Про методи датування в археології та генетиці

08.03.202427.03.2024 Галина Водяк

Більш ніж половина стародавніх остеологічних зразків у світі вже датовані з допомогою радіовуглецевого датування.

Усі археозразки, які раніше були датовані опосередковано тільки на основі археологічного контексту (40%), з часом треба буде датувати сучасними методами, зокрема:

радіовуглецеве датування – основний метод;
молекулярне датування (MD);
мутаційне датування (D- статистика) – зміни в послідовності ДНК;
алельне датування (TPS);

Чому це важливо? Наприклад, відповідно до радіовуглецевого датування, атрибуція черепів кам’яного віку з Литви була переглянута: добре відомий череп Кірсна, який вважався мезолітичним, насправді належав до бронзового віку (2895 ± 55 BP), а новий череп із Донкальніса і Спігінаса – 4050-6660 років до нашої ери (район озера Біржуліс із Західної Литви)[1].

Інтерпретація в контексті певного археологічного та геологічного шару скелетних знахідок уже неодноразово призводила до непорозумінь. Наприклад, кістка з печери Дарра-і-Кур в Афганістані, яка спочатку вважалася пов’язаною з відкладеннями плейстоценового віку (30 000 років тому), виявилась з бронзової доби. Хоча ці кістки знайшли серед шару, що містить мустьєрські артефакти. Нове радіовуглецеве датування поміщає знахідку в період ~4500 років тому (~2500 р. до н.е.), що суперечить передбачуваному палеолітичному віку ~30 000 років, як спочатку припускалося[2]. Ним виявився прийшлий з Північного Причорномор’я індоєвропеєць з материнською H2a (зразок KX638446 – Н2а7, TRMCA 3100 р. до н.е.). Сучасні нащадки його живуть в Гімалаях між Індією та Тибетом (ФДР Непал). Предкова гаплогрупа H2a була поширена на теренах України з часів мезоліту.

Радіовуглецеве датування – метод вимірювання ступеню розпаду ізотопів радіоактивного вуглецю в об’єктах, що містять вуглецевий матеріал. Співвідношення ізотопів вуглецю C залишаються відносно постійними протягом життя організму. Після смерті організму радіоактивний C розпадається з передбачуваною швидкістю. Оскільки відома швидкість розпаду ізотопів вуглецю відносно часу, вчені досить точно датують стародавні зразки.

Результати різних методів зазвичай збігаються та підтверджують радіовуглецеве датування, яке дає можливість точно оцінювати дати до 50 000 років, проте бувають і винятки.

Радіовуглецеве датування – найбільш поширений метод, застосовують до органічної речовини використовуючи оцінку розпаду вуглецю з часом (атоми C розпадаються на нукліди N з періодом напіврозпаду ~5700 років, тоді як їх концентрація ізотопів вуглецю (C) в біосфері залишається постійною. Але оскільки для цього типу датування необхідно вилучити значну кількість колагену, що не завжди вдається, тому половина стародавніх геномів не мала надійних дат. Для цього й потрібні додаткові методи датування, як TPS і MD.

В бронзову добу незначна похибка, або діапазон дат може бути в межах 100-200 років, але не тисячоліття, як дехто собі це уявляє. Тому у зразках з печери Вертера чітко розмежовують трипільців (3770-3640 р. до н.е.) та представників бронзового (1960-1770 р. до н.е.) і раннього залізного віку (980-825 р.до н. е.). Щоправда, зразки періоду мезоліту інколи датують враховуючи зсув в діапазоні дат у 500 років, особливо коли мова йде про датування остеологічних решток людей, які споживали в основному рибу. Адже тварини отримують вуглець, коли споживають рослинну їжу. Тому додатково доцільно проводити також ізотопний аналіз, який розповість про те, де жили люди впродовж життя і чим харчувались. Співвідношення вуглецю (С12) до радіовуглецю (С14) відрізняється у різних природніх середовищах, у воді, біосфері та атмосфері. Організми на суші знаходяться в тіснішій рівновазі з атмосферою і мають стабільні C /¹²C співвідношення. Тобто, ефект «водний резервуар» , на відміну від біо-атмосферного резервуару», та варіації співвідношення ¹⁴C /¹²С в різних водоймах беруть до уваги при датуванні.

