Луис Кинтана-Мурси
Люди. По следам наших миграций, приспособлений и поисков компромиссов

Революция палеогеномики

Возможность секвенировать ДНК ископаемых останков – это недавнее революционное достижение геномики – полностью перевернула наше представление о происхождении Homo sapiens. Мы узнали о скрещивании наших предков с ныне исчезнувшими древними людьми, а также о том, каким образом происходило расселение людей по планете. Эра палеогеномики – пусть в то время ее еще не обозначали этим термином – наступила в 1984 году, когда была опубликована последовательность участка митохондриальной ДНК, извлеченной из останков квагги, или степной зебры^[47], – подвида южноафриканской зебры, вымершего в конце XIX века. Тем не менее, только в 2010-е годы наступил золотой век изучения древней ДНК, то есть появилась палеогеномика как наука.

Высокопроизводительное секвенирование не только произвело революцию в популяционной генетике, оно также превратило основную проблему древней ДНК – ее фрагментацию на небольшие участки (в среднем от 30 до 80 нуклеотидов) – в преимущество, так как при высокопроизводительном секвенировании ДНК в любом случае сначала разделяют на небольшие участки, которые затем секвенируют. Прогрессивные технологии и новые методы анализа позволяют неплохо справляться и с другими трудностями при изучении древней ДНК. Одна из них связана с тем, что эндогенная ДНК – то есть принадлежащая образцу, который нужно исследовать, – содержится в очень малом количестве из-за ее деградации post mortem^[48] и повреждений, вызванных временем. Современные методы увеличения количества эндогенной ДНК позволяют отчасти решить эту проблему. Помогает и развитие новых инструментов биоинформатики. Для ископаемых останков характерна высокая степень «экзогенной» ДНК: попавшей из окружающей среды (от грибов, бактерий и т. д.) или ДНК современного человека, которая могла быть занесена во время археологических раскопок или же непосредственно в лаборатории. Чтобы выявить и устранить последовательности, не относящиеся к эндогенной ДНК, применяются недавно созданные методы биоинформатики: они используют характеристики древней ДНК, например, большое число мутаций, при которых C превращается в T, возникающих при post mortem разложении.

Стремительное технологическое развитие позволило получить результаты, которые еще несколько лет назад могли встречаться только в научной фантастике. Так, в 2008 году мы оказались изумленными свидетелями первого в истории секвенирования генома мамонта. Это грандиозное событие стало реальностью благодаря извлечению древней ДНК из фрагментов шерсти мамонта, целых 40 000 лет пролежавших в вечной мерзлоте Сибири. А в 2010 году родилась палеогеномика человека: команда Эске Виллерслева из Дании опубликовала последовательность генома первобытного человека – палеоэскимоса, предположительно обитавшего на территории Гренландии около 4000 лет назад. Помимо блестящих достижений в секвенировании генома современного человека (человека современного типа), жившего в доисторическую эпоху^[49], включая удаление «загрязнений» – ДНК самих экспериментаторов, людей не менее современных, это исследование позволило описать миграцию из Сибири в сторону Нового Света, происходившую около 5 500 лет назад и не связанную с миграцией, благодаря которой появились современные американские индейцы и эскимосы.

Работа команды Эске Виллерслева открыла дорогу дальнейшим исследованиям; были секвенированы сотни геномов первобытных людей. Останки имеют возраст от нескольких тысяч до 45 000 лет. Эти геномы могли принадлежать, например, индивидам, жившим в эпоху позднего палеолита, или доисторическим американским индейцам, охотникам-собирателям из мезолита^[50] и неолита^[51], первым земледельцам неолита и так далее, вплоть до жителей Евразии железного века и более поздних эпох.

Один из старейших представителей современного человека за пределами Африки, геном которого удалось секвенировать, имеет возраст около 45 000 лет: это усть-ишимский человек, чьи останки были найдены в Сибири. Изучение останков проводилось совместно командами Сванте Паабо из лейпцигского Института Макса Планка и Дэвида Райха из Гарвардского университета. Они показали, что геном найденного индивида, хоть и больше напоминает геномы жителей Евразии, чем африканцев, все же не имеет большого генетического сходства с сегодняшними европейцами и азиатами. Этот факт позволил прийти к заключению, что популяция, к которой принадлежал усть-ишимский человек, внесла относительно малый вклад в существующее на сегодняшний день разнообразие популяций, населяющих Евразию.

