מחקר שובר שיניים

לאחר מותם, בעלי החיים משאירים אחריהם עצמות ושיניים. אלה, אם התנאים הסביבתיים מאפשרים זאת, עשויות להתאבן, ואם מתרחשת במקום חפירה ארכיאולוגית, גם להימצא ולשמש מושא מחקר. בחלק מהמקרים לא יוותר דבר מלבד שיניים, שהן הרקמות הקשות ביותר בגוף. אך השיניים האלה מלמדות לא מעט על בעליהן: מה הם אכלו, כמה אנרגיה הפיקו ממזונם, וגם עד איזה גיל חיו. אבל האם אפשר גם לזהות, על סמך השיניים בלבד, מה היה הזוויג של בעל החיים, כלומר, אם היה זכר או נקבה? כאן נכנס לתמונה מחקר חדש, שפורסם בכתב העת Scientific Reports באוגוסט האחרון. במחקר מוצעת דרך פשוטה אך מתוחכמת לזהות את הזוויג  – בעזרת חלבונים שמקורם בזגוגית השן. לשיניים, מתברר, יש מבנה מולקולרי שונה אצל זכרים ואצל נקבות, וההבדלים האלה משתמרים גם אחרי אלפי שנים.

גם אם אין עצמות, יש שיניים

שיניים ועצמות עתיקות הן מקורות מידע חיוניים עבור ארכיאולוגים. הן מאפשרות לבחון את המצב של בעל החיים או של הקבוצה בנקודת זמן מסוימת, וגם מעידות על תהליכים שהתרחשו לאורך זמן – למשל ביות, שינוי תזונתי או התאמה סביבתית. כך, לדוגמה, חוקרים יכולים לקבוע מתי החלה האנושות לרכוב על סוסים, בעזרת עצמותיהם של אותם רוכבים קדמונים, או להשוות את מבנה העצמות של אנשים שחיו לפני כ-5,000 שנה לעצמות של בני אדם בימינו, ולהסיק מכך מסקנות על מצבם הגופני. 

עד כה, מרבית השיטות לזיהוי זוויג הסתמכו על המבנה האנטומי של עצמות מסוימות, כמו עצמות האגן או הקרניים, ועל השוואה שלהן למה שאנחנו מכירים היום, ואם הצליחו להפיק מהעצמות חומר גנטי, גם על בדיקות DNA. עם זאת, עצמות שלמות הן ממצא נדיר באתרים ארכיאולוגיים, וגם כשנמצא DNA עתיק, הוא לרוב יהיה פגום, חלקי ומקוטע. אחת הדרכים להשיג DNA באיכות טובה יותר היא להשתמש בדֶנְטִין של השן, רקמה שמכילה תאים ולכן גם חומר גנטי. דנטין מוקף בזגוגית השן (אמייל) – החומר הקשה והדחוס ביותר בגוף, שנוטה להיות עמיד יותר מפני תהליכי בלייה והשפעות סביבתיות, כך שאפשר לראות בו מעין כספת שמגינה על ה-DNA יותר מעצמות אחרות.

עם זאת, לעיתים תכופות ה-DNA שמופק משן עתיקה עדיין לא מספיק לזיהוי הזוויג, במיוחד כשלפנינו שרידים של בעל חיים ממשפחת הפריים. משפחה זו כוללת רבים מבעלי החיים המבויתים, כמו בקר, עיזים וכבשים, שבני האדם מגדלים כבר אלפי שנים. מחקר על אודותיהם מאפשר להסיק מסקנות על העבר המשותף שלנו, והזוויג עשוי להיות חלק חשוב מכך – למשל, אם בני האדם גידלו פרות לחלב, היינו מצפים למצוא בעדר שיעור גדול יותר של נקבות. כשחוקרים מנסים לקבוע אם בעל חיים קדום היה זכר או נקבה, הם מחפשים הבדל ברור בין כרומוזומי המין – למשל, בין כרומוזום X ל-Y, כמו אצלנו, בני האדם. אצל יונקים רבים, גֵן בשם SRY (ראשי תיבות של Sex-determining Region Y) נמצא על כרומוזום Y, מופיע רק אצל זכרים ומפעיל את תהליך ההתפתחות הזכרית. אבל אצל בני משפחת הפריים הסיפור מסובך יותר: הגֵן SRY קצר מאוד, ולא תמיד משתמר היטב במאובנים. אם כך, המרכיבים הגנטיים שמבדילים בין זכרים לנקבות אצל הפריים הם קצרים ולעיתים אי אפשר בכלל לדגום אותם, שכן לא השתמרו ב-DNA שנמצא לפני החוקרים.

