חלבונים משיני הקדמונים

אחד הדימויים המוכרים ביותר של האבולוציה הוא אותה סדרה של יצורים, תמיד זכרים משום מה, שמתחילים בצד אחד כחיה דמויית שימפנזה והולכים ונהיים דומים יותר ויותר לאדם המודרני, שמככב בצד השני כתוצאה הסופית של ההתפתחות. האמת, כמו בדרך כלל, הרבה יותר מורכבת. האבולוציה לא מתקדמת בקו ישר, ובעלי החיים אינם רק חוליה בשרשרת, שכל אחד מהם נמצא במקומו בין שתי חוליות אחרות. עץ החיים דומה יותר לשיח, עם ענפים צדדיים רבים שנכחדו לפני זמננו. בניסיוננו להבין את האבולוציה של האדם, אנחנו מסתמכים על העצמות, חלקי העצמות, ולעתים קרובות רק השיניים, שהן כל מה שנותר מהמינים השונים שהרכיבו את השושלת שלנו מאז שזו נפרדה מהשושלת של השימפנזים והבונובו, לפני כשבעה מיליון שנים. 

קשה מאוד לדעת אילו מהמינים האלו היו אבותינו, ואילו היו רק בני דודים רחוקים. חוקרים חלוקים ביניהם גם בהגדרות של המינים עצמם: האם שני מאובנים שנמצאו באותו אזור שייכים לאותו מין, או שהם שונים מספיק בשביל להגדיר אותם כמין נפרד? כשבידינו רק עצמות מעטות, קשה מאוד לענות על השאלות הללו.

האבולוציה לא מתקדמת בקו ישר. פרימטים מתקופות שונות | איור: David Gifford / Science Photo Library

ליד האדם

דוגמה טובה לכך היא מינים מהסוג פרנתרופוס (Paranthropus). פירוש השם הוא "ליד האדם", ומשקף את אמונת החוקרים בקשר למיקומו בעץ המשפחתי: ענף צדדי, בניגוד למין ממנו בסופו של דבר התפתח האדם המודרני. הפרנתרופוסים היו יצורים קטנים למדי, גובהם כ-1.30-1.20 מטר. מוחם היה גדול מזה של שימפנזה, אך קטן בהרבה מזה של בני אדם, והם הלכו על שתיים כמונו. המאפיין הבולט ביותר שלהם נוגע ללעיסה: היו להם שיניים גדולות וחזקות במיוחד, ועצמות הגולגולת שלהם מעידות על שרירי לסת חזקים ביותר. ככל הנראה הם היו מותאמים לצריכת מזון צמחי קשה, אך בהחלט ייתכן שהשלימו את תזונתם מהחי.

הפרנתרופוסים התפתחו לפני כ-2.8 מיליון שנים, ונכחדו לפני כמיליון שנים. כרגע מוכרים שלושה מיני פרנתרופוס, שניים שמאובנים שלהם נמצאו במזרח אפריקה – אתיופיה, קניה, טנזניה ועוד – ואחד שחי בדרום אפריקה. עם זאת, עדיין יש מחלוקת בנושא זה בקרב החוקרים: יש כאלו שחושבים ששני המינים המזרח אפריקאים הם בעצם מין אחד, וההבדלים בין המאובנים נובעים משונות גנטית באותה אוכלוסייה; אחרים טוענים לעומתם שייתכן שדווקא המאובנים מדרום אפריקה מסווגים לא נכון, ושייכים לשני מינים ולא לאחד. 

במאמר חדש, שעוד לא עבר ביקורת עמיתים, חוקרים מאירופה מציעים דרך חדשה ליישב כמה מהמחלוקות, בעזרת מידע גנטי שנלקח מהמאובנים. אמנם הפרנתרופוסים עתיקים מכדי שניתן יהיה להפיק מהם DNA, אך החוקרים הצליחו להוציא משיניהם חלבונים, שמהם אפשר להסיק מהו הרצף הגנטי שעל פיו הם נוצרו.

