Ett internationellt forskarlag har genomfört den första djupgående, storskalig studie av forntida civilisationers genomiska historia i de centrala Anderna och kusten före europeisk kontakt.

Resultaten, publiceras online den 7 maj Cell , avslöja tidiga genetiska skillnader mellan grupper i närliggande regioner, befolkningsblandning inom och bortom Anderna, överraskande genetisk kontinuitet mitt i kulturell omvälvning, och förfäders kosmopolitism bland några av regionens mest välkända antika civilisationer.

Leds av forskare vid Harvard Medical School och University of California, Santa Cruz, teamet analyserade genomomfattande data från 89 individer som levde mellan 500 och 9, 000 år sedan. Av dessa, 64 genom, allt från 500 till 4, 500 år gammal, sekvenserades nyligen - mer än fördubblade antalet forntida individer med genomomfattande data från Sydamerika.

Analysen inkluderade representanter för ikoniska civilisationer i Anderna från vilka inga genomomfattande data hade rapporterats tidigare, inklusive Moche, Nasca, Wari, Tiwanaku och Inca.

"Detta var ett fascinerande och unikt projekt, sa Nathan Nakatsuka, uppsatsens första författare och en MD/Ph.D. student i David Reichs labb vid Blavatnik Institute vid HMS.

"Det representerar den första detaljerade studien av Andinska befolkningens historia informerad av förkoloniala genom med omfattande tidsmässig och geografisk täckning, sa Lars Fehren-Schmitz, docent vid UC Santa Cruz och co-senior författare av tidningen med Reich.

"Denna studie tar också ett stort steg mot att komma till rätta med den globala obalansen i forntida DNA-data, sade Reich, professor i genetik vid HMS och associerad medlem av Broad Institute of MIT och Harvard.

"Den stora majoriteten av publicerade gamla DNA-studier hittills har fokuserat på västra Eurasien, ", sade han. "Denna studie i Sydamerika tillåter oss att med hög upplösning börja urskilja den detaljerade historien om mänskliga rörelser i denna utomordentligt viktiga del av världen."

Uppmärksamhet på Anderna

Centrala Anderna, kring dagens Peru, är en av få platser i världen där jordbruk uppfanns snarare än att adopteras från någon annanstans och där den tidigaste närvaron av komplexa civilisationer i Sydamerika har dokumenterats hittills. Medan regionen har varit ett stort fokus för arkeologisk forskning, det hade inte funnits någon systematisk karakterisering med genomomfattande forntida DNA förrän nu, sa författarna.

Genetiker, inklusive flera av de nuvarande teammedlemmarna, tidigare studerat Sydamerikas djupa genetiska historia som helhet, inklusive analys av flera individer från Andinska höglandet från många tusen år sedan. Det har också gjorts analyser av dagens invånare i Anderna och ett begränsat antal mitokondriella eller Y-kromosom-DNA-analyser från enskilda forntida andinska platser.

Den nya studien, dock, expanderar på dessa fynd för att ge ett mycket mer omfattande porträtt. Nu, Nakatsuka sa, Forskare kan "äntligen se hur den genetiska strukturen i Anderna utvecklades över tiden."

Genom att fokusera på vad som ofta kallas förcolumbiansk historia, studien visar hur stora forntida DNA-studier kan avslöja mer om forntida kulturer än att studera nutida grupper enbart, sa Reich.

"I Anderna, rekonstruktion av befolkningens historia baserad på DNA-analys av dagens människor har varit utmanande eftersom det har skett så mycket demografisk förändring sedan kontakten med européer, " förklarade Reich. "Med gamla DNA-data, vi kan utföra en detaljerad rekonstruktion av människors rörelser och hur de relaterar till förändringar kända från den arkeologiska dokumentationen."

"Extraordinär" antik befolkningsstruktur

Analyserna visade att senast 9, 000 år sedan, grupper som bodde i Andinska höglandet skilde sig genetiskt från de som så småningom kom att leva längs Stillahavskusten. Effekterna av denna tidiga differentiering ses än idag.

De genetiska fingeravtrycken som skiljer människor som bor i höglandet från dem i närliggande regioner är "anmärkningsvärt gamla, sa Nakatsuka, som kommer att få sin doktorsexamen. i system, syntetisk och kvantitativ biologi i maj.

"Det är extraordinärt, med tanke på det lilla geografiska avståndet, tillade Reich.

Vid 5, 800 år sedan, befolkningen i norr utvecklade också distinkta genetiska signaturer från populationer som blev vanliga i söder, laget hittade. På nytt, dessa skillnader kan observeras idag.

Efter den tiden, genflöde inträffade bland alla regioner i Anderna, även om det avtog dramatiskt efter 2, 000 år sedan, laget hittade.

"Det är spännande att vi faktiskt kunde fastställa en relativt finkornig befolkningsstruktur i Anderna, gör det möjligt för oss att skilja mellan kustnära, nordlig, södra och höglandsgrupper samt individer som bor i Titicacabassängen, sa Fehren-Schmitz.

"Detta är betydelsefullt för Andernas arkeologi och kommer nu att tillåta oss att ställa mer specifika frågor angående lokala demografier och kulturella nätverk, " sa studiens medförfattare Jose Capriles från Pennsylvania State University.