В природі вуглець існує у вигляді трьох ізотопів, два стабільних, нерадіоактивних: вуглець-12С, і вуглець-13С і радіоактивний вуглець (радіо вуглець) – 14С.

Радіовуглець постійно створюється в атмосфері Землі в результаті взаємодії космічних променів з атмосферним азотом . Отриманий С з’єднується з атмосферним киснем, утворюючи радіоактивний вуглекислий газ , який потрапляє в рослини шляхом фотосинтезу. Коли тварина або рослина гине, вони припиняють обмін вуглецем із навколишнім середовищем, тоді у них розпочинається процес радіоактивного розпаду вуглецю. Період часу, після якого половина даного зразка розпадеться, становить близько 5730 років, і називають його напіврозпадом радіовуглецю. Радіовуглецевим методом можна датувати зразки віком до 50 000 років тому.

Станом на 2022 рік, лише 50% з приблизно 6500 стародавніх скелетів, ДНК яких секвенували й опублікували, були датовані радіовуглецевим методом (Sara Behnamian, 2022). На сьогодні кількість таких археозразків понад 10000. Радіовуглецеве датування досі вважають золотим стандартом. За останні 80 років було зроблено багато вдосконалень оригінального методу та точності датування з урахуванням похибок спричинених забрудненням та ефектом «водного резервуара». Хоча раніше траплялись випадки, коли результати різних лабораторій визначали радіовуглецевий вік, який відрізнявся до 1000 років і більше. Для розв’язання спірних питань існують додаткові можливості датування, про які я розповім у цій статті.

У генетиків розроблені свої методи датування стародавніх зразків. На сьогодні зібрано дані про геноми понад 10 000 стародавніх людей у світі. Геномне датування має величезний потенціал. ЦЕ незалежний підхід до перевірки наявних результатів. Порівняно з радіовуглецевим датуванням, аналіз ДНК потребує менше матеріалу, тому може використовуватись замість рідіовуглецевого аналізу.

Молекулярне датування (MD) – годинник рекомбінації – моделювання швидкості рекомбінації в геномі – датування молекулярного розпаду – статистичний аналіз швидкості зміни послідовностей ДНК або амінокислот.

Молекулярний годинник – це зміна амінокислот у первинній структурі білка з часом, тобто молекулярні зміни з часом у мітохондріальному білку (мтДНК). Датування молекулярного розпаду підходить для різних органічних матеріалів (наприклад, дерева, кори, соломи та паперу), білковий матеріал (волосся, яке містить кератин з амінокислотами), кістки скелета, шкіра (колаген)[3]

Дивлячись на мутації ДНК між видами, можна зазирнути в минуле й точно оцінити, коли на дереві життя утворилися нові гілки, навіть без датованих скам’янілостей. На підставі відмінностей у послідовності основ у генетичній інформації (дезоксирибонуклеїнова кислота, ДНК) двох видів можна реконструювати, коли вони повинні були походити від спільного предка[4].

«Еволюція відбувається завдяки генетичним мутаціям. У той час як деякі мутації впливають на здатність організму виживати та розмножуватися, більшість є нейтральними та не мають жодного ефекту. Нейтральні мутації відіграють важливу роль у вивченні еволюції, оскільки вони, як правило, накопичуються з постійною швидкістю з часом. Цей результат, вперше виявлений 50 років тому, дозволяє використовувати нейтральні мутації як «молекулярний годинник»…[5]

2. D- статистика – на основі швидкості мутацій – пов’язані з нею показники ґрунтуються на припущенні про те, що швидкість мутації є постійною, але це припущення інколи викликає критику у зв’язку з кількома повідомленнями про коливання частоти мутацій між різними людськими популяціями.

«Зміни в послідовностях ДНК і амінокислот постійно накопичуються в геномі з часом, тому порівняння послідовностей ДНК між лініями дозволяє нам оцінити час з моменту, коли вони востаннє мали спільного предка»[6].

