Прочесть историю по ДНК
Кандидат биологических наук Надежда Маркина, доктор биологических наук Олег Балановский
Молекула ДНК оказалась поразительно устойчива и сохраняется в ископаемых останках в течение десятков тысяч лет.
Ещё совсем недавно заглянуть в прошлое — узнать, где жили люди, какой образ жизни вели, на каком языке говорили и кого из них можно считать нашими предками, — могли только археологи, историки и лингвисты. В последние десятилетия к ним присоединились генетики, которые создали мощнейший инструмент — исследование древней ДНК (палеоДНК). Молекула ДНК, основной носитель информации в клетке, оказалась поразительно устойчива и сохраняется в ископаемых останках в течение десятков тысяч лет. В ней законсервированы ответы на многие вопросы истории человечества.
Надо сказать, что и по современной ДНК генетики реконструируют исторические события: по сегодняшней структуре генофонда догадываются, какие события могли её сформировать, а используя знания о скорости мутаций, отсчитывают время назад по так называемым молекулярным часам. Но современная ДНК даёт возможность лишь смоделировать прошлое, а древняя ДНК — непосредственно прочитать то, что в ней записано.
Первую древнюю ДНК генетики выделили ещё в 1984 году из высохшей мышцы вымершего родственника зебры. В 1991-м ДНК впервые извлекли из ископаемых костей человека. Но её анализ целиком зависел от развития технологий, поэтому стал возможен с появлением метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) и вышел на новый уровень с возникновением методов секвенирования нового поколения. Эти методы радикально облегчили прочтение последовательности нуклеотидов (кирпичиков, из которых состоит ДНК). Самое главное — они позволяют прочитать не целую молекулу, а разорванную на мелкие кусочки, как обычно и происходит с ДНК в процессе длительного хранения в ископаемых костях. В 1991 году биологи впервые извлекли палеоДНК человека, в 2010-м смогли прочитать древний геном целиком — из костей неандертальца возрастом 38 тыс. лет и из костей палеоэскимоса возрастом 4 тыс. лет.
С этого времени число прочитанных древних геномов нарастает лавинообразно, с каждым годом публикуется всё больше статей в этой области. Вторгшись в храм древности со своими ДНК-перфораторами, генетики расспросили старожилов храма — прежде всего, археологов — о проблемах, которые надо решить. По словам этнографа и антрополога М. В. Витова, «антропологические измерения предоставляют историку чрезвычайно обильный и многочисленный, но однообразный и односторонний материал». Это в полной мере относится и к генетике. О древних эпохах генетика предоставляет также материал обильный, но односторонний: только о движениях самого населения, но не о его культуре или языке. Зато на вопрос о населении: была на данной территории преемственность населения или его смена произошла в результате миграции — древняя ДНК даёт прямой ответ. Эти ответы порой подтверждают построения археологов, историков и лингвистов, порой они оказываются неожиданными. С данного момента начинается тот междисциплинарный диалог между представителями биологических наук (генетики и антропологии) и гуманитарных дисциплин (археологии, истории, лингвистики), который может привести к взаимопониманию и сближению точек зрения. Так уточняется картина мира. «Генетика вносит важный фрагмент в общий пазл. Не больше, но и не меньше» — так о роли генетики в изучении истории человека сказал Вольфганг Хаак, один из ведущих специалистов созданного недавно Института истории человечества Общества Макса Планка (Max Planck Institute for the Science of Human History) в Йене, Германия.
Почему это трудно
Изучать древнюю ДНК очень непросто, поэтому даже сегодня в мире существует лишь несколько лабораторий, которые делают это качественно. Самая большая проблема — загрязнение (специалисты говорят — контаминация) материала. Лежащие в земле тысячи лет кости заселены бактериями и грибами, поэтому первая задача состоит в том, чтобы отделить человеческую ДНК от микробной. С другой стороны, надо не допустить её загрязнения современной ДНК, прежде всего, от людей, которые с ней работают. Поэтому помещения для работы с древней ДНК должны отвечать стандартам чистоты, а сами исследователи работать в экипировке, напоминающей космические скафандры.
