考古学

Archaeogeneticsは、さまざまな分子遺伝学的手法とDNAリソースを使用した古代のDNAの研究です。この形式の遺伝子分析は、ヒト、動物、および植物の標本に適用できます。古代のDNAは、人間や動物の標本の骨、卵殻、人工的に保存された組織など、さまざまな化石標本から抽出できます。植物では、古代DNAは種子、組織、場合によっては糞から抽出できます。 Archaeogeneticsは、古代の人口グループの移動、家畜化イベント、および植物と動物の進化の遺伝的証拠を提供します。比較的現代の遺伝集団のDNAと相互参照される古代のDNAにより、研究者は、古代のDNAが危うくなった場合により完全な分析を提供する比較研究を実行できます。

Archaeogeneticsは、「古代」を意味するギリシャ語のarkhaios 、および「 遺伝の研究」を意味する遺伝学という用語からその名前を受け取ります。用語考古学は、考古学者のコリン・レンフルーによって考案されました。

初期の仕事

ルドウィク・ヒルシュフェルド（1884–1954）

Ludwik Hirszfeldはポーランドの微生物学者および血清学者であり、第2回国際輸血会議の血液グループ部門の会長でした。彼は1910年にErich von Dungernと血液型の相続財産を設立し、彼の生涯を通じて大きく貢献しました。彼はABO血液型を研究しました。 1919年の彼の研究の1つで、ヒルズフェルドはマケドニア戦線の人々のABO血液型と髪の色を記録し、髪の色と血液型に相関関係がないことを発見しました。それに加えて、彼は、西ヨーロッパからインドへの血液型Aの減少と、血液型Bの反対があることを観察しました。彼は、東から西への血液型の比率は、主にAまたはBは血液型Oから変異し、移動または混合により混合します。彼の仕事の大半は、血液型と性別、病気、気候、年齢、社会階級、人種との関連性を研究することでした。彼の研究により、血液型Oでは消化性潰瘍がより優勢であり、AB型の母親は男性と女性の出生率が高いことがわかりました。

アーサー・モウラント（1904–1994）

アーサー・モウラントは英国の血液学者および化学者でした。彼は多くの賞、特に王立協会のフェローシップを受賞しました。彼の仕事には、血液型の遺伝子頻度に関する既存のデータの整理が含まれ、多くの集団の血液型の調査を通じて世界の遺伝地図に大きく貢献しました。 Mourantは、Lewis、Henshaw、Kell、およびRhesusシステムの新しい血液型抗原を発見し、血液型とその他のさまざまな病気の関連性を分析しました。彼はまた、多型の生物学的意義にも注目しました。彼の研究は、人々の間の生物学的関係の遺伝的証拠の分離を促進したため、考古学の基礎を提供しました。この遺伝的証拠は以前その目的のために使用されていました。また、集団遺伝学の理論を評価するために使用できる資料も提供しました。

ウィリアム・ボイド（1903–1983）

ウィリアムボイドは、1950年代に人種の遺伝学に関する研究で有名になったアメリカの免疫化学者および生化学者でした。 1940年代に、ボイドとカールO.レンコネンは、リマ豆と房状のベッチの粗抽出物が血液型AまたはBではなく赤血球を凝集させることを発見した後、レクチンがさまざまな血液型に対して異なる反応をすることを独自に発見しましたこれは最終的に、これらのタンパク質を含む数千の植物の開示につながりました。ボイドは人種の違いとさまざまな人種グループの分布および移動パターンを調べるために、世界中から血液サンプルを体系的に収集および分類し、血液グループが環境の影響を受けず、継承されることを発見しました。彼の著書 『 遺伝学と人種 （1950）』では、ボイドは、異なる血液型プロファイルと、人類は異なる対立遺伝子を持つ集団であるという彼の考えに基づいて、世界人口を13の異なる人種に分類しました。人種に関連する遺伝性形質に関する最も豊富な情報源の1つは、血液型の研究です。