Genetisk sammanblandning

Teamet upptäckte genetiska utbyten både inom Anderna och mellan Andinska och icke-andinska populationer.

Forntida människor flyttade mellan södra Peru och de argentinska slätterna och mellan norra Peru-kusten och Amazonas, i stort sett kringgå höglandet, fann forskarna.

Fehren-Schmitz var särskilt intresserad av att upptäcka tecken på långväga rörlighet under inkaperioden. Specifikt, han blev förvånad över att upptäcka urgamla anor från norra kusten, inte bara runt Cusco, Peru, men också i ett barnoffer från de argentinska södra Anderna.

"Detta kan ses som genetiska bevis för omlokaliseringar av individer under inkastyret, en praxis vi känner till från etnohistoriska, historiska och arkeologiska källor, " han sa.

Även om fynden av genetisk sammanblandning i Anderna korrelerar med kända arkeologiska samband, de kommer sannolikt att leda till ytterligare arkeologisk forskning för att förstå de kulturella sammanhangen bakom migrationerna, sa Nakatsuka.

"Nu har vi fler bevis som visar viktiga migrationer och vissa begränsningar när de hände, men ytterligare arbete måste göras för att veta varför just dessa migrationer inträffade, " han sa.

Långsiktig kontinuitet

Analyserna visade att flera regioner bibehöll genetisk kontinuitet under de senaste 2, 000 år trots tydliga kulturomvandlingar.

Fyndet står i kontrast till många andra världsregioner, där gamla DNA-studier ofta dokumenterar betydande genetisk omsättning under denna period, sa Reich.

De befolkningsstrukturer som tidigt uppstod höll i sig genom stora sociala förändringar och vidare in i moderna samhällen, sa författarna. Upptäckten erbjuder nya bevis som kan införlivas tillsammans med arkeologiska och andra register för att informera teorier om den antika historien för olika grupper i regionen.

"Till vår förvåning, vi observerade stark genetisk kontinuitet under uppgången och fallet för många av de storskaliga andinska kulturerna, som Moche, Wari och Nasca, " sa Nakatsuka. "Våra resultat tyder på att dessa kulturers fall inte berodde på massiv migration till regionen, t.ex., från en invaderande militärstyrka, ett scenario som hade dokumenterats i vissa andra regioner i världen."

Två undantag från kontinuitetstrenden var de stora stadscentra som Tiwanaku- och Inkakulturerna kallade hem. Istället för att vara ganska genetiskt homogen, huvudstadsregionerna i dessa civilisationer var kosmopolitiska, tar emot människor från många genetiska bakgrunder, laget hittade.

"Det var intressant att börja se dessa glimtar av förfäders heterogenitet, ", sa Nakatsuka. "Dessa regioner har en viss likhet med vad vi ser nu på platser som New York City och andra större städer där människor av väldigt olika härkomster lever sida vid sida."

Kooperativt författarskap

Studien inkluderade författare från många discipliner och många länder, inklusive Argentina, Australien, Bolivia, Chile, Tyskland, Peru, Storbritannien och USA.

"Detta är ett imponerande tvärvetenskapligt men, lika viktigt, internationellt samarbete, " sa studiens medförfattare Bastien Llamas vid University of Adelaide. "Alla arbetade mycket nära för att utarbeta detta manuskript under ledning av Fehren-Schmitz och Reich."

Det var viktigt att samarbeta med lokala forskare som tillhör samhällen som härstammar från de individer som analyserades i studien, Fehren-Schmitz sa, och att få tillstånd från och ständigt engagera sig med inhemska och andra lokala grupper såväl som lokala myndigheter.

Analysen av DNA från forntida individer kan ha betydande konsekvenser för dagens samhällen. Det ena gäller den fysiska hanteringen av skelettmaterialen, som kan vara känsliga för de inblandade grupperna.

Arbetet gav möjligheter att läka tidigare sår. I ett fall, ett prov från Cusco, tidigare inhyst i USA, repatrierades till Peru. Andra lämningar som för länge sedan hade tagits på felaktigt sätt från gravplatser kunde koldateras och begravas igen.

I avsaknad av förcolumbianska skrivna historier, arkeologi har varit den huvudsakliga källan till tillgänglig information för att rekonstruera kontinentens komplexa historia, sade studiens medförfattare Chiara Barbieri vid universitetet i Zürich.

"Med studiet av forntida DNA, vi kan läsa forntida gruppers demografiska historia och förstå hur forntida och nuvarande grupper är relaterade, ", sa hon. "Kopplingen till den genetiska studien av levande populationer öppnar en direkt dialog med det förflutna och ett tillfälle att involvera lokala samhällen."

Forskarna försökte djupt involvera samhällen med hjälp av arkeologer från varje område, sa Nakatsuka. Deras ansträngningar inkluderade att hålla offentliga föredrag om studien och översätta material till spanska.

"Vi var verkligen glada över att få sammanfattningen och nyckelresultaten i vår artikel översatta och inkluderade som en del av själva Cell-uppsatsen, för att öka tillgängligheten till vårt arbete, " sa Nakatsuka. "Vi hoppas framtida studier kommer att göra liknande översättningar, inklusive versioner lämpliga för lekmannapublik för skolor, museiutställningar och kulturorganisationer, vilket vi också håller på att göra."