Другим примером секвенирования древней ДНК – более заметным благодаря скорее своей популярности, чем научной значимости, – является Этци, «ледяной человек». Этци был обнаружен в 1991 году парой туристов на территории ледника Хауслабьох в Эцтальских Альпах, в районе границы между Австрией и Италией. Его останки находились в мумифицированном состоянии: было установлено, что он умер около 5300 лет назад. Последние генетические исследования его генома, а также микробиома (ДНК микробов в микрофлоре), проведенные в 2016 году, выявили возможное сходство Этци с современными жителями Сардинии. С большой долей вероятности можно утверждать, что у него были карие глаза, кровь группы 0 и непереносимость лактозы. Кроме того, Этци, несомненно, страдал от болезни Лайма: этот вывод позволяет сделать присутствие в его микробиоме боррелии – бактерии Borrelia burgdorferi.

Внутри нас сидит неандерталец… целых 2 % неандертальца!

Данные, полученные из древней ДНК, многое рассказали нам об истории человечества и о том, каким образом человеческие популяции адаптировались к меняющейся окружающей среде. В некоторых случаях новые исследования просто подтвердили то, что уже было известно благодаря изучению современной ДНК, – например, тот факт, что наш вид имеет африканское происхождение; в других случаях они предоставили новые факты, порой противоречащие гипотезам, созданным при исследовании современной ДНК. Но самые неожиданные сюрпризы – открытия, которые более всего потрясли научное сообщество, – произошли благодаря изучению ДНК ныне исчезнувших форм человека: неандертальца и его азиатского родственника – денисовского человека.

Связи между нашим видом и неандертальцами – вымершим видом рода Homo, обитавшим в Европе, на Среднем Востоке и в Центральной Азии в период где-то между 230 000 и 40 000 лет назад – были предметом многочисленных исследований и споров, начиная с открытия этого вида в 1856 году в долине Неандерталь, недалеко от Дюссельдорфа в Германии. Наиболее распространенной была гипотеза, что их исчезновение, которое совпало с появлением современного человека в Европе, стало результатом физического, когнитивного и технологического превосходства Homo sapiens. В своих научных работах исследователи с удовлетворением отмечали, что представители вида Homo sapiens и неандертальцы сильно отличались друг от друга, что между ними не было почти ничего общего и, самое главное, что они не скрещивались между собой. Любой вывод, поддерживающий идею о существовании серьезных различий между двумя группами людей, принимался на ура – по идеологическим причинам.

Первое генетическое исследование неандертальцев, проведенное в 1987 году командой Сванте Паабо, который тогда еще работал в Мюнхене, было выполнено на небольшой последовательности митохондриальной ДНК и только подтвердило первоначальную гипотезу: ученые пришли к выводу, что неандертальский человек вымер, не оставив следа в генетическом материале современного человека. Аналогичным образом проведенное в 2004 году командой Лорана Экскофье из Бернского университета исследование, которое основывалось на изменчивости митохондриальной ДНК и на реалистичных моделях демографической истории первых европейцев, подтвердило, что люди современного типа и неандертальцы не метисировались и что даже если предположить, что их гибридизация происходила, то такие случаи «при худшем раскладе» составляли не более 0,01 %. А значит, можно не беспокоиться: не было никакого скрещивания!

Только в 2010 году был секвенирован первый целый геном, полученный из останков неандертальца. Результаты вызвали немалое удивление: он больше напоминал геном современных жителей Евразии, чем африканцев. Это стало первым доказательством, что около 50 000 или 60 000 лет назад произошел обмен генами между неандертальцами и предками людей родом не из Африки. Позднее были секвенированы другие образцы ДНК неандертальцев, причем три из них, с высоким уровнем покрытия генома, происходили из Алтайских гор на юге Сибири и из пещеры Виндия в Хорватии. Эти исследования только подтвердили, что сегодняшние жители Евразии имеют в геноме в среднем от 2 до 3 % генетического материала неандертальцев. Сравнение геномов неандертальцев с геномами современных людей позволило также приблизительно рассчитать дату разделения двух этих групп: от 550 000 до 765 000 лет назад.

