Forskerne løser menneskets tre største gåter

Proteiner skal avgjøre den ultimate farskapssaken

En tann fra et neshorn, en 300 kilo tung ape, to utdøde menneskearter og en forskergruppe i København – alle inngår de i historien om hvordan en helt ny metode som involverer urgamle proteiner, kan avsløre hvem som ga opphav til menneskeheten.

Jekselen er fem centimeter bred og fire centimeter høy og ikke så veldig imponerende. For 1,77 millioner år siden satt den i munnen på et nå utdødd neshorn som streifet rundt i Dmanisi i Georgia.

I dag har tannen åpnet opp for en ny tidsalder i utforskningen av vår egen arts historie.

Takket være de oppdagelsene som forskerne gjorde mens de undersøkte tannen, kan vi nå kartlegge stamtreet vårt i detalj flere millioner år lenger tilbake i tid enn det hittil har vært mulig.

Dermed vil forskerne for første gang kunne peke ut den arten som ga opphav til hele menneskeheten – og de er allerede tett på å løse oppgaven.

Neshornets tann ble i 2019 berømt i vitenskapens verden da en forskergruppe under ledelse av biokjemikeren Enrico Cappellini fra Københavns Universitet publiserte resultatene fra sin analyse av den.

På grunn av tannens høye alder inneholder den ikke lenger brukbart DNA, og forskerne så i stedet på innholdet av proteiner.

Proteiner dannes ut fra cellenes gener, og de avspeiler derfor genenes DNA-sekvenser. På samme måte som gener kan proteiner dermed avsløre eierens slektskapsforhold.

Forskerne brukte en ny variant av teknologien massespektrometri til å analysere proteinene i tannen, og de kunne deretter sammenligne dem med tilsvarende proteiner fra andre utdøde og nålevende neshornarter.

Det viste seg at tannens eier tilhører en gren av stamtreet som senere ble splittet til andre arter, for eksempel det ullhårete neshornet som døde ut etter forrige istid, for om lag 8000 år siden.

Studiene viste dessuten at fossilet deler stamfar med Sumatra- neshornet, som fortsatt lever.

Tenner låser opp en million år

For 1,77 millioner år siden, da det utdødde neshornet fra Dmanisi fortsatt gomlet i seg blader, var kloden midt i en istid.

Gigantiske ismasser gled fram og tilbake over den nordlige halvkule, og det var fortsatt en million år til vår egen art, Homo sapiens, kom til verden.

Men forfedrene våre var i full gang med å innta verden.

Denne fjerne fortiden har så langt vært utenfor rekkevidde når det gjelder studier av gener.

Det eldste DNA-et forskerne har kunnet få fatt i, er 700 000 år gammelt, og det stammer fra en hest, men som regel holder DNA bare noen få hundre tusen år.

Hestens DNA holdt seg så lenge fordi den lå i et polarområde der det har vært konstant frost. Og så heldige er vi ikke med fossiler fra vår egen utviklingshistorie, som foregikk i varmere områder.

Med forskernes nye proteinteknologi kan vi gå minst en million år lenger tilbake. Og fordi proteinene gjemmer seg i tenner, som er blant de hyppigste formene for funn fra fortiden, har forskerne massevis av materiale å ta fatt på.

Dermed kan de langt om lenge begynne å fylle ut hullene i menneskets utviklingshistorie. Og dem er det mange av. Blant annet er opphavet til arten vår, Homo sapiens, fortsatt en kilde til heftig debatt mellom forskerne.

I 2018 utga et team av engelske og tyske eksperter en artikkel der de utfordrer den vanlige framstillingen av hvor og hvordan Homo sapiens oppsto.

Den vanlige oppfatningen – at det skjedde for 200 000 år siden fra en isolert gruppe av forfedre i det østlige Afrika – holder ikke lenger, mener forskerne.

De peker på at kranier som er funnet mange ulike steder i Afrika, alle bærer trekk som ligner Homo sapiens, men på ulike måter.

