οι πράσινες, είχαν εμφανίσει αλλαγές στην μορφολογία των ποδιών τους.  Για την ακρίβεια, τα διαστήματα μεταξύ των «δαχτύλων» τους είχαν αυξηθεί ενώ, τα μικροσκοπικά τριχίδια που, καλύπτουν μέρη του σώματός και τους επιτρέπουν να παραμένουν γαντζωμένες, είχαν επίσης αυξήσει το μήκος τους, αλλά και την ανθεκτικότητά τους.

Οι αλλαγές

Right foot of a green anole male. Note the expanded scales on the ends of the toes. These have special hairs on them that allow anoles to cling to surfaces using van der Waals forces. Yoel Stuart

Η επιστημονική εξήγηση είναι σχετικά απλή όσο και εντυπωσιακή: «Έχουν υπάρξει πολλά αντίστοιχα παραδείγματα στο παρελθόν, όπως με τους σπίνους του Δαρβίνου στα νησιά Γκαλαπάγκος, τις σαύρες στην Καραϊβική και το είδος Sorex araneus, μικρά σαρκοβόρα θηλαστικά που απαντώνται στη Βρετάνη. Σήμερα, ωστόσο, μπορούμε και καταλαβαίνουμε λίγο καλύτερα πώς είναι δυνατόν αυτές οι αλλαγές να γίνονται τόσο γρήγορα: σε συνθήκες στρες, με την ευρύτερη έννοια του όρου, ένας οργανισμός τροποποιεί ουσιαστικά την ανάγνωση των γονιδίων του, αναπτύσσοντας δυνατότητες που ως τότε παρέμεναν λανθάνουσες», όπως σημειώνει ο Ερβέ Γκιγιαντέρ, επικεφαλής του τμήματος βιολογίας στο Παν/μιο Pierre et Marie Curie.

Για την ιστορία, όπως αναφέρει, οποιαδήποτε άλλη υπόθεση των επιστημόνων η οποία θα μπορούσε να εξηγήσει το πώς οι πράσινες σαύρες μετατράπηκαν σε πρωταθλητές αναρρίχησης, απορρίφθηκε, προς όφελος της εξελικτικής αλλαγής στα γονίδιά τους η οποία, άλλωστε είναι και η μόνη εξήγηση για τις  αλλαγές στην μορφολογία των άκρων τους.

Τα μισά άστρα του Σύμπαντος είναι ορφανά! Up to Half of the Stars in the Entire Universe Are Lonely Orphans

Νέα μελέτη αναφέρει ότι δισεκατομμύρια άστρα «ζουν» μόνα τους έξω από τους γαλαξίες. Hubble eXtreme Deep Field "XDF" (2012) view - Except for a few stars, every speck of light is an entire galaxy - some as old as 13.2 billion years. Image credit: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

Αν επιβεβαιωθεί θα πρόκειται για μια από τις πιο εντυπωσιακές κοσμολογικές ανακαλύψεις. Έχει διαπιστωθεί ότι κάποιες κοσμικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να εκτρέψουν από την τροχιά τους τα άστρα και να τα υποχρεώσουν να εγκαταλείψουν με μεγάλη ταχύτητα τους μητρικούς τους γαλαξίες. Έχουν εντοπιστεί τέτοια άστρα αλλά τα μέχρι τώρα ευρήματα έδειχναν ότι το φαινόμενο είναι εξαιρετικά σπάνιο ότι τα άστρα που εγκαταλείπουν τους γαλαξίες τους δεν μπορεί να είναι περισσότερα από λίγες δεκάδες. Έχει επίσης παρατηρηθεί το φαινόμενο ομάδες άστρων να χάνουν τον... προσανατολισμό τους κατά τη διάρκεια γαλαξιακών συγκρούσεων και να βγαίνουν από τα σύνορα των γαλαξιών.

Observations from NASA's Cosmic Infrared Background Experiment, or CIBER, have shown a surprising surplus of infrared light filling the spaces between galaxies. How did the CIBER team measure this mysterious light? The CIBER data consist of maps of splashy background infrared light, which represent large-scale fluctuations in brightness. By measuring the brightness of these fluctuations, the scientists can estimate the total amount of light. To understand this, imagine trying to estimate the volume of ice in a collection of icebergs dotting a sea. You can't see below the surface, but can look out at the tips of the icebergs. The bigger the tip, the more iceberg that lies hidden underneath. By measuring the overall pattern of iceberg tips, you could figure out the total amount of ice. In this cartoon, the person in green would estimate more ice than the person in magenta, simply by seeing that the surface is rougher in their pond. Image credit: NASA/JPL-Caltech

Ομάδα επιστημόνων μελετώντας δεδομένα από την αποστολή CIBER αλλά και στοιχεία που έχει συλλέξει το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δισεκατομμύρια άστρα, «τα μισά άστρα του Σύμπαντος» όπως αναφέρουν χαρακτηριστικά, βρίσκονται έξω από τους γαλαξίες έχοντας δημιουργήσει ένα πελώριο ωκεανό... ορφανών άστρων. Η ανακάλυψη εκτός των άλλων προσφέρει μια εξήγηση στο γιατί το σύμπαν είναι πιο φωτεινό από ό,τι νομίζαμε.