Гибридизация вида Homo sapiens с вымершими видами людей: древняя интрогрессия

Объяснение этому может быть только одно: наши предки – предки людей как европейского, так и азиатского происхождения – скрещивались с неандертальцами. Это явление было названо древней интрогрессией^[52], и его доказательство можно увидеть в наших геномах. Однако обмен генами между неандертальцами и современными людьми не ограничивается передачей генетического материала от первых к последним: исследование, опубликованное в 2020 году командой Сванте Паабо, установило, что Y-хромосома неандертальца, по всей вероятности, получена им от Homo sapiens где-то от 100 000 до 370 000 лет назад. Все эти наблюдения указывают, что гибридизация между современными людьми и неандертальцами определяла ход истории этих гомининов (видов рода Homo, из которых на сегодняшний день остался только сапиенс).

Но связь между нашими предками-сапиенсами и исчезнувшими группами человека не заканчивается на неандертальцах. В 2010 году анализ ДНК ископаемой фаланги пальца, найденной в Денисовой пещере в горах Алтая в Сибири, указал на существование другой, ранее неизвестной разновидности человека. Открытие основано всего лишь на частичке ископаемых останков. Это очень и очень мало: ни один палеоантрополог, каким бы талантливым он ни был, не смог бы определить вид существа, которому принадлежали эти ископаемые останки, на основании лишь крошечного кусочка пальца. И это тот случай, когда мы можем оценить могущество генетики: именно она позволила, при помощи секвенирования ДНК, идентифицировать ранее не известного науке древнего человека – его назвали денисовским. Предположительно денисовский человек жил в Азии от 50 000 до 110 000 лет назад. Анализ его генома показал, что денисовцы отделились от неандертальцев около 400 000–440 000 лет назад. Как и неандертальцы, денисовцы оставили свой след в наших геномах, и это еще раз доказывает гибридизацию наших предков с другими популяциями древних людей. В результате целой череды смешений, происходивших 45 000–30 000 лет назад, жители Евразии имеют в своих геномах менее 1 % генетического материала денисовского человека, в отличие от популяций, проживающих в Юго-Восточной Азии и Океании, особенно папуасов, у которых генетическое наследие денисовца достигает 3,5 %.

Все эти оценки древних интрогрессий – будь они связаны с неандертальцами или с денисовцами – являются средними цифрами, рассчитанными для генома современного человека в целом. Но отметим, что отдельные участки ДНК человека могут хранить до 64 % генетического наследия древних людей! Тем не менее существует постоянный отбор, удаляющий следы древней интрогрессии – главным образом в генах, кодирующих белки: вероятно, это объясняется ее губительным воздействием на современного человека. Идентификация участков генома, почти полностью лишенных древнего генетического наследия (их называют «пустынями» для древних генов), позволяет нам оценить те его свойства, которые повлияли на признаки современного человека.

К примеру, участок, лишенный генетического наследия неандертальца, был идентифицирован в непосредственной близости от белка Forkhead box P2 (FOXP2) – его мутации связывают с речевыми расстройствами. Аналогичным образом, ген AMY1, который кодирует амилазу – фермент, отвечающий за расщепление крахмала, – также находится в «пустыне», где отсутствует наследие неандертальцев. В отличие от современного человека – носителя множества копий гена AMY1 – неандертальский и денисовский человек обладали единственной копией этого гена; отсюда мы можем сделать вывод, что выработка в слюне современных людей амилазы, позволяющей им усваивать крахмал, стала для них огромным преимуществом. Помимо многочисленных и повсеместных свидетельств отрицательного отбора, приводящего к потере древних аллелей, современный человек в ходе гибридизации с древними людьми приобрел также и благоприятные аллели – это явление называется адаптивной интрогрессией, ниже мы рассмотрим его более подробно.

Итак, в нас продолжает жить частичка древнего человечества. Но эта часть не ограничивается лишь неандертальцами и денисовцами. Некоторые признаки указывают и на другие скрещивания: в их числе можно назвать обнаруженный у денисовцев приток генов некой «супердревней» группы, еще не идентифицированной; генетические следы восточных неандертальцев в геномах денисовцев; следы древних африканских людей, также еще не изученных, в геномах современных африканских популяций. Более того, исследование, проведенное в 2018 году командой Сванте Паабо на основании фрагмента кости из Денисовой пещеры, показало, что, вполне возможно, происходило и смешение между неандертальцами и денисовцами. Последовательность ДНК найденного образца раскрыла многие секреты: она указывает, что эта кость принадлежала девушке, умершей в возрасте около 13 лет, причем ее родителями были неандертальская мать и отец-денисовец. Следовательно, мы с полным основанием можем предполагать, что в случае, когда различные группы древних людей встречались между собой в эпоху плейстоцена, скрещивания между ними были вполне обычны.