Det tyder på at arten vår har oppstått ved en mye mer kompleks prosess, der grupper spredt utover Afrika har utviklet hver sine «moderne» trekk, som senere har blitt blandet med hverandre.

Hvis ekspertgruppen har rett, er kartleggingen av artens utvikling en enda mer innviklet oppgave enn vi hittil har trodd.

Barnekranie endret historien

Uansett om Homo sapiens utviklet seg ett sted i Afrika eller flere, har vi også spørsmålet om hvem arten vår utviklet seg fra.

Fram til 1990-tallet var de fleste enige om at Homo sapiens utviklet seg fra arten Homo heidelbergensis – en fingernem huleboer med en stor hjerne, som levde for 700 000–300 000 år siden i Afrika og Europa.

Kraniet ser ut som en mellomting mellom en Homo sapiens og en neandertaler, og teorien var derfor at heidelbergensis ga opphav til begge de to senere artene.

Det bildet endret seg da en ny kandidat kom på banen. I 1994 dukket fossilet av et barnekranium opp i Atapuerca i Spania. Kraniet hadde trekk som lignet vår egen art enda mer enn heidelbergensis.

I samme område ble det de følgende årene gravd ut i alt 80 fossiler fra seks individer, og sammen med barnekraniet ble de i 1997 tilskrevet en ny art, som fikk navnet Homo antecessor.

Dateringen av kraniet viste at det var omkring 780 000 år gammelt og dermed eldre enn heidelbergensis.

Oppdagelsen av antecessor åpnet helt nye spørsmål.

Arten kunne kanskje være en stamfar til heidelbergensis, noe som ville passe med fossilenes alder. Men den kunne også være den direkte stamfaren til neandertalerne og oss selv eller kanskje bare til én av linjene.

Studier av antecessors kranium viser at det har såkalte moderne trekk, det vil si trekk som ligner mer på Homo sapiens enn på neandertalerne.

Studiene peker i retning av at antecessor kan være vår direkte stamfar, og at noen av våre spesielle trekk har oppstått mye tidligere enn vi trodde – faktisk tidligere enn de trekkene vi forbinder med neandertalerne.

Det vi kaller «moderne trekk», er kanskje i virkeligheten «gamle trekk». Og den teorien har nå blitt underbygget av analyse av proteiner fra eldgamle tenner.

Forskerne fra Københavns Universitet har kartlagt proteiner fra et skjelett av antecessor og sammenlignet dem med tilsvarende proteiner fra oss selv, neandertalere og de såkalte denisovaene, som levde samtidig med neandertalerne fram til for om lag 40 000 år siden.

«Vi kan se at noe som minner om antecessor, er stamfar til alle tre utviklingsgrener», sier forskeren Eske Willerslev, som er leder av Center for GeoGenetik og var en del av forskergruppen.

Dermed kan antecessor utmerket godt være vår direkte stamfar. Willerslev understreker imidlertid at det fortsatt er usikkert hvordan heidelbergensis passer inn i bildet, så debatten er ikke avsluttet enda:

«Vi mangler fortsatt en proteinsekvens fra heidelbergensis for at vi skal kunne avgjøre det med sikkerhet.»

Stor ape baner veien

Forskerne ved Københavns Universitet har også demonstrert styrken ved proteinanalyse i et annet prosjekt, der de blant annet kastet seg over jekselen fra den opp mot 300 kilo tunge menneskeapen Gigantopithecus blacki, som levde i Sørøst-Asia fram til for 300 000 år siden.

Apen er bare kjent fra tenner og fragmenter av underkjever, så paleontologene har hatt problemer med å bestemme slektskapet med andre menneskeaper. Det har den nye proteinteknologien nå endret på.

Forskerne kunne høsten 2019 avsløre at de hadde trukket ut og analysert proteiner fra en av apens tenner. Tannen var 1,9 millioner år gammel og dermed eldre enn tannen fra fortidsneshornet.