המין הזה חי מלפני 2.2 מיליון שנה עד לפני מיליון שנה. גולגולת ופנים משוחזרות של פרנתרופוס רובוסטוס. איור: Mauricio Anton / Science Photo Library

תחום חדש, תגליות גדולות

חקר DNA קדום הוא תחום חדש למדי, אך כבר רשומות על שמו תגליות משמעותיות ומפתיעות, במיוחד בכל הנוגע לאבולוציה של האדם. ב-2010 התפרסם לראשונה רצף ה-DNA של ניאנדרטלים, מין קרוב אלינו שחי באירופה ובאסיה עד לפני כ-40 אלף שנים. כאשר חוקרים השוו בין הרצף הזה לבין הגנום של בני אדם מודרניים התברר שרבים מאיתנו נושאים גנים ניאנדרטליים, דבר שמעיד על כך שאבותינו העמידו צאצאים עם קרובינו הקדומים. רק כמה חודשים מאוחר יותר התפרסם רצף גנטי נוסף, מ-DNA של מאובן שנמצא במערת דניסובה בסיביר. החוקרים חשבו שהוא שייך לניאנדרטל, אך הגנום שלו היה שונה משמעותית מזה שנמצא לפני כן. כך התגלה האדם הדניסובי, על סמך DNA בלבד. 

הבעיה עם DNA היא שהוא אינו נשמר לעד. ברגע שהיצור החי מת, החומר הגנטי שלו מתחיל להתפרק, כך שלאחר זמן מסוים אנחנו נשארים עם אבני הבניין של ה-DNA בלבד, ללא כל רמז לרצף בו הן היו מסודרות – שהוא הדבר אותו אנחנו רוצים לגלות. בשנים האחרונות הצליחו חוקרים להפיק DNA ממאובנים יותר ויותר עתיקים, אפילו בני יותר ממיליון שנה. זה התאפשר משום שהמאובנים היו שמורים בקירור עמוק: היו אלו שיניים של ממותות שנמצאו קבורות בקפאת עד (Permafrost), אדמה קפואה באופן קבוע. התנאים האלו מאטים מאוד את פירוק ה-DNA, ולכן הם אידיאליים למחקרים מסוג זה. למרבה הצער באפריקה, שבה התרחשה רוב האבולוציה של האדם, אין קפאת עד מלבד בפסגת הקילימנג'רו, ולכן אנחנו יכולים להשיג מידע גנטי ממאובנים בני כמה מאות אלפי שנים, לכל היותר.

מידע גנטי מחלבונים 

כאן נכנסים לתמונה חלבונים. חלבונים בנויים כשרשראות ארוכות של אבני בניין, שנקראות חומצות אמינו. הגנים מכילים הוראות לבניית חלבונים, כלומר מה יהיה הרצף המדויק של חומצות האמינו לאורך השרשרת. אם אנחנו יודעים את הרצף של חלבון מסוים, אנחנו יכולים להסיק ממנו על הרצף של הגן שאחראי לייצורו.

החומר הגנטי אינו יציב, לעומת חלבונים שיכולים לשרוד גם לאחר מיליוני שנים. הפקת DNA מעצם מאובנת של דוב דנינגרי (מערות) | צילום: Javier Trueba / MSF / Science Photo Library

בתאי הגוף שלנו יש הרבה יותר חלבונים מאשר DNA, וחלקם עמידים יותר ומסוגלים לשמור על רצף חומצות האמינו שלהם גם לאחר כמה מיליוני שנים. ב-2016 הצליחו חוקרים להפיק חלבון מקליפה של ביצת יען בת 3.8 מיליוני שנים. חלבונים הופקו גם ממאובנים בשושלת האדם. במקרה אחד, חלבון משיניים שנמצאו במערה בטיבט איפשר לחוקרים לקבוע שהן היו שייכות לאדם דניסובי, וכך להרחיב את תחום המחיה של הדניסובים אל מחוץ למערת דניסובה. החיסרון של החלבונים הוא שהם מעניקים לנו מידע גנטי מוגבל מאוד: לרוב החוקרים מצליחים להפיק מהמאובנים העתיקים רק מספר קטן של סוגי חלבונים, כך שאנחנו יכולים לשחזר מספר קטן של גנים מתוך יותר מעשרים אלף הגנים שיש בגנום שלנו. 