方法

化石DNAの保存

化石の回収は、発掘現場の選択から始まります。潜在的な発掘現場は通常、場所の鉱物学とその地域の骨の視覚的検出によって特定されます。ただし、フィールドポータブル蛍光X線や高密度ステレオ再構成などの技術を使用して、掘削ゾーンを検出する方法は他にもあります。使用されるツールには、地球から化石を除去するのに役立つナイフ、ブラシ、尖ったこてが含まれます。

古代のDNAの汚染を避けるため、標本は手袋で取り扱われ、発掘された直後に-20°Cで保管されます。化石サンプルが他のDNA分析に使用されていない研究室で分析されることを保証することで、汚染も防ぐことができます。骨は粉末に粉砕され、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）プロセスの前に溶液で処理されます。 DNA増幅のサンプルは、化石骨であるとは限りません。塩類保存または風乾した保存肌も、特定の状況で使用できます。

骨の化石化が低下し、DNAが通常は土壌中の細菌や菌類によって化学的に修飾されるため、DNAの保存は困難です。化石からDNAを抽出するのに最適な時期は、保存された骨と比較して6倍のDNAを含んでいるため、地面から新鮮になったときです。抽出部位の温度は、入手可能なDNAの量にも影響を与えます。化石がより暖かい地域で見つかった場合、DNA増幅の成功率が低下することから明らかです。化石の環境の劇的な変化もDNAの保存に影響します。発掘は化石の環境の急激な変化を引き起こすため、DNA分子の物理化学的変化につながる可能性があります。さらに、DNAの保存は、発掘された化石の処理（洗浄、ブラッシング、天日乾燥など）、pH、照射、骨と土壌の化学組成、水文学などの他の要因の影響も受けます。固執続成作用には3つの段階があります。最初の段階は細菌の腐敗であり、これはDNAの15倍の分解を引き起こすと推定されています。フェーズ2は、主に脱プリンによって骨が化学的に分解するときです。 3番目の続成相は、化石が発掘されて保存された後に発生し、骨DNAの分解が最も急速に発生します。

DNA抽出の方法

考古学的な場所から標本が収集されると、一連のプロセスを通じてDNAを抽出できます。より一般的な方法の1つはシリカを利用し、骨サンプルから古代のDNAを収集するためにポリメラーゼ連鎖反応を利用します。

化石から古代のDNAを抽出し、分析の準備をしようとすると、さらに困難になるいくつかの課題があります。 DNAは絶えず分裂しています。生物が生きている間、これらの分裂は修復されます。しかし、生物が死ぬと、DNAは修復されずに劣化し始めます。これにより、長さが約100塩基対のDNA鎖を含むサンプルが生成されます。汚染は、プロセス全体の複数のステップにおける別の重要な課題です。多くの場合、元のサンプルには細菌DNAなどの他のDNAが存在します。汚染を避けるためには、古代のDNA抽出作業のために、別個の換気システムや作業スペースなど、多くの予防措置を講じる必要があります。不注意な洗浄はカビの成長につながる可能性があるため、使用するのに最適なサンプルは新鮮な化石です。化石からのDNAには、DNA複製を阻害する化合物が含まれることもあります。どの方法が課題を軽減するのに最適であるかについてのコンセンサスを得ることも、標本の一意性に起因する再現性の欠如のために困難です。

シリカベースのDNA抽出は、考古学的骨アーチファクトからDNAを抽出し、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）技術を使用して増幅できるDNAを生成する精製ステップとして使用される方法です。このプロセスは、DNAを結合し、PCR増幅を阻害する化石プロセスの他のコンポーネントからDNAを分離する手段としてシリカを使用することで機能します。ただし、シリカ自体も強力なPCR阻害剤であるため、抽出後にDNAからシリカが確実に除去されるように注意する必要があります。シリカベースの方法を使用してDNAを抽出する一般的なプロセスの概要は次のとおりです。