Есть ещё одна проблема: в ископаемых образцах, в данном случае в человеческих останках из древних захоронений, содержится очень мало ДНК, пригодной для выделения и анализа. Иногда специалистам приходится работать всего лишь с несколькими молекулами. Наконец, и самих образцов, то есть человеческих останков, в которых сохранилась ДНК, пока ещё мало. Поэтому трудно набрать нужную статистику, что создаёт трудности в интерпретации полученных результатов. Кстати, сохранность ДНК в палеоматериале зависит в первую очередь не от возраста останков, а от условий, в которых они хранились в природе. Главные её враги — высокая температура и влажность. Именно поэтому большинство изученных древних геномов относятся к средней полосе или северу; в Южной Европе и на Ближнем Востоке останков гораздо меньше, а в Африке пока только один материал оказался пригодным для изучения.
В нашей стране лаборатории, которые пытаются работать с древней ДНК, можно пересчитать по пальцам. Собственно, лабораторный анализ проводят лишь новосибирские исследователи (группа Александра Пилипенко) и группа Евгения Рогаева в Институте общей генетики (ИОГен) РАН. Некоторые исследовательские коллективы, например лаборатории популяционной генетики человека в Медико-генетическом научном центре (МГНЦ) и Институте общей генетики РАН, успешно сотрудничают с ведущими зарубежными коллективами, участвуют в биоинформационном анализе и обобщении данных. Помимо всего прочего, Россия — неисчерпаемый источник палеоматериала, где благодаря холодному климату останки хорошо сохраняются.
Как пересекались «параллельные человечества»
Прежде всего, исследования древней ДНК дали возможность описать наши отношения с другими видами людей, уточнив представление о «чистоте» вида Homo sapiens. О неандертальцах науке известно очень давно, и антропологи много спорили, смешивались ли ветви сапиенсов и неандертальцев. Эти вымершие представители «другого человечества» генетически были изучены в группе Сванте Паабо, самого известного в мире специалиста по древней ДНК (Институт эволюционной антропологии Общества Макса Планка в Лейпциге, нем. Max Planck Institut fur evolutionare Anthropologie). Сначала он изучил митохондриальную ДНК неандертальца (небольшого размера молекулы ДНК, содержащиеся в митохондриях и передающиеся по материнской линии) и заявил о полном отсутствии смешения. Но когда спустя несколько лет он же секвенировал остальной геном неандертальца, то сменил тезис на противоположный: выяснилось, что около 2% генома современного человека имеет неандертальское происхождение. Дальнейшие исследования показали, что эта доля варьирует от 1 до 4% по Евразии, но практически отсутствует у населения Африки южнее Сахары. И неудивительно — такое генетическое наследство сапиенсы могли получить только при скрещивании с неандертальцами, а поскольку межвидовая метисация происходила после выхода человека из Африки, то у современных африканцев нет её следов.
После того как генетики научились находить последовательности неандертальской ДНК, спрятанные в современном геноме, выяснилось, что у разных людей неандертальское генетическое наследство различно как по размеру, так и по набору фрагментов ДНК. Генетики из Вашингтонского университета (Vernot, Akey, 2014) подсчитали его в 665 геномах жителей Европы и Восточной Азии и выяснили: суммарно в их геномах спрятано около 600 миллионов нуклеотидов, унаследованных от неандертальцев, что составляет около 20% неандертальского генома. Иными словами, пятая часть генома неандертальцев не исчезла окончательно, а живёт в современном человечестве. Хотя у каждого отдельного человека, как сказано выше, доля неандертальской ДНК составляет от 1 до 4%. Интересно и то, что в азиатских популяциях её чуть больше, чем в европейских. Учёные объясняют это вторым потоком неандертальских генов, затронувшим только Восточную Азию.