זכרים, נקבות ושונות גנטית

במחקר החדש הצליחו החוקרים להפיק חלבונים מאמייל השיניים, השכבה הקשיחה שמצפה את השן, של ארבעה מאובנים מהמין פרנתרופוס רובוסטוס (Paranthropus robustus). המאובנים תוארכו ללפני כשני מיליון שנים, ונמצאו במערה בדרום אפריקה. בעזרתם למדו החוקרים כמה דברים על המגוון הגנטי במין זה, וגם על השוני הגופני בין זכרים ונקבות.

בין החלבונים שהופקו מהשיניים היה גם החלבון אמלוגנין-Y (Amelogenin-Y), שהגן האחראי לו שוכן בכרומוזום Y, ולכן הוא נמצא רק אצל זכרים. כך יכלו החוקרים לקבוע מי מהמאובנים היה זכר ומי נקבה. מתוך ארבעת המאובנים, שניים הכילו את החלבון ולכן היו זכרים. בשניים הוא לא נמצא, אך נמצא בהם ריכוז גבוה של הגרסה של החלבון שהגן האחראי לה שוכן בכרומוזום X, ואלו ככל הנראה היו נקבות. אחד משני הזכרים סווג קודם לכן כנקבה על סמך העצמות שלו, משום שהיה קטן מהממוצע. המידע החדש מראה, אם כך, שלא ניתן להתבסס על גודל הגוף בלבד כדי לקבוע את המין של פרנתרופוס.

החוקרים הפיקו מאמייל השיניים חלבון בן כשני מיליון שנה. גולגולת (ללא לסת) של זכר פרנתרופוס רובוסטוס. צילום: Ditsong National Museum of Natural History, Wikimedia Commons (CC BY-SA)

השוואה בין המידע הגנטי של ארבעת המאובנים הראתה שאחד מהם היה שונה גנטית מהשאר, ואולי השתייך לקבוצה אחרת. חוקרים העלו בעבר את ההשערה שמאובני הפרנתרופוסים שנמצאו בדרום אפריקה שייכים לכמה קבוצות השונות גנטית זו מזו, ואולי אפילו מינים שונים, בשל ההבדלים האנטומיים ביניהם. אחרים טענו שייתכן שמדובר פשוט בהבדלים במבני גוף בין זכרים ונקבות, או שמאובנים שונים זה מזה הגיעו מתקופות שונות, ומשקפים שינויים אנטומיים שהמין עבר עם הזמן. מידע גנטי יכול לעזור לחוקרים להכריע בין האפשרויות הללו. במקרה זה, ארבעת המאובנים הגיעו מאותה שכבה גיאולוגית וכנראה חיו בערך באותו זמן, כך שהשינויים הגנטיים ביניהם מראים על מגוון גנטי באוכלוסייה, ולא שינוי אבולוציוני לאורך דורות.

הערך המרכזי של הממצאים במחקר החדש הוא לא המידע עצמו, שהוא מוגבל למדי – כמה חלבונים מארבעה מאובנים בלבד – אלא הדלת שהם פותחים למחקרים עתידיים. המאובנים מהם הופקו החלבונים נמצאו בתוך אדמת סחף שקברה אותם, ושמרה עליהם בתנאים טובים יחסית. עם זאת, לא מדובר בקפאת עד, או שום דבר שדומה לזה. מאובנים רבים נוספים, באפריקה ומחוצה לה, נמצאו בתנאים דומים. בעתיד הקרוב נראה בוודאי מחקרים נוספים שיעשו שימוש באותן שיטות כדי להפיק חלבונים ממגוון מאובנים, שמייצגים מינים שונים בשושלת האדם. מחקרי ה-DNA הקדום לימדו אותנו רבות על קרובי משפחתינו הניאנדרטלים והדניסובים. יהיה מעניין מאוד לראות מה החלבונים ילמדו אותנו על המשפחה המורחבת יותר שלנו, ואם יצליחו לענות על כמה מהשאלות הרבות שנותרו עדיין פתוחות.