החלבונים עולים על הבמה

גם כשה-DNA מממצאים עתיקים משתמר, לא תמיד אפשר להשתמש בו: הוא עלול להיות מזוהם, כלומר לכלול גם DNA זר (למשל, כזה שמקורו בחוקרים שנגעו בממצא), מקוטע, או שייעדרו ממנו אזורים קריטיים, כך שהשוואה בין הזוויגים כמעט בלתי אפשרית. בנוסף, בשל השונות בין מינים שונים במשפחת הפריים, למשל בין פרה לעז או לאיל, קשה לפתח ערכת בדיקה אחת שתתאים לכולם. יתרה מזאת, היעדר SRY אינו מעיד בהכרח שמדובר בנקבה – ייתכן ש-SRY דווקא קיים, אך לא זוהה בהצלחה בגלל פירוק, זיהום או בעיות טכניות. לכן, כדי לקבוע שמדובר בזכר נדרשת נוכחות ברורה של סממן זכרי, ואילו זיהוי של נקבה אפשרי רק אם יודעים בוודאות שהתהליך הצליח, אך לא נמצאו מאפיינים זכריים. 

החוקרים במחקר הנוכחי השתמשו בשיטה שפותחה בשנים האחרונות לזיהוי זוויג של יונקים, באמצעות אפיון הרכב החלבונים שיוצרים את זגוגית השן – שהיא, כאמור, החומר הקשה והעמיד ביותר בגוף. זגוגית השן מורכבת בעיקר מחלבונים בשם אמלוגנינים (Amelogenins), שמתחלקים לשני סוגים: AmelX – שמצוי אצל זכרים ונקבות כאחד, ו-AmelY – שמצוי רק אצל זכרים. באמצעות ספקטרומטריית מסות מתקדמת אפשר לזהות פפטידים, שהם שרשראות קצרות של חומצות אמינו, ייחודיים לכל אחד מהחלבונים הללו, וכך לקבוע את הזוויג: אם מזוהים רק פפטידים של AmelX – מדובר בנקבה, ואם מזוהים גם פפטידים של AmelY – מדובר בזכר. כיוון שזגוגית השן נשמרת היטב גם לאחר אלפי שנים, החלבון פחות חשוף לזיהום ולפירוק מאשר DNA. השיטה שמבוססת על חלבון נחשבת אמינה במיוחד במקרים שבהם זיהוי גנטי אינו אפשרי או מספק. היכולת לאפיין חלבונים בדגימות בנות אלפי שנים השתפרה מאוד בזכות שיפור כללי בתחום, הודות לגישות חדשות ולמכשירים חדשים ורגישים.

להיכנס בעובי השן

במחקר החדש ביקשו החוקרים לבדוק אם אפשר לזהות כך את הזוויג של פרטים ממשפחת הפריים שחיו בעבר הרחוק – לא באמצעות DNA, אלא בעזרת חלבונים. הם השתמשו בשיטה שנקראת ספקטרומטריית מסות ללא תיוג (Label-Free Quantification – LFQ), שמאפשרת לזהות חלבונים ברזולוציה גבוהה. שיטה זו דורשת פחות עבודה משיטות אחרות לזיהוי חלבונים, מה שמקל על החוקרים במידה רבה. תחילה הם בדקו שיניים משמונה לסתות של בני בקר מזן מודרני, שהזוויג שלהם ידוע – ארבע זכרים וארבע נקבות. אצל כל הזכרים נמצאו גם פפטידים של AmelY, בעוד שאצל הנקבות נמצאו רק פפטידים של AmelX.  

לאחר שהפפטידים התבררו כאמת-מידה אמינה לזיהוי הזוויג, החוקרים הפעילו את אותה שיטה על 12 שיניים מאובנות של בקר שחי לפני כ-9,000 שנה באתר בייסמון (Beisamoun) שבעמק החולה, אזור עשיר במים שתנאי השימור בו מאתגרים. האתר נחשב מהבולטים בישראל לתקופה הנאוליתית (Neolithic), והממצאים ממנו הם עדויות נדירות לחיי היומיום, לקבורה ולראשית החקלאות באותה תקופה. המאובנים שנחקרו נאספו בחפירות של רשות העתיקות, והועברו לאוספי הטבע הלאומיים באוניברסיטה העברית בירושלים עבור המחקר. הדגימות נוקו, חלקי האימייל חולצו מהן ונטחנו, והחלבונים חולצו מהן לצורך ניתוח במכשיר ספקטרומטר המסות. בכל הדגימות זוהו פפטידים של AmelX, ובשש מתוכן זוהו גם פפטידים של AmelY – כלומר, זוהו שישה פרטים זכרים ושש נקבות. התוצאות ממחישות לא רק את הדיוק של השיטה, אלא גם את הפוטנציאל שלה לשפוך אור על ההתפלגות המינית בעדרים בני אלפי שנים.

שיניים אולי נראות כמו איבר שולי, אבל מתברר שהן “הקופסה השחורה” של עולם החי הקדום. השיטות החדשות לזיהוי זוויג, בעיקר אלה שמבוססות על חלבונים, מראות שהמדע לא מפסיק להפתיע: גם כשה-DNA לא מספק, חלבוני זגוגית השן בכל זאת מאפשרים לחוקרים לקרוא מתוך שן יחידה את הסיפור של פרט אחד – ודרכו להסיק מסקנות גם על הקבוצה כולה.