Где и когда сапиенсы плодотворно общались с неандертальцами? Первоначально считали, что это случилось вскоре после выхода первых людей из Африки, то есть 50—60 тыс. лет назад, на Ближнем Востоке, где мигранты сделали остановку. Но открытие 2015 года показало, что не только там и не только тогда. При исследовании ДНК древнейшего человека современного вида на территории Европы (в Румынии) возрастом 37—42 тыс. лет обнаружилось, что в ДНК индивида Oase 1 число неандертальских фрагментов существенно больше, чем в других, столь же древних, найденных на территории России: в образце Костенки-14 (Воронежская область) возрастом 36—39 тыс. лет, в образце из Усть-Ишима близ Байкала возрастом 42—43 тыс. лет и в нескольких других. В геноме Oase 1 неандертальская ДНК составила более 7%, причём её фрагменты достигали значительной длины. Это говорит о недавней метисации с неандертальцами, так как с течением времени длинные фрагменты становятся короткими. Авторы подсчитали, что предки Oase 1 скрещивались с неандертальцами всего за четыре—шесть поколений до его рождения. Очевидно, уже в Европе. Правда, след от этой недавней метисации не дошёл до нашего времени: учёные не обнаружили генетического сходства Oase 1 с последующими популяциями.
О денисовце — ещё одном виде человека, жившем в Евразии одновременно с сапиенсами и неандертальцами, — мир узнал после того, как тот же Сванте Паабо прочитал сначала митохондриальный, а потом и ядерный геном из фаланги пальца, найденной в 2008 году в Денисовой пещере на Алтае. Эта история замечательна тем, что денисовца определили как отдельный вид человека исключительно по ДНК. Можно сказать, что на сегодняшний день о денисовце мы не знаем ничего, кроме его генома (костные фрагменты ничтожны: помимо первоначальной фаланги пальца позже найдено ещё два зуба). Сейчас генетики изучили ДНК из всех трёх фрагментов и узнали, что денисовцы жили в той пещере от 100 до 50 тыс. лет назад, возможно, в какой-то период делили её с неандертальцами, а возможно, заселялись в неё дважды (Sawyer, 2015). Жили они, похоже, почти по всей Азии, а особенно большой след оставили в геномах жителей островов у юго-восточной оконечности Азии; так, в Меланезии он достигает 2—4%.
Заселение Европы
В последние годы появилось множество работ, в которых с помощью анализа древней ДНК показано, как человечество осваивало Европу, какие группы внесли свой вклад в генофонд современного населения. В самых общих чертах картина такова. После того как человек современного типа достиг Европы (от 40 до 35 тыс. лет назад), группы охотников-собирателей обитали в разных её частях и практически не смешивались друг с другом. Последний факт получен как раз генетиками: образцы древней ДНК охотников-собирателей верхнего палеолита показывают, что их популяции в разных регионах были генетически очень различны.
В неолите произошла революция — люди перешли от присваивающего хозяйства к производящему: от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству. Она радикально поменяла образ жизни наших предков и стимулировала развитие технологий. Земледелие, возникнув впервые около VII тысячелетия до н. э. на Ближнем Востоке, в течение последующих тысячелетий распространилось в Европу. Один из главных вопросов, которые пытаются решить специалисты разных наук, состоит в том, привело ли оно к смене населения. Существуют две гипотезы: культурная диффузия, когда происходит передача навыков земледелия между соседними группами населения, а сами они практически остаются на месте, и демическая диффузия, когда технологии передаются вместе с мигрирующим населением.
Определить, была ли миграция (то есть поток генов), — дело генетиков. Сначала они изучили древнюю митохондриальную ДНК (мтДНК) из европейской неолитической популяции (культуры линейно-ленточной керамики) и показали её сходство с мтДНК населения Ближнего Востока. Это свидетельствует, что ближневосточные земледельцы действительно мигрировали в Европу, принеся с собой технологии выращивания культурных растений. Вывод о ближневосточной неолитической миграции подтвердился и тогда, когда генетики смогли секвенировать полный ядерный геном из древних образцов. Авторы статьи в «Nature» под руководством ведущих специалистов по древней ДНК Дэвида Райха (Гарвардская медицинская школа в Бостоне) и Йоханнеса Краузе (Институт истории человечества Общества Макса Планка в Йене) изучали, из каких групп населения формировался генофонд Европы. По их гипотезе, основными источниками стали три древние популяции. Первая — европейские охотники-собиратели (жившие в Европе со времён палеолита), вторая — ближневосточные земледельцы (которые мигрировали в Европу и смешались с местными аборигенами), третью условно назвали «древними североевразийцами» (тоже охотники-собиратели, впервые генетически изученные в образце со стоянки Мальта в Сибири).