1. 骨標本をきれいにし、外層を削り取ります
2. サンプルはできればコンパクトなセクションから収集されます
3. サンプルを微粉末に粉砕し、抽出溶液に加えてDNAを放出します
4. DNAの結合を促進するために、シリカ溶液を加えて遠心分離します
5. 結合溶液を除去し、緩衝液を溶液に加えてシリカからDNAを放出します

シリカベースのDNA抽出の主な利点の1つは、比較的迅速で効率的であり、基本的な実験室のセットアップと化学物質のみを必要とすることです。また、プロセスを拡大または縮小することができるため、サンプルサイズにも依存しません。もう1つの利点は、室温でプロセスを実行できることです。ただし、この方法にはいくつかの欠点があります。主に、シリカベースのDNA抽出は、骨と歯のサンプルにのみ適用できます。軟部組織には使用できません。それらはさまざまな異なる化石でうまく機能しますが、新鮮ではない化石では効果が低い場合があります（たとえば、博物館で処理された化石）。また、汚染は一般にすべてのDNA複製のリスクをもたらし、この方法は汚染された材料に適用されると誤解を招く結果をもたらす可能性があります。

ポリメラーゼ連鎖反応はDNAのセグメントを増幅できるプロセスであり、抽出された古代のDNAでよく使用されます。変性、アニーリング、伸長の3つの主要なステップがあります。変性は、高温でDNAを2本の一本鎖に分割します。アニーリングには、TaqポリメラーゼがDNAに付着できるように、DNAのプライマー鎖を一本鎖に付着させることが含まれます。伸長は、Taqポリメラーゼがサンプルに追加されたときに発生し、塩基対と一致して2つの1本鎖を2つの完全な2本鎖に変えます。このプロセスは何度も繰り返され、通常、古代のDNAで使用される場合はより多く繰り返されます。 PCRのいくつかの問題は、短い配列のために古代のDNAに重複するプライマーペアを必要とすることです。また、PCRプロセス中に組換えを引き起こす「ジャンプPCR」が存在する可能性があり、不均一なサンプルではDNAの分析がより困難になる可能性があります。

DNA分析の方法

化石の残骸から抽出されたDNAは、大規模な並列シーケンスを使用して主にシーケンスされます。それは、一般的なプライマーが結合できるすべての単一鎖に一般的な配列を結合することを含み、したがって、存在するすべてのDNAが増幅されます。これは一般にPCRよりもコストと時間を集中的に必要としますが、古代のDNA増幅に伴う困難のため、より安価で効率的です。 Marguliesらによって開発された大規模な並行シーケンスの1つの方法は、ビーズベースのエマルジョンPCRおよびパイロシーケンシングを採用し、サンプルの潜在的な損失、テンプレートの基質競合、およびエラー伝播を回避するため、aDNAの分析に強力であることがわかったレプリケーション。

aDNAシーケンスを分析する最も一般的な方法は、他のソースからの既知のシーケンスと比較することです。これは、目的に応じてさまざまな方法で実行できます。

BLASTNなどのソフトウェアを使用して、既知の種のDNA配列とそのDNA配列を比較することにより、化石の正体を明らかにすることができます。この考古学的アプローチは、化石の形態があいまいな場合に特に役立ちます。それとは別に、aDNAシーケンスで特定の遺伝的マーカーを見つけることで種の識別を行うこともできます。例えば、アメリカの先住民集団は、ウォレスらによって定義された特定のミトコンドリアRFLPと欠失によって特徴付けられます。

aDNA比較研究は、2種間の進化的関係も明らかにすることができます。古代の種のDNAと密接に関連する現存の種のDNAの間の塩基差の数を使用して、それらの2つの種の最後の共通の祖先からの分岐時間を推定できます。オーストラリアの有袋類のオオカミやアメリカの地上ナマケモノなどのいくつかの絶滅種の系統発生は、この方法で構築されています。動物のミトコンドリアDNAおよび植物のクロロプラストDNAは、細胞あたり数百コピーを持っているため、通常この目的に使用されます古代の化石でより簡単にアクセスできます。

