Артефакти, зроблені з каменю, кісток або зубів, дають важливу інформацію про стратегії існування ранніх людей, їх поведінку та культуру. Однак досі було важко віднести ці артефакти до конкретних осіб, оскільки поховання та могильний інвентар були дуже рідкісними в палеоліті. Це обмежувало можливості робити висновки про, наприклад, розподіл праці чи соціальні ролі індивідів у цей період.

Для того, щоб безпосередньо пов’язати культурні об’єкти з конкретними особами та таким чином отримати глибше розуміння палеолітичних суспільств, міжнародна міждисциплінарна дослідницька група під керівництвом Інституту еволюційної антропології імені Макса Планка в Лейпцигу розробила новий неруйнівний метод ізоляції ДНК. з кісток і зубів. Хоча вони, як правило, зустрічаються рідше, ніж кам’яні інструменти, вчені зосередилися саме на артефактах, виготовлених з елементів скелета, оскільки вони є більш пористими й, отже, з більшою ймовірністю зберігають ДНК у клітинах шкіри, поті та інших рідинах організму.

Новий метод виділення ДНК

Перш ніж команда могла працювати зі справжніми артефактами, вони спочатку повинні були переконатися, що цінні об’єкти не будуть пошкоджені. «Структура поверхні артефактів палеолітичної кістки та зубів надає важливу інформацію про їхнє виробництво та використання. Тому збереження цілісності артефактів, у тому числі мікроструктур на їхній поверхні, було головним пріоритетом», — каже Марі Сорессі, археолог з Університету ім. Лейден, який керував роботою разом з Маттіасом Мейєром, генетиком Макса Планка.

Команда перевірила вплив різних хімічних речовин на поверхневу структуру археологічних кісток і шматочків зубів і розробила неруйнівний метод вилучення ДНК на основі фосфатів. «Можна сказати, що ми створили пральну машину для стародавніх артефактів у нашій чистій лабораторії», — пояснює Олена Ессель, провідний автор дослідження, яка розробила метод. «Промиваючи артефакти при температурі до 90°C, ми можемо витягти ДНК із промивних вод, зберігаючи артефакти недоторканими».

Ранні невдачі

Команда вперше застосувала цей метод до набору артефактів із французької печери Кінсей, розкопаної ще в 1970-1990-х роках. Хоча в деяких випадках можна було ідентифікувати ДНК тварин, з яких були зроблені артефакти, переважна більшість отриманої ДНК походила від людей, які працювали з артефактами під час або після розкопок. Це ускладнювало ідентифікацію стародавньої людської ДНК.Щоб подолати проблему сучасного зараження людиною, дослідники зосередилися на матеріалі, щойно викопаному в рукавичках і масках і поміщеному в чисті поліетиленові пакети з осадом. Три підвіски із зубами з печери Бачо Кіро в Болгарії, де мешкають найдавніші надійно датовані сучасні люди в Європі, продемонстрували значно нижчий рівень забруднення сучасної ДНК; однак у цих зразках не вдалося ідентифікувати ДНК давньої людини.

Підвіска з Денисової печери

Нарешті цей прорив уможливили Максим Козлікін і Михайло Шунков, археологи, які розкопували знамениту Денисову печеру в Росії. У 2019 році, не знаючи про новий метод, розроблений у Лейпцигу, вони ретельно розкопали та відклали підвіску із зуба оленя верхнього палеоліту. Завдяки цьому генетики в Лейпцигу виділили не тільки ДНК самої тварини, оленя вапіті, але й велику кількість ДНК давньої людини. «Кількість людської ДНК, яку ми вилучили з кулона, була надзвичайною, — каже Олена Ессель, — майже так, ніби ми взяли зразок людського зуба». Висновки опубліковані в журналі Nature.

Проколотий зуб оленя, знайдений у Денисовій печері після екстракції ДНК. Авторство: Інститут еволюційної антропології Макса Планка

Ґрунтуючись на аналізі мітохондріальної ДНК, невеликої частини геному, яка виключно успадковується від матері їхнім дітям, дослідники дійшли висновку, що більша частина ДНК, ймовірно, походить від однієї людини. Використовуючи вапіті та мітохондріальний геном людини, вони змогли оцінити вік кулона від 19 000 до 25 000 років, не беручи зразків дорогоцінного об’єкта для датування C14.