Чем больше древних геномов стало возможно прочитать, тем точнее становилась эта картина. Когда число древних образцов ДНК достигло 94 (от палеолита до железного века), та же команда опубликовала в «Nature» очередную статью, в которой описала генетический след другой большой миграции в Европу. Эта миграция в позднем неолите и начале бронзового века происходила из причерноморско-каспийских степей. Авторы связывают её с населением археологической ямной культуры, жившим в этих местах 5 тыс. лет назад. (Культура получила название из-за обычая погребения умерших в открытых ямах.) «Степной» генетический компонент они выявили в западноевропейских популяциях бронзового века, в населении культуры шнуровой керамики.
Итак, две большие миграционные волны сыграли ведущую роль в предыстории Европы. Первая — в раннем неолите — принесла в Европу гены первых земледельцев с Ближнего Востока, вторая — в позднем неолите — гены степняков ямной культуры. Но если первая — неолитическая миграция с Ближнего Востока — признаётся практически всеми специалистами и в этом генетики совпадают с археологами, то по поводу степной миграции бронзового века ломается много копий. Здесь с генетиками не согласны как археологи, так и лингвисты. Большинство археологов (в частности, Лев Самуилович Клейн) не находят археологических подтверждений миграции «ямников» и не усматривают связи их культуры с европейской культурой шнуровой керамики. Лингвисты же выступают против попыток авторов связать эту миграцию с распространением в Европу индоевропейских языков, поскольку место возникновения и пути распространения этой самой многочисленной семьи языков до сих пор представляют предмет бурных дискуссий.
Да и сами генетики сейчас с осторожностью относятся к выводу о миграции ямной культуры. Например, хотя в нескольких древних образцах «ямников» обнаружена гаплогруппа (вариант) Y-хромосомы R1b (который обычно ассоциируется с Европой), более подробный анализ, выполненный в ИОГен РАН, показал, что это не западная, а восточная ветвь R1b, так что в современной Европе искать её не стоит. С осторожностью говорит об этом и один из авторов работы Вольфганг Хаак: «Возможно, правильнее назвать этот генетический след “похожим на ямную степным предковым компонентом”».
Другая группа исследователей под руководством Эске Виллерслева (Eske Willerslev из Центра географической генетики Музея естественной истории университета Копенгагена, Дания), прочитав уже более сотни древних геномов, рассмотрела период бронзового века. Эта эпоха (от 3 до 1 тыс. лет назад), когда камень уступает место металлу, сопровождается радикальными культурными и социальными изменениями в жизни людей. Они касаются не только хозяйственного уклада — возникает новое понимание имущественных отношений, семьи и личности. И снова встаёт тот же вопрос, что и с неолитом: была ли это циркуляция людей или идей?
Мортен Аллентофт (Morten E. Allentoft) и его коллеги (также из центра географической генетики музея естественной истории университета Копенгагена) склоняются к первой версии. Миграции (циркуляции людей) в бронзовом веке были очень интенсивными, и именно в этом периоде, через сложные процессы экспансии, смешения и замещения популяций, сформировались основные археологические культуры. Авторы также указывают на миграцию ямной культуры из степей, генетический след которой они находят в ряде европейских культур. Более того, они проследили миграцию ямной культуры в Сибирь, где она дала начало афанасьевской культуре Алтае-Саянского региона.
Надо сказать, что в работах разных генетиков много противоречий, которые не всегда можно объяснить. Более того, иногда одна и та же команда в последующих публикациях значительно перерабатывает свои же собственные выводы, сделанные ранее. Но процесс идёт, и по мере того как прочитанных древних геномов будет больше, а качество прочтения — надёжнее, картина реконструкции заселения Евразии должна становиться точнее.