2つの種間の関係を調査する別の方法は、DNAハイブリダイゼーションです。両種の一本鎖DNAセグメントは、互いに相補的なペア結合を形成することができます。より密接に関連する種は、より類似した遺伝的構造を持っているため、ハイブリダイゼーションシグナルがより強くなります。ショルツ等。ネアンデルタール人のaDNA（化石から抽出されたW-NWとクラピナのまま）でサザンブロットハイブリダイゼーションを実施しました。結果は、弱い古代人間とネアンデルタール人の交配と強い古代人間と現代人の交配を示した。ヒト-チンパンジーとネアンデルタール-チンパンジーの交配は、同様に弱い強度です。これは、人間とネアンデルタール人は同じ種の2人の個体ほど密接な関係はないが、チンパンジーよりも互いに関連していることを示唆している。

古代の種の貴重な表現型情報を提供するために、aDNAを解読する試みもいくつかありました。これは常に、DNA配列をよく研究されている密接に関連する種の核型にマッピングすることにより行われます。例えば、グリーンら。 Neanderthal Vi-80化石のaDNA配列と現代のヒトXおよびY染色体配列を比較したところ、それぞれ10,000あたり2.18および1.62塩基の類似性が見られ、Vi-80サンプルは男性個人のものであることが示唆されました。他の同様の研究には、古代ヌビア綿のシロイヌナズナの小人症に関連する突然変異の発見、およびネアンデルタール人の苦味知覚座に関する調査が含まれます。

用途

人間の考古学

現代の人間はアフリカで少なくとも200千年前（数千年前）に進化したと考えられており、300千年以上の日付を示唆するいくつかの証拠があります。ミトコンドリアDNA（mtDNA）、Y染色体DNA、およびX染色体DNAを調べると、アフリカを離れる最も早い人口は約1500人の男性と女性で構成されていたことがわかります。さまざまな研究により、人口はアフリカからの拡大に先立ってある程度地理的に「構造化」されていることが示唆されています。これは、共有mtDNA系統の古さによって示唆されています。大陸各地の121の人口に関する1つの研究では、アフリカの人口に古代の地理的構造を示唆する14の遺伝的および言語学的「クラスター」が見つかりました。一般に、遺伝子型および表現型分析は、「進化の歴史の大部分で大きく、細分化されている」ことを示しています。

遺伝分析は、バンツ語話者の南アフリカへの大規模な移住の約5キロの考古学的仮説を支持しています。マイクロサテライトDNA、一塩基多型（SNP）、および挿入/削除多型（INDELS）は、ニロサハラ語を話す人口がスーダンに由来することを示しています。さらに、ニロ・サハラ語話者のチャド語を話す子孫がスーダンからチャド湖に約8キロ移動したという遺伝的証拠があります。遺伝的証拠は、アフリカ以外の集団がアフリカの遺伝子プールに大きく貢献したことも示しています。たとえば、サハラアフリカのベジャ族の人々は、中東および東アフリカのCushitic DNAのレベルが高い。

mtDNAの分析は、ユーラシアが60〜70キロの単一の移動イベントで占有されたことを示しています。遺伝的証拠は、近東とヨーロッパの占領が50キロ以上前に起こったことを示しています。ハプログループUの研究は、ヨーロッパと北アフリカの両方への近東からの分散を示しました。