MRCA – most recent common ancestor – у біології та генеалогії останній спільний предок.

TMRCA – time to most recent common ancestor – оцінка часу до останнього спільного предка. На основі результатів тесту ДНК та встановлених частот мутацій, можна розрахувати час до останніх оцінок загального предка (TMRCA).

LCA – last common ancestor – останній спільний предок – родоначальник, найновіша особина, від якої походять усі наступні організми набору, зокрема, в генетиці це можна простежити за гаплотипами гаплогруп.

Наприклад, розглянемо зразок материнської лінії раннього скіфа з Куп’євахи (H11b1, 8-5 ст. до н.е.), групи курганів з берегів правої притоки річки Ворскла (р.Березівка Харківської обл., Україна). H11b1 – це гаплотип гаплогрупи Н, яку цей скіф успадкував від матері. Цей гаплотип до сьогодні можна знайти серед багатьох європейців, зокрема на Family Tree DNA серед українців (7 зр.), шведів (13 зр.), поляків (27 зр.), німців (5). На філогенетичному дереві поява гаплогрупи Н датована 19000 років тому, останній спільний предок жив в мезоліті 13000 років тому (11тис. років до н.е.). 10 000 років тому деякі нащадки цієї гаплогрупи вже полювали в Європі, зокрема, в Україні (зразок з Василівки (NEO 1496) – 8700 р. до н.е. гаплотип H2a2a1). Але жінок з гаплотипом Н11 в мезоліті ще не знайшли. Це відгалуження з часів неолітичних мисливців та фермерів Європи.

Гаплотип H11 формується 4700 років до нашої ери, а жінка-спільний предок усіх родичів з цієї гілки (TMRCA) жила 2000 років до н.е., дуже ймовірно, що на теренах сучасної України, або десь між Чорним та Балтійським морем. Нащадки цієї лінії НЕ мігрували з індоєвропейцями на схід, а лише на захід та північ Європи. Материнську лінію H11a виявили 4200 років до н.е. в нарвській культурі Литви у мисливця-збирача з автохтонною європейською чоловічою гаплогрупою І2а (Spiginas1), 2250 років до н.е. в культурі шнурової кераміки Швейцарії, 2200-1500 років до н.е. в культурі Унетік (Benzingerode-Heimburg, Germany), 1746-1611 років до н.е. на теренах сучасної Угорщини (Százhalombatta-Földvár).

Але сестринська лінія H11b в бронзову добузалишилась в Україні та Польщі. Зокрема, ми її знаходимо в культурі Тшинецького кола (Żerniki Górne, Poland, poz667 –mtDNA H11b / Y- I2a1a1b1a1) 1400-1200 років до н.е. , археологічної спадкоємиці культури шнурової кераміки та лійчастого посуду. А в залізну добу H11b1 серед скіфських зразків з України. Тобто, за материнською лінією цей скіф з протоукраїнських автохтонів.

Гаплотип H11b формується 2000 років до нашої ери, а жінка-спільний предок усіх родичів з цієї гілки (TMRCA) жила в 10 ст. до н.е.
Гаплотип H11b1 формується в 10 ст. до нашої ери, а жінка-спільний предок усіх сучасних родичів з цієї гілки (TMRCA) жила на межі нашої ери. Зокрема, скіф з Куп’євахи (Україна) споріднений безпосередньо з ними за материнською лінією. Серед азійських саків та сарматів цієї лінії НЕ виявили, хоч у них також присутні європейські за походженням лінії мтДНК з часів індоєвропейських міграцій.
Гаплотип H11b1а – формується на початку нашої ери, а жінка-спільний предок усіх сучасних родичів з цієї гілки (TMRCA) жила в 5 ст. На цій гілці українці, німці та поляки.
Гаплотип H11b1а1a – формується 5 ст, а жінка-спільний предок усіх сучасних родичів з цієї гілки (TMRCA) жила 200 років тому. На цій гілці одна людина з Польщі, друга – з України (Львівська обл..). Вони 3-5- рідні брати або сестри. 200 років тому у них була спільна пра-прабабуся, в гаплотипі якої з’явився новий своєрідний маркер H11b1а1a. Ця жінка – це LCA – last common ancestor – останній спільний предок – родоначальник, найновіша особина, від якої походять усі наступні організми набору.