Analysen viste at kjempeapens nærmeste nålevende slektning er orangutangen, som den delte en stamfar med for 10–12 millioner år siden.

Resultatet er spektakulært på grunn av tannens alder, men også fordi den er funnet i et område der gjennomsnittstemperaturen er over 20 grader.

Det åpner opp for at forskerne kan avdekke menneskets tidlige utvikling i tropene. De kan minst gå tilbake til arten Homo erectus, som var blant de første menneskeartene til å forlate Afrika.

Kloden myldret av ulike menneskearter

Menneskeslektens vugge sto i Afrika … eller i Asia. Nyoppdagede levninger ulike steder på kloden fortsetter å skyte forskernes teorier i senk. Nå skal eldgamle proteiner en gang for alle rydde opp i det forhistoriske menneskemylderet og kartlegge våre forfedres vandringer.

I juli 2018 kunne den kinesiske geologen Zhaoyu Zhu endelig offentliggjøre resultatene av det arbeidet han hadde brukt 14 år på. Allerede i 2004 begynte han, sammen med en gruppe kolleger, å grave etter steinverktøy i en fjellskråning i Shangchen i det sentrale Kina.

I 2007 fant de den første steinen som helt tydelig var bearbeidet av menneskehender, og ti år senere hadde de samlet over hundre, fordelt i et 73 meter tykt jordlag.

Zhu visste at funnene i de nederste jordlagene måtte være så gamle at verktøyene umulig kunne være laget av moderne mennesker. Det var ikke noen overraskelse i seg selv, for forskerne har tidligere funnet rester av eldre menneskearter utenfor Afrika.

Noen av de eldste er fra Homo erectus – en tidlig menneskeart som sto for et av de største gjennombruddene: bruken av ild. Erectus var til stede i Georgia for 1,85 millioner år siden og i Kina for 1,7 millioner år siden.

De eldste funnene av erectus i Afrika er 1,9 millioner år gamle, og teorien har hittil vært at arten oppsto i Afrika og senere vandret ut. Men det snur Zhus oppdagelser nå opp ned på.

Zhu og kollegene hans delte jordlagene i Shangchen i 17 seksjoner som de daterte hver for seg. Lagene spente over 800 000 år, og de seks eldste av steinverktøyene var 2,12 millioner år gamle.

Dermed er de ikke bare 270 000 år eldre enn de eldste fossilene av Homo erectus utenfor Afrika.

De er eldre enn de første Homo erectus i Afrika. Akkurat hva Zhus funn betyr for historien om menneskets vandringer på kloden, er fortsatt uklart, men de viser at vi slett ikke har det fulle bildet.

Heldigvis kan analyser av eldgamle proteiner snart levere de svarene som forskerne mangler.

Slekten vår har oppstått i Asia

Hvis steinverktøyene i Shangchen ble skapt av Homo erectus, må arten ha forlatt Afrika mye tidligere enn forskerne hittil har regnet med – over 200 000 år før den afrikanske varianten av arten oppsto.

Det skaper kaos i de gamle teoriene, og nye forklaringer måtte til. En mulighet er at Homo erectus oppsto i Afrika mye tidligere enn hittil antatt, og at arten også har utvandret tidligere.

En annen mulighet er at steinverktøyene er laget av en helt annen Homo-art, som utvandret lenge før erectus. Det kunne være en tidlig utgave av den apelignende Homo habilis, som regnes for å være stamfar til erectus.

De eldste funnene som tilskrives en forløper for Homo habilis, er 2,8 millioner år gamle, så denne arten ville ha hatt tid nok til å foreta reisen til Kina og stå bak steinverktøyene.

Flere forskere mener i dag at Homo habilis er for primitiv til å bli regnet til menneskeslekten, og de klassifiserer den i stedet som en Australopithecus – den slekten av apemennesker som ga opphav til Homo- slekten. Hvis Australopithecus utvandret fra Afrika tidlig, åpner det opp for et veldig omdiskutert scenario.