考古学で行われた作業の多くは、ヨーロッパの新石器時代の移行に焦点を当てています。 Cavalli-Svorzaの遺伝的地理的パターンの分析により、新石器時代の始まりにヨーロッパへの近東人口の大規模な流入があったと結論付けられました。この見解により、彼は「先住民の中石器時代の採餌個体数を犠牲にして、拡大する初期の農民を強く強調する」ようになりました。しかし、1990年代のmtDNA分析はこの見解に矛盾しました。 MBリチャーズは、新石器時代に現存するヨーロッパのmtDNAの10〜22％が近東の人口から来たと推定しました。ほとんどのmtDNAは、既存の中石器時代および旧石器時代のグループの間で「すでに確立されている」。現代のヨーロッパのmtDNAのほとんどの「制御領域の系統」は、Last Glacial Maximum（LGM）の終わりに向かって北ヨーロッパを再び占領するという創始者のイベントに由来しています。現存するヨーロッパのmtDNAに関するある研究は、この再占領がLGMの終了後に起こったことを示唆しているが、別の研究はそれが以前に起こったことを示唆している。ハプログループV、H、およびU5の分析は、ヨーロッパの占領の「先駆的植民地化」モデルをサポートし、到着する新石器時代の人口に採餌人口を組み込みます。さらに、現存するDNAだけでなく、古代のDNAの分析もいくつかの問題に光を当てています。たとえば、新石器時代と中石器時代のDNAの比較は、乳製品の開発が広範なラクトース耐性に先行することを示しています。

南アジアは、アフリカ圏外からの現代人の地理的分散の主要な初期回廊として機能してきました。 mtDNA系統Mの研究に基づいて、インドの最初の居住者は約45〜60キロになったオーストリア・アジア系の話者であることが示唆されました。インドの遺伝子プールは、初期の入植者からの貢献と、8千年以上前の移住からの西アジアおよび中央アジアの集団からの貢献を持っています。 Y染色体系統と比較したmtDNA系統の変動の欠如は、主に男性がこれらの移動に関与していることを示しています。中央アジアで生じたU mtDNA系統の2つのサブブランチU2iとU2eの発見は、2つの支部が50千キロ分岐したため、中央アジアからインドへの大規模な移動の「調整」された見解です。さらに、U2eはヨーロッパではかなりの割合で見つかりますが、インドでは見つかりません。U2iの場合も同様です。つまり、U2iはインド原産であることを意味します。

mtDNAおよびNRY（Y染色体の非組換え領域）配列の分析は、アフリカからの最初の主要な分散がサウジアラビアとインド沿岸50〜100キロを通過し、2番目の主要な分散が北部15〜50キロで発生したことを示しました。ヒマラヤ。

東アジアにおける北から南への移動と南から北への移動の範囲を発見するために、多くの作業が行われました。北東部のグループの遺伝的多様性を南東部のグループと比較することにより、考古学者は、東南アジアから来た北東アジアのグループの多くを結論付けることができました。 Pan-Asian SNP（一塩基多型）の研究では、「ハプロタイプの多様性と緯度の間に強くて非常に重要な相関関係」があり、人口統計分析と組み合わせると、主に南から北への東アジア占領のケースがサポートされます。考古学はまた、日本のアイヌやフィリピンのネグリトグループなど、地域の狩猟採集民の研究にも使用されています。たとえば、汎アジアSNP調査では、マレーシアのネグリト集団とフィリピンのネグリト集団は互いによりも非ネグリト地方の集団とより密接に関連していることがわかりました。ネグリトと非ネグリトの集団は1つのエントリーイベントによってリンクされています東アジアへ。ただし、他のネグリトグループは、オーストラリアの先住民族を含む類似性を共有しています。これについての可能な説明は、最近のいくつかのネグリトグループと地元住民の混同です。

アジアから南北アメリカの人口をよりよく理解するために、考古学が使用されてきました。ネイティブアメリカンのmtDNAハプログループは、15〜20キロであると推定されていますが、これらの推定には多少のばらつきがあります。遺伝データは、アメリカ大陸の植民地化に関するさまざまな理論を提案するために使用されてきました。最も一般的な理論では、LGMがベーリング海峡を通過した後の「3つの波」の移動が示唆されていますが、遺伝データから対立仮説が生じています。たとえば、ある仮説では、シベリアから南米への20〜15キロの移動と、氷河後退後の2番目の移動を提案しています。 Y染色体データにより、LGMの後、17.2〜10.1キロの間にシベリアのアルタイ山脈から始まった単一の移行があったと考える人もいます。 mtDNAとY染色体DNAの両方の分析により、「小さな創建集団」の証拠が明らかになります。ハプログループの研究により、一部の科学者は、1つの小集団から南北アメリカへの移住は不可能であると結論付けました。そのような移住が海岸に沿って起こった場合、実行可能です。