Η μελέτη

This is a time-lapse photograph of the Cosmic Infrared Background Experiment (CIBER) rocket launch, taken from NASA's Wallops Flight Facility in Virginia in 2013. The image is from the last of four launches. Image Credit: T. Arai/University of Tokyo

Ομάδα των ερευνητών με επικεφαλής ειδικούς του Εργαστηρίου Αεριώθησης (JPL) της NASA και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) μελέτησαν στοιχεία που προέκυψαν από το «πείραμα κοσμικού υπέρυθρου υποβάθρου» (Cosmic Infrared Background Experiment - CIBER), το οποίο έλαβε χώρα μεταξύ 2010 - 2012 με τη βοήθεια ενός πυραύλου που εκτοξεύτηκε πάνω από την ατμόσφαιρα και συνέλεξε με δύο κάμερες όσο περισσότερο υπέρυθρο κοσμικό φως μπορούσε. Στη συνέχεια προχώρησαν σε έλεγχο των ευρημάτων της μελέτης χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer που παρατηρεί την υπέρυθρη ακτινοβολία.

This graphic illustrates how the Cosmic Infrared Background Experiment, or CIBER, team measures a diffuse glow of infrared light filling the spaces between galaxies. The glow does not come from any known stars and galaxies; instead, the CIBER data suggest it comes from stars flung out of galaxies. First, sky images are collected via different rocket flights. A small part of a sky image is shown in the left panel. The actual images are 20 times the area of the full moon. This wide field of view is one of the unique aspects of the CIBER experiment. The next step is to remove all the known stars and galaxies (middle panel). After this masking step is performed, the remaining data reveal overall large-scale patterns of light with lumps that are bigger than galaxies themselves (center panel). By smoothing over these data, we can see the large-scale patterns (right panel). The observed patterns ultimately reveal clues to the origin of the mysterious infrared background light. Image credit: NASA/JPL-Caltech

Τα ευρήματα δείχνουν ότι στο Σύμπαν υπάρχει πολύ περισσότερο υπέρυθρο φως από αυτό που μπορεί να εξηγηθεί από την παρουσία και φωτεινότητα των γαλαξιών. Αυτό σημαίνει ότι το υπόλοιπο φως προέρχεται πιθανώς από μια άλλη πηγή, μεγάλες «στρατιές» των αφανών άστρων που κινούνται ανάμεσα στους γαλαξίες και που όλα μαζί βγάζουν αρκετό φως για να δικαιολογήσουν τη συνολική φωταύγεια του σύμπαντος. «Τα άστρα αυτά παράγουν τόσο φως υποβάθρου, όσο όλοι μαζί οι γαλαξίες» αναφέρουν οι ερευνητές που δημοσιεύουν τη μελέτη τους στην επιθεώρηση «Science».

Τα ορφανά

These images from the Cosmic Infrared Background Experiment, or CIBER, show large patches of the sky at two different infrared wavelengths (1.1 microns and 1.6 microns) after all known galaxies have been subtracted out and the images smoothed to enhance the large structures. CIBER sees similar patterns at different wavelengths, supporting the idea that the light patterns arise from the same source. The CIBER team used multiple rocket flights to carefully account for all of the infrared emissions in our solar system and from the Milky Way to show that the light is coming from outside our own galaxy. Image credit: NASA/JPL-Caltech

Οι ερευνητές εκτιμούν ότι οι γαλαξιακές συγκρούσεις (ή γαλαξιακές συγχωνεύσεις) δεν υποχρεώνουν μικρές ομάδες άστρων να εγκαταλείπουν τους γαλαξίες αλλά εκδιώχνουν πολύ μεγάλο αριθμό άστρων. Σύμφωνα με τα στοιχεία που προέκυψαν από τη μελέτη τα ορφανά άστρα είναι μικρότερα σε μέγεθος, φωτεινότητα και θερμότητα από τον Ήλιο. 

This artist's concept shows a view of a number of galaxies sitting in huge halos of stars. The stars are too distant to be seen individually and instead are seen as a diffuse glow, colored yellow in this illustration. The CIBER rocket experiment detected this diffuse infrared background glow in the sky -- and, to the astronomers’ surprise, found that the glow between galaxies equals the total amount of infrared light coming from known galaxies. Credit: NASA/JPL-Caltech

Υπάρχουν πάντως επιστήμονες που εξέφρασαν την επιφύλαξή τους κατά πόσο όντως το πλεονάζον κοσμικό φως προέρχεται από εξωγαλαξιακά άστρα, κάτι που πρέπει να επιβεβαιωθεί από μελλοντικές έρευνες. Μια εναλλακτική εξήγηση είναι ότι το φως αυτό προέρχεται από πολύ μακρινούς γαλαξίες που δεν είναι ορατοί. Ανεξάρτητα πάντως από το ποιά θεωρία είναι ορθή φαίνεται ότι οι επιστήμονες γνωρίζουν λίγα πράγματα για το τι υπάρχει ανάμεσα στους γαλαξίες.