Den tidlige utvandreren kan ha gitt opphav til Homo erectus og dermed hele menneskeslekten i Asia, før erectus vandret til Afrika – stikk motsatt det av den rådende teorien, der Afrika er Homo-slektens vugge.

Asia myldret av arter

Inntil for noen få tiår siden mente forskerne at utvandringen fra Afrika skjedde i flere bølger av ulike Homo-arter, med erectus som den første. Senere fulgte Homo heidelbergensis, som i Europa utviklet seg til neandertalerne.

Til slutt kom utvandringen av det moderne mennesket, Homo sapiens, for 60 000 år siden. Hver utvandringsbølge brakte en ny menneskeart ut i verden, der den raskt fortrengte forgjengerne sine.

I dag vet vi at historien er mye mer komplisert. Forskerne har de siste årene avslørt at flere arter var til stede rundt om i Asia.

Det gjelder blant annet Denisova-mennesket, som forskerne først fikk kjennskap til i 2010, da DNA-analyser av en fingerknokkel fra Sibir viste at den hadde tilhørt en hittil ukjent art.

Sammenligninger av denisova-DNA med arvemateriale fra neandertalerne og Homo sapiens avslører at denisovaene ble skilt fra vår egen utviklingslinje for om lag 550 000 år siden og fra neandertalerne for om lag 300 000 år siden. Men DNA-et forteller også at de tre artene senere fikk barn med hverandre, når de møttes i Europa og Asia.

I Sørøst-Asia fantes det også en fjerde menneskeart samtidig – den om lag en meter høye Homo floresiensis.

Den ble først betraktet som en direkte etterkommer av Homo erectus, men noen forskere mener den har enda eldre røtter og stammer fra Australopithecus.

Det samme gjelder en nyoppdaget art, Homo luzonensis, fra Filippinene. Dessuten viste forskere i 2019 at Homo erectus antagelig var til stede i Asia fram til for 110 000 år siden.

DNA og proteiner tegner stamtre

Den nye kunnskapen om at ulike menneskearter har blandet gener innen de siste 100 000 år, gjør det sannsynlig at det også har skjedd tidligere.

Det endrer forestillingen om at hver utvandringsbølge fra Afrika har skylt den foregående bølgen vekk fra kartet.

Europa og Asia har, akkurat som Afrika, vært bebodd av mange menneskearter samtidig, som har levd tilstrekkelig isolert fra hverandre til at de har kunnet utvikle unike trekk og kjennetegn, men som fortsatt har vært like nok til å få barn sammen når de senere har møtt på hverandre.

DNA-analyser av nålevende befolkningsgrupper tegner et mye mer detaljert bilde av slektshistorien vår enn forskerne kan skape ved å sammenligne formen på fossiler.

Små forskjeller i DNA kan vise hvem vi har møtt på, og hvor og når det har skjedd. Det innebærer at forskerne nå kan tegne stamtreet vårt på en helt ny måte.

Det DNA-baserte stamtreet er en flytende størrelse, der grener blir tykkere og tynnere, smelter sammen og skilles av igjen. De yngre funnene av skjeletter, som fortsatt inneholder DNA, kan deretter plasseres inn på stamtreet der genene passer best.

Og de eldre funnene vil framover bli plassert ved kartlegging av proteiner som er trukket ut fra skjelett og tannemalje. For eksempel vil forskerne ved hjelp av de gamle proteinene antagelig snart kunne avgjøre om de asiatiske Homo erectus-eksemplarer nedstammer fra de afrikanske, eller om det er motsatt.

Homo sapiens tjuvstartet reisen

Den nye fortellingen om menneskeslektens erobring av verden passer bedre med flere funn i Kina og som hittil har skapt hodebry for forskerne.

Allerede i 1978 dukket kraniet av den såkalte Dali-mannen opp i det sentrale Kina. Det vakte stort oppmerksomt fordi det lignet en mellomting mellom Homo erectus og Homo sapiens.