Часть II
Завоевания и расселение

Кто мы? Выше мы познакомились с несколькими этапами нашего эволюционного развития. Но наша история только начинается. В этой части мы обратимся к знаниям о происхождении рода Homo, и особенно о распространении нашего вида, Homo sapiens, начиная с его колыбели – Африки – и заканчивая разными этапами заселения всех континентов Земли. Благодаря традиционным инструментам археологов и палеоантропологов, а также решающему (с недавнего времени) вкладу со стороны геномики мы способны более точно восстановить нашу историю и оказаться среди наших африканских предков, чтобы последовать по их стопам в их невероятных странствиях, сделавших из них европейцев, азиатов, американцев, жителей Океании – по мере того, как они заселяли всю планету. То есть первым ответом на вопрос «Кто мы?» будет: мы – завоеватели новых территорий.

В ходе завоеваний происходили также и встречи, и наши гены сохранили их следы. А значит, существует и другой ответ на вопрос «Кто мы?»: мы – метисы, гибриды, плоды отдаленного скрещивания. Вердикт геномики окончателен: мы как вид являемся продуктом более чем 200000-летней истории, вобравшей в себя около 100000 лет странствий и многочисленных встреч.

Мы представляем здесь обновленный научный взгляд, уточненный с помощью данных, полученных геномикой в последние десятилетия.

За прошедшие 30 лет генетика стала играть все более важную и, наконец, даже центральную роль в поисках корней Homo sapiens. Но прежде, чем сконцентрироваться на виде, следует рассмотреть более общий случай и изучить вопрос рода, исследовать корни рода Homo: в этом отношении генетика не дала (пока не дала!) нам ответа. Мы видели, что ветвь человека, давшая начало нашему виду, отделилась от других человекообразных обезьян около 6 миллионов лет назад. Чтобы понять, где обитали различные родственные нам виды (homininae или гоминины) в период после отделения от других и до появления вида Homo sapiens, нам нужно обратиться к археологии и палеоантропологии.

Ветвь человека и «большие обезьяны маленького роста»

Ископаемые останки с предельной ясностью рассказывают нам о географическом распространении наших предков: все виды гомининов, жившие в период от 7 до 2 миллионов лет назад, были обнаружены на африканском континенте. Первые останки, которые могли бы принадлежать ветви человека, нашли в Африке и датировали возрастом около 7 миллионов лет. Речь идет о черепе, получившем имя Тумай – «надежда на жизнь» на местном языке даза. Он был обнаружен в 2001 году в Чаде командой Мишеля Брюне из университета Пуатье. Эта находка привела к выявлению нового вида – чадский сахелантроп (Sahelanthropus tchadensis); за пределами Африки следов этого вида пока не встречалось. Несмотря на то что мозг Тумая размером с мозг шимпанзе, он обладает некоторыми чертами, связывающими его с линией гомининов: плоское лицо, крепление спинного мозга к черепу снизу, а не сзади^[53] и промежуточная^[54] толщина зубной эмали. После Тумая был найден (снова исключительно на территории Африки) целый ряд ископаемых останков, в числе которых оррорин (Orrorin tugenensis, известный как «Человек тысячелетия») возрастом около 5,9 миллиона лет, в Кении, ардипитек кадабба (Ardipithecus kadabba), в Эфиопии, живший от 5,3 до 5,8 миллиона лет назад, и ардипитек рамидус (Ardipithecus ramidus), найденный и в Кении, и в Эфиопии: его возраст составляет около 4,4 миллиона лет. Относить ли эти ископаемые останки к ветви человека – все еще спорный вопрос, так как их физические характеристики (морфология зубов, способ прикрепления спинного мозга или строение стоп) не выявляет их очевидной связи с гомининами.