最後に、考古学はオーストラリアとニューギニアの占領を研究するために使用されています。オーストラリアとニューギニアの原住民は表現型が非常に似ていますが、mtDNAは、これが同様の条件での生活からの収束によるものであることを示しています。 mt-DNAの非コード領域は、オーストラリアとニューギニアの原住民の間で「類似性なし」を示しています。さらに、2つの集団間で主要なNRY系統は共有されていません。オーストラリア固有の単一のNRY系統の高頻度と「系統関連Y染色体短タンデムリピート（Y-STR）ハプロタイプの多様性の低さ」は、オーストラリアにおける「最近の創始者またはボトルネック」イベントの証拠を提供します。しかし、mtDNAには比較的大きなばらつきがあり、これはボトルネック効果が主に男性に影響を与えたことを意味します。一緒に、NRYとmtDNAの研究は、2つのグループ間の分割イベントが50kyaを超えたことを示し、2つのグループ間の最近の共通の祖先に疑問を投げかけています。

動植物

植物および動物の家畜化の発達を理解するために、考古学が使用されてきました。

遺伝学と考古学的発見の組み合わせは、世界中の植物栽培化の初期の兆候を追跡するために使用されてきました。しかし、家畜化の起源の瞬間を追跡するために使用される核、ミトコンドリア、葉緑体のゲノムはさまざまな速度で進化してきたため、その系譜を追跡するための使用はやや問題がありました。多型性遺伝マーカーのより高い一貫性による種内変動と同様に率。作物の「家畜化遺伝子」（特に、または反対に選択された形質）の調査結果には、

• tb1（teosinte branch11）–トウモロコシの先端の優勢に影響を与える
• tga1（teosinte glume architecture1）–人間の便宜のためにトウモロコシカーネルを互換性のあるものにする
• te1（端末ear1）–カーネルの重量に影響
• fw2.2 –トマトの重量に影響
• BoCal –ブロッコリーとカリフラワーの花序

植物の栽培化における考古学の研究を通じて、最初の世界経済の兆候も明らかにすることができます。元々は導入されていなかった別の地域で高度に選択された新しい作物の地理的分布は、容易に利用可能なリソースの生産と消費の取引ネットワークの証拠として機能します。

考古学は動物の家畜化の研究に使用されてきました。家畜動物集団の遺伝的多様性を分析することにより、研究者はDNAの遺伝マーカーを検索して、前駆種の可能性についての貴重な洞察を得ることができます。これらの特徴は、野生の標本と家畜化された標本の間で考古学的遺跡を区別するために使用されます。遺伝学的研究は、家畜の祖先の特定にもつながります。現在の集団の遺伝学研究から得られた情報は、これらの祖先を文書化する考古学者の検索を導くのに役立ちます。

考古学は、旧世界全体でブタの家畜化を追跡するために使用されてきました。これらの研究は、初期の農民の詳細についての証拠も明らかにしています。イヌの家畜化の発達をさらに理解するために、考古学の方法も使用されてきました。遺伝学的研究は、すべての犬が灰色オオカミの子孫であることを示していますが、犬がいつ、どこで、何回飼い慣らされたかは現在不明です。いくつかの遺伝子研究では複数の家畜化が示されていますが、そうではありません。考古学的な発見は、犬の家畜化の進行に関する確固たる証拠を提供することにより、この複雑な過去をよりよく理解するのに役立ちます。初期の人間が犬を飼いならしたように、埋もれた犬の考古学的な遺物はますます豊富になりました。これは考古学者が遺跡を研究するより多くの機会を提供するだけでなく、初期の人間文化についての手がかりも提供します。