Senere dateringer viser at det er omkring 260 000 år gammelt. Og i 2009 beskrev forskere en 110 000 år gammel underkjeve fra Kina som de artsbestemte som Homo sapiens.

De to funnene kolliderer med oppfatningen av at Homo sapiens først utvandret for 60 000 år siden.

Mange forskere er fortsatt skeptiske overfor funnene, men ideen om at Homo sapiens utvandret fra Afrika veldig tidlig, får støtte av en rekke nye funn, blant annet en 180 000 år gammel kjeve fra Israel og en 210 000 år gammel hodeskalle fra Hellas.

Samlet sett betyr det at grupper av Homo sapiens sannsynligvis utvandret minst 150 000 år før tidligere teorier indikerte.

På reisen har de møtt og fått barn med en lang rekke arter og hybrider mellom arter – en variasjon vi nesten ikke kan forestille oss i dag, når jorden bare har én menneskeart å by på.

Vi utkonkurrerte de andre med vennlighet

For 70 000 år siden var Homo sapiens utrydningstruet – arten talte bare 20 000 individer. Men vi kom sterkt tilbake. Vi utkonkurrerte en hær av andre menneskearter og inntok kloden. Forskerne kartlegger nå oppskriften bak vår suksess, og et mildt sinnelag kan være hovedingrediensen.

Høye, lave, tykke, tynne, hvite og svarte – en tur i en svømmehall kan lett gi inntrykk av at det er enorm variasjon i hvordan vi ser ut.

Men alle nålevende mennesker er forbløffende like når vi sammenligner oss med mangfoldet som hersket for bare 50 000 år siden, da verden var befolket av flere menneskearter.

Under huden er det bare veldig små forskjeller på alle nålevende mennesker, og et raskt blikk på et røntgenbilde er nok til å artsbestemme oss alle til Homo sapiens.

Den samme ensartetheten møter forskerne når de analyserer DNA-et vårt. Hele verdens befolkning er genetisk sett likere enn to sjimpanser fra den samme skogen.

I dag er vi den eneste menneskearten på kloden, og hittil har det ikke vært mulig å avgjøre hvorfor.

Noe ved Homo sapiens må ha gitt oss spesielle fordeler, og bare ved å analysere de genetiske forskjellene mellom oss og fortidens menneskearter kan molekylærbiologene spore seg inn på hva som var utslagsgivende for vår suksess og de andre artenes undergang.

Arten vår holdt på å dø ut

At vi er så like, skyldes at arten vår har spredt seg raskt, og at verdens befolkning en gang var kraftig redusert.

Variasjonen i DNA-et vårt tyder på at Homo sapiens var nede på under 20 000 individer for omkring 70 000 år siden, noe som betyr at arten var holdt på å dø ut.

Årsaken kan ha vært klimaendringer. De siste 15 000 årene har klimaet vært relativt stabilt, men i de 100 000 årene før det var det mer omskiftelig.

Isdekket over land beveget seg fram og tilbake, og store områder var først frodig skog, så åpne sletter og noen ganger ørken. De skiftende vilkårene var også utfordrende for de andre menneskeartene.

Vi overlevde, mens de andre døde ut, og vitenskapen strever nå med å forklare hvorfor.

Forskerne har problemer med å finne anatomiske trekk som skulle gi oss praktiske fordeler. Tradisjonelt har vi gitt de store hjernene våre æren for suksessen, men neandertalerne hadde større hjerner enn oss.

Svaret er antagelig dypere gjemt i genene våre, og forskerne leter etter mutasjoner som kan utøve et såkalt great sweep – altså mutasjoner som gir en stor fordel og dermed sprer seg raskt.

Et eksempel er mutasjoner i de genene som regulerer mengden av røde blodlegemer og gjør det mulig å overleve i tynn luft.

Tibetanerne bærer en bestemt variant av genet EPAS1 som ikke finnes hos noe annet folkeslag i verden. Den fantes til gjengjeld hos de såkalte denisovaene, og forskerne mener nå at den utdøde arten ga varianten direkte videre til tibetanerne.