Большинство ископаемых останков гоминин не старше 4,2 миллиона лет, которые жили до появления рода Homo, относятся к роду австралопитеков. Самым древним из известных видов этого рода является австралопитек анамский (Australopithecus anamensis), обнаруженный на озере Туркана и в других местах от Кении до Эфиопии: его возраст оценивается от 3,9 до 4,2 миллиона лет. Тем не менее, он не так известен, как еще один вид австралопитеков – афарский австралопитек (Australopithecus afarensis), бо́льшая часть останков которого (включая останки знаменитой Люси, жившей 3,2 миллиона лет назад и имевшей рост 1 метр 10 сантиметров) найдены в Восточной Африке и датируются возрастом около 3,9 и 2,9 миллиона лет. Были открыты и другие виды австралопитеков: африканский австралопитек (Australopithecus africanus, возраст от 2 до 2,9 миллиона лет), австралопитек гархи (Australopithecus garhi, возраст 2,5 миллиона лет), австралопитек седиба (Australopithecus sediba, возраст 1,9 миллиона лет). Все эти виды жили в Африке, к югу от Сахары. Филогенетические связи между различными видами австралопитеков остаются для нас неясными, но у них есть общие черты: небольшой объем мозга, скорее сближающий их с человекообразными обезьянами; их зубы близки по строению к зубам представителей рода Homo; передвигаются они в основном на двух ногах. Еще один род гомининов – парантроп – также жил в Африке от 2,7 до 1 миллиона лет назад. Он включает в себя три вида: эфиопский парантроп (Paranthropus aethiopicus), парантроп Бойса (Paranthropus boisei) и массивный парантроп (Paranthropus robustus). Несмотря на то что парантропы были, как и австралопитеки, современниками первых древних людей, они, по общепринятому мнению, образуют самостоятельную ветвь, независимую от рода Homo, который, вероятнее всего, произошел от одного из видов австралопитеков.

Человек: история длиной в два миллиона лет

Первым видом рода Homo является человек умелый (Homo habilis), который жил в Восточной Африке от 2,3 до 1,5 миллиона лет назад. Впервые его описали в 1964 году: характерными чертами человека умелого были более развитый мозг и способность изготавливать каменные орудия (поэтому его и назвали «умелым») – эти особенности и позволили отнести его к роду Homo. Тем не менее, отдельные морфологические характеристики человека умелого – такие, как рост, форма тела и мелкие зубы, – вызывали сомнения относительно его истинной принадлежности к роду Homo, так что некоторые антропологи в своей классификации помещают его в род австралопитеков. К тому же человек умелый жил в одно и то же время со многими видами австралопитеков и парантропов. Позднее – и опять-таки в Африке – нашли еще один вид рода Homo – человека работающего (Homo ergaster), жившего от 1,9 до 1 миллиона лет назад: благодаря его сходству с человеком прямоходящим (Homo erectus) его иногда называют африканским Homo erectus. Человек работающий использовал более совершенные каменные орудия, чем его предшественники, в том числе два таких знаковых орудия, как рубило и топор.

С появлением человека прямоходящего, или человека выпрямленного (Homo erectus), Африка теряет свою монополию в качестве места проживания представителей ветви человека. H. erectus – это первый вид рода Homo, найденный за пределами Африки. Главным образом он заселил обширные пространства Юго-Восточной Азии и Дальнего Востока, расселяясь от современного Китая до индонезийского острова Ява на протяжении долгого периода, от 1,8 миллиона до 100000 лет назад. Самым известным представителем эректуса является синантроп, или человек прямоходящий пекинский (Homo erectus pekinensis), живший 750000–700000 лет назад. В качестве его основных физических характеристик можно назвать мозг, по объему приближающийся к мозгу сапиенса, уплощенный череп, слабо выраженный рельеф носа и подбородка и характерный выступ на затылке – «шиньонообразный затылок». Недавнее исследование, опубликованное в 2020 году, показало, что последние эректусы вымерли всего 110000 лет назад на острове Ява(!), и это позволяет предположить, что они вполне могли встречаться с денисовцами.

Были найдены и другие виды рода Homo, существовавшие в различные периоды в самых разных регионах мира до появления первых сапиенсов. Особенно отметим человека гейдельбергского (Homo heidelbergensis), жившего в Африке и Европе от 600 000 до 300 000 лет назад, человека предшествующего (Homo antecessor), обнаруженного на севере Испании, где он жил в период от 1,25 миллиона до 800 000 лет назад, и человека флоресского (Homo floresiensis), известного также под прозвищем «хоббит» из-за его маленького роста (всего около 1 метра). Он был найден на индонезийском острове Флорес и жил от 60 000 до 100 000 лет назад. Назовем также уже упоминавшихся нами неандертальцев (Homo neanderthalensis) и денисовцев (Homo denisovensis), которые населяли территорию Евразии еще 40 000 лет назад, и, кроме того, найденного в Китае неподалеку от Харбина Homo longi (его еще называют «человек-дракон»): недавно был определен его возраст – 148 000 лет; возможно, он относится к ветви денисовцев, как считает палеоантрополог и профессор Коллеж де Франс Жан-Жак Юблен.