Дивергенція популяцій — це процес, коли популяції одного походження накопичують генетичні мутації протягом певного періоду часу, створюючи достатню генетичну відмінність від інших популяцій в результаті тривалого періоду репродуктивної ізоляції.

3. TPS — Модель часової структури населення – на основі різних частот алелей у відповідних періодах, тобто алельних комбінаціях.

Це інструмент геномного датування на основі штучного інтелекту, який перетворює дані ДНК на дати від пізнього мезоліту до сучасності (для геномів молодше <10 000 років тому).

Існують маркери, які демонструють суттєво різні частоти алелів між різними періодами, незалежно від географії, що можна використовувати для оцінки часових тенденцій. Генетики назвали ці маркери інформативними маркерами часу (TIM).

У 2022 р. щодо цієї тематики вийшла стаття Sara Behnamian та ін.. «Тимчасова структура популяції, метод генетичного датування стародавніх євразійських геномів за останні 10 000 років», в якій розповідають наступне:

«TPS можна використовувати, коли радіовуглецеве датування є неможливим або невизначеним, або для розробки альтернативних гіпотез для зразків, молодших за 10 000 років тому».
«Через природний відбір чи генетичний дрейф зміни в алельних частотах з часом створюють унікальні алельні комбінації в багатьох локусах, які характеризують історичний період (а не місце), коли люди жили. Ми назвали ці комбінації алельних частот часовими компонентами. Завдяки зв’язку з часом часові компоненти можна використовувати для перетворення геномних даних у час і прогнозування віку зразка виключно на основі даних генотипу»[7].

Отже, сьогодні в науковців існує широкий спектр надійних методів датування, окрім археологічного та геологічного контексту, найважливіше місце посідає визначення радіовуглецевих дат і співвідношення стабільних ізотопів із людських останків, а також допоміжні генетичні методи, математичні моделі яких пов’язані зі швидкістю мутацій та зміни послідовності в ДНК.

[1] Česnys G. Reinventing Mesolithic skulls in Lithuania: Donkalnis and Spiginas sites. [Електронний ресурс] / G. Česnys, A. Butrimas // Academic Journal EBSCO. – 2009. – Режим доступу до ресурсу: https://openurl.ebsco.com/EPDB%3Agcd%3A3%3A4669651/detailv2?sid=ebsco%3Aplink%3Ascholar&id=ebsco%3Agcd%3A43565495&crl=c

[2] Direct radiocarbon dating and DNA analysis of the Darra-i-Kur (Afghanistan) human temporal bone [Електронний ресурс] / Katerina Douka, Viviane Slon, Chris Stringer та ін.] // Science Direct. – 2017. – Режим доступу до ресурсу: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0047248417301136#preview-section-cited-by

[3] Recent developments in using the molecular decay dating method: a review – 2021. Johannes Tintnerhttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8247969/

[4] A new pace for molecular clocks [Електронний ресурс] // TUM School of Life Sciences. – 2023. – Режим доступу до ресурсу: https://www.ls.tum.de/en/ls/public-relations/news/news-detail/article/a-new-pace-for-molecular-clocks/

[5] Allen B, Sample C, Dementieva Y, Medeiros RC, Paoletti C, Nowak MA (2015) The Molecular Clock of Neutral Evolution Can Be Accelerated or Slowed by Asymmetric Spatial Structure. PLoS Comput Biol 11(2): e1004108. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004108

[6] Дюшен, Д., Бромхем, Л. (2013). Молекулярне датування еволюційних подій. У: Rink, W., Thompson, J. (eds) Encyclopedia of Scientific Dating Methods. Спрінгер, Дордрехт. https://doi.org/10.1007/978-94-007-6326-5_18-1

[7] Temporal population structure, a genetic dating method for ancient Eurasian genomes from the past 10,000 years» – Sara Behnamian, 2022. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667237522001473