Tyske forskere undersøkte i 2019 en 160 000 år gammel knokkel fra Tibet. De kunne ikke trekke ut DNA, men en analyse av knokkelens proteiner avslørte at den kom fra en denisova.

Denisovaene tilpasset seg altså forholdene i Tibet og ga sine nye mutasjoner videre til dagens tibetanere.

Historien demonstrerer de store mulighetene som ligger i å koble sammen DNA-analyser av nålevende folkeslag med DNA- og proteinundersøkelser av fossile funn.

Vi har temmet oss selv

Mutasjonen i EPAS1-genet skapte en «great sweep» på Det tibetanske platå, men hvis forskerne vil forklare hele suksessen til arten vår, må de finne en genetisk endring som gir fordeler overalt. En av våre spesielle egenskaper er språket.

De språklige ferdighetene våre er nært knyttet til genet FOXP2, men neandertalerne hadde den samme varianten av genet som oss, og derfor ga den ikke oss en spesiell fordel i forhold til dem.

I stedet finnes svaret kanskje i evnen vår til å leve tett sammen i store grupper. Den britiske biologen Richard Wrangham argumenterer for at denne evnen er enestående for Homo sapiens, og at den er resultatet av såkalt selvdomestisering.

Det innebærer at vi har temmet oss selv på samme måte som vi senere har temmet for eksempel ville ulver og fått fredelige hunder ut av det.

Hos vår direkte stamfar oppsto mutasjoner som ga en mer sosial atferd, og vi kunne dermed leve flere sammen uten konflikter.

Atferden var fordelaktig, og mutasjonene spredte seg i en «great sweep».

De genene som koder for sosial atferd, spiller dessuten en rolle andre steder i kroppen – særlig i kraniet. Da vi temmet ulven og gjorde den mer sosial, ga vi den utilsiktet en kortere snute.

På samme måte er våre flate ansikter en bivirkning ved de mutasjonene som gjorde oss mer sosiale.

Sosiale evner forhindrer innavl

Wranghams teori blir møtt med en del skepsis, men i 2019 ble den støttet av studier av genet BAZ1B. Genet er koblet til endringene vi ser hos domestiserte dyr.

Personer med det som kalles Williams- Beuren-syndrom, som skyldes mutasjoner i BAZ1B, er også veldig vennlige og har nærmest alveaktige ansikter – de besitter altså en ekstrem versjon av de trekkene som karakteriserer arten vår.

Nå har forskerne avslørt at BAZ1B hos Homo sapiens er ulikt fra det tilsvarende genet hos neandertalere og denisovaer.

Mutasjonene våre i BAZ1B har gitt oss flere fordeler. Blant annet har vårt imøtekommende gemytt trolig gjort det lettere å utveksle gener med andre grupper. Dermed har vi unngått innavl, og det kan være helt avgjørende.

«DNA-undersøkelser har vist eksempler på ekstrem innavl hos grupper av neandertalere. Derimot ser det ut til at Homo sapiens nærmest har hatt en strategi mot dette problemet.

Og det kan godt ha vært støttet av god sosiale kompetanse, som har gjort det mulig å finne partnere utenfor sin egen flokk», sier Eske Willerslev fra Københavns Universitet.

Han framhever imidlertid at også ytre faktorer kan ha gitt oss fordeler. Klimaendringer, som skapte et tørrere miljø og fikk skogene til å skrumpe inn, gjorde det nødvendig å lete etter mat på de åpne slettene.

Det var en fordel for arten vår, som er godt bygget til langdistanseløping. Akkurat hvilke tilpassinger som ga arten vår det avgjørende fortrinnet, er fortsatt usikkert.

Men i de kommende tiårene vil molekylærbiologenes nye verktøy antagelig trekke ut kunnskap av de gamle fossilene som kan bringe oss nærmere det endelige svaret.