Светлая кожа, молоко и голубые глаза
По древней ДНК можно проследить и то, как у наших предков изменялись признаки внешности, строение тела или обмен веществ. В процессе расселения по Евразии человек попадал в новые условия обитания, в которых какие-то признаки оказывались полезными. Генетические варианты, отвечающие за эти полезные признаки, повышают приспособляемость индивида и поддерживаются естественным отбором. При этом частота генетических вариантов (аллелей) повышается и признаки распространяются в популяции.
Исследование естественного отбора, происходившего в человеческих популяциях за 8 тыс. лет, по древней ДНК предприняла уже упомянутая команда Дэвида Райха. В геномах 83 индивидов, от палеолита до бронзы, генетики изучили однонуклеотидный полиморфизм (SNP, «снипы») — участки, где происходит замена одного нуклеотида другим. Из 400 тыс. изменчивых участков они выбрали те, которые оказывают влияние на синтез белков и, следовательно, на те или иные признаки. Для каждой такой функционально важной SNP-мутации оценили её частоту в древних и современных популяциях и проверили, поддерживалась ли эта мутация естественным отбором. Таких полезных мутаций, которые помогали выживать нашим предкам, оказалось несколько.
Одна из них находится в составе гена лактазы (фермента, расщепляющего молочный сахар — лактозу). Эта мутация обеспечивает синтез лактозы в течение всей жизни, поэтому обладающие ею взрослые могут пить молоко, а обладатели исходного варианта гена без мутации могут пить молоко только в младенчестве. Так вот, мутантный ген исследователи не нашли в раннем неолите, не нашли даже у скотоводов ямной культуры, несмотря на то что те использовали рогатый скот. Получается, что мутация впервые распространилась в популяции примерно 4 тыс. лет назад, а значит, люди стали способны употреблять в пищу молоко далеко не сразу после того, как одомашнили животных. Но эта привычка оказалась настолько полезной, что возникшая мутация распространялась очень быстро и сегодня имеется у 70% европейцев.
Другой признак — светлая кожа, которую обеспечивают варианты (аллели) двух генов, влияющих на пигментацию. У западноевропейских охотников-собирателей таких аллелей не было вовсе или же они были очень редки, так что, вероятно, кожа у них была довольно тёмной. Анализ показал, что первый аллель уже в раннем неолите достигает высокой частоты, а второй в то время только возникает, но быстро распространяется. У современных европейцев эти светлокожие варианты встречаются почти поголовно, за исключением испанцев.
В европейских популяциях бронзового века достигает заметной частоты и аллель, отвечающий за голубой цвет глаз. Но у него сильный географический градиент — высокая частота на севере и низкая на юге. Это понятно, так как светлый цвет радужки на юге неблагоприятен: он не защищает сетчатку от интенсивного солнечного излучения.
Некоторые самые полезные гены пришли из «параллельного человечества». Например, ген, обеспечивающий выживание на большой высоте (в условиях недостатка кислорода) у современных жителей Тибета, был позаимствован ими у денисовцев. Есть данные, что ген, позволяющий эскимосам эффективно согреваться при метаболизме жиров, тоже получен ими от денисовцев. Постепенно накапливается всё больше примеров того, что Homo sapiens, выйдя из Африки в Евразию и столкнувшись с новыми для себя климатическими условиями, воспользовался для адаптации генами, полученными от смешения с денисовцами и неандертальцами, которые к тому времени уже многие десятки тысячелетий обитали в Евразии и успели приспособиться к самым разным климатическим зонам.
Это лишь несколько примеров открытий, которые сделаны благодаря палеоДНК. Кто знает, какие ещё события прошлого генетикам удастся прочитать по ДНК? Обрывки двойных спиралей, разбросанные по планете, хранят информацию наподобие бортовых «чёрных ящиков» в ожидании экспертов, способных её точно прочитать и правильно понять.
Статьи по теме
- Жёны викингов участвовали в колонизации
- Древний человек из Денисовой пещеры, кто он?
- Высокогорный ген от денисовского человека
Читайте в любое время