Окрім мітохондріальної ДНК, дослідники також відновили значну частину ядерного геному її власника. За кількістю Х-хромосом вони визначили, що кулон виготовлено, використано або носила жінка. Вони також виявили, що ця жінка була генетично тісно пов’язана з одночасними стародавніми особами з далі на схід Сибіру, ​​так званими «давніми північноєвразійцями», скелетні останки яких були проаналізовані раніше. «Криміналісти не здивуються, що ДНК людини можна виділити з об’єкта, з яким багато працювали, — говорить Матіас Мейєр, — але дивно, що це все ще можливо через 20 000 років».

Тепер вчені сподіваються застосувати свій метод до багатьох інших предметів, виготовлених із кісток і зубів у кам’яному віці, щоб дізнатися більше про генетичне походження та стать людей, які їх виготовляли, використовували або носили.

Вчені з Чиказького університету виявили зв’язок між фотосинтезом і екситонними конденсатами, фізичним станом, який дозволяє енергії текти без тертя. Ця дивовижна знахідка, як правило, пов’язана з матеріалами, температура яких значно нижча від кімнатної, може стати основою для майбутнього електронного дизайну та допомогти розгадати складні атомні взаємодії.

Усередині лабораторії вчені дивуються дивному стану, який утворюється, коли вони охолоджують атоми майже до абсолютного нуля. За своїм вікном дерева збирають сонячне світло і перетворюють його на нове листя. Ці два здаються не пов’язаними, але нове дослідження Чиказького університету показує, що ці процеси не такі вже й різні, як може здатися на поверхні.

Дослідження, опубліковане в  PRX Energy  28 квітня, виявило зв’язки на атомному рівні між фотосинтезом і екситонними конденсатами — дивним фізичним станом, який дозволяє енергії без тертя протікати через матеріал. За словами авторів, ця знахідка є науково інтригуючою та може запропонувати нові шляхи мислення щодо розробки електроніки.

«Наскільки нам відомо, ці області ніколи раніше не були пов’язані, тому ми знайшли це дуже переконливим і захоплюючим», — сказав співавтор дослідження професор Девід Мацціотті.

Лабораторія Мацціотті спеціалізується на моделюванні складних взаємодій атомів і молекул, оскільки вони демонструють цікаві властивості. Неможливо побачити ці взаємодії неозброєним оком, тому комп’ютерне моделювання може дати вченим вікно в те,  чому  така поведінка відбувається, а також може стати основою для розробки майбутніх технологій.

Зокрема, Мазіотті та співавтори дослідження Анна Шоутен і ЛіЕнн Сагер-Сміт моделювали те, що відбувається на молекулярному рівні, коли відбувається фотосинтез. Коли фотон від сонця потрапляє на листок, він викликає зміни в спеціально розробленій молекулі. Енергія вибиває електрон. Електрон і «дірка», де вона була раніше, тепер можуть подорожувати навколо листка, переносячи енергію сонця в іншу область, де вона запускає хімічну реакцію з утворення цукру для рослини.

Разом ця пара електронів і дірок, що рухаються, називається «екситоном». Коли команда дослідників з висоти пташиного польоту змоделювала рух кількох екситонів, вони помітили щось дивне. Вони побачили візерунки на шляху екситонів, які виглядали напрочуд знайомими.

Насправді це було дуже схоже на поведінку матеріалу, відомого як конденсат Бозе-Ейнштейна, який іноді називають «п’ятим станом матерії». У цьому матеріалі екситони можуть з’єднуватися в один і той самий квантовий стан — щось на зразок набору дзвонів, які дзвонять ідеально в гармонії. Це дозволяє енергії рухатися навколо матеріалу без тертя. (Ці види дивної поведінки інтригують вчених, тому що вони можуть стати зародком для чудової технології — наприклад, подібний стан, який називається надпровідністю, є основою для машин МРТ).