Как палеогенетика помирила полицентристов с моноцентристами

Успехи палеогенетики позволили решить один из самых спорных вопросов в палеоантропологии. Моноцентристы и полицентристы. Спор продолжается много десятилетий. Крайние варианты конкурирующих точек зрения показаны на этом слайде. Конца спору не было видно, потому что только на основе данных археологии и антропологии окончательно решить этот вопрос было невозможно.

Из-за результатов по мтДНК и У-хромосоме, о котиорых мы уже говорили, в течение почти двух десятилетий (с конца 1980-х до второй половины 2000-х) явный перевес был на стороне моноцентристов. Правда, не все генетики это поддерживали. На самом деле когда пытались восстановить картину не по мтДНК, а по ядерным генам, результаты часто получались другие, указывающие на гибридизацию вышедших из Африки сапиенсов с местными евразийскими популяциями.

Например, американский генетик Алан Темплтон еще в 2005 проанализировал изменчивость и географическое распределение нескольких ядерных генов и пришел к картине, которая показана на этом слайде (...).

Еще один пример: изучение полиморфизма людей по гену Microcephalin, который влияет на рост мозга, показало, что самая распространенная группа близкородственных аллелей гена microcephalin появилась в человеческой популяции всего 37 000 лет назад и очень быстро распространилась — очевидно, под действием отбора. По-видимому, эта группа аллелей, которую обозначают буквой D, давала какое-то преимущество своим носителям. Эти D-аллели происходят от одного «предкового» гена, который появился в человеческой популяции 37 000 лет назад. При этом между D-аллелями и всеми остальными аллелями обнаружились глубокие различия. Общий предок всех носителей не-D-аллелей жил около миллиона лет назад, а общий предок носителей D- и не-D-аллелей — около 1,7 млн лет назад.

Авторы пришли к выводу, что должны были существовать две изолированные популяции людей. В одной из них (не у сапиенсов) закрепились D-аллели, в другой (у сапиенсов) — не-D-аллели. 37 000 лет назад сапиенсы получили полезный аллель D в результате эпизодического скрещивания с какими-то другими людьми.

Нужно иметь в виду, что вышедшие из Африки сапиенсы были чужаками в Евразии, заселенной древними представителями человеческого рода. И эти коренные жители Евразии наверняка были в чем-то лучше приспособлены к местным условиям. И сапиенсы, если они все-таки скрещивались с аборигенами, вполне могли позаимствовать у них какие-то полезные гены.

Но все эти свидетельства как-то затмевались результатами анализа мтДНК. И господствующей точкой зрения оставался строгий моноцентризм.

Но вот начиная с конца 1990-х годов к спору подключилась новая удивительная научная дисциплина, сама возможность которой многим еще недавно казалась нереальной. Начались работы по изучению ДНК древних людей.

Здесь показаны основные вехи развития палеогенетики неандертальцев. В 1997 году был отсеквенирован первый небольшой фрагмент неандертальской мтДНК. Позже стали секвенировать и полные мт-геномы. Поначалу эти данные лишь укрепили позиции моноцентристов, потому что мтДНК у всех неандертальцев оказалась сильно отличающейся от нашей. Это был новый весомый аргумент в пользу отсутствия гибридизации сапиенсов с неандертальцами.

Все понимали, что хорошо бы получить ядерный геном, но на тот момент это было не реально. Ситуация изменилась после того, как были прочтены геномы современного человека и шимпанзе и были отработаны новые, гораздо более эффективные методики выделения и секвенирования ДНК.

Сванте Пяабо из Института эволюционной антропологии в Лейпциге после долгих поисков по различным музеям нашел в Загребе (Хорватия) неандертальские кости, в которых сохранилась древняя ДНК и которые почти не были загрязнены ДНК современного человека. Кости принадлежали неандертальцу – как тогда думали, мужчине, проживавшему на территории нынешней Хорватии 38 тысяч лет назад.

Часть материала Пяабо передал группе американских коллег. Американские и немецкие исследователи воспользовались разными методами и в 2006 году одновременно опубликовали свои первые результаты в журналах Nature и Science (Green et al., 2006; Noonan et al., 2006). Главный вывод обеих статей состоял в том, что прочтение полного генома неандертальца является выполнимой задачей. Это был величайший прорыв, ведь еще в конце 1990-х годов мало кто из экспертов верил, что у палеогенетики есть будущее.

Перед исследователями встало множество технических проблем, главные из которых – это бактериальные и человеческие загрязнения, а также посмертные мутации. В ископаемых молекулах ДНК со временем Г (гуанин) может превратиться в А (аденин), а Ц (цитозин) — в урацил, который в ходе секвенирования будет прочтен как Т (тимин). И поначалу прочтенные неандертальские последовательности были очень «грязными».

Технические трудности задержали выполнение проекта, но все-таки не смогли его остановить. Вместо запланированных двух лет на «черновое» прочтение неандертальского генома ушло почти четыре года,

В 2009 году Пяабо сообщил, что геном неандертальца в общих чертах прочтен. Проект обошелся всего в 6,4 млн долларов — еще несколько лет назад такая стоимость показалась бы фантастически низкой. Но официальной публикации полученных результатов пришлось ждать еще около года: нужно было завершить компьютерную обработку данных. По ходу дела выяснилось, что кости, из которых взяли ДНК, принадлежат не одному мужчине, как считалось, а двум женщинам.

Речь идет пока только о «черновом» прочтении. В полученной последовательности много пробелов и ошибок. Чтобы полностью исключить возможность ошибок, возникающих из-за посмертных изменений ДНК, каждый участок генома следовало бы прочесть несколько раз. Однако пока удалось прочесть всего 4 млрд пар нуклеотидов, что лишь ненамного превышает размер полного генома неандертальца и современного человека. Некоторые участки прочтены по нескольку раз, зато другие пока не прочтены вовсе. Более или менее качественную последовательность удалось пока получить примерно для 60% генома. Однако исследователи не собираются останавливаться на достигнутом. В течение ближайших лет они намерены получить полную геномную последовательность неандертальца, сравнимую по качеству с прочтенным геномом шимпанзе.

В 2009 году Пяабо все еще утверждал, что никаких признаков гибридизации сапиенсов с неандертальцами обнаружить не удается.

Долгожданная статья с официальными результатами анализа полного неандертальского генома появилась лишь в мае 2010 года. Эти результаты стали неожиданными для самих исследователей. Несмотря на собственную предвзятость, генетики доказали, что древние сапиенсы всё-таки скрещивались с неандертальцами.

Геном неандертальцев и современных людей отличается на 0,16%. Удалось выловить некоторые генетические особенности, которые, возможно, определяют нашу сапиентную «уникальность» — в первую очередь это те детали генома, которые у неандертальца и шимпанзе одинаковы, а у нас отличаются.

На слайде перечислены некоторые гены, которые находились под действием положительного отбора в сапиентной линии после ее отделения от предков неандертальцев.

Функции генов, изменившихся в сапиентной линии, связаны с как раз с такими вещами, которые, наверное, и отличают нас от неандертальцев: внешний вид (кожа, волосы, пигментация), энергетический обмен (адаптация к разным климатическим условиям), работа мозга.

Самые замечательные результаты были получены при сравнении генома неандертальца с полными геномами пяти современных людей — француза, китайца, жителя Новой Гвинеи и двух африканцев из Южной и Западной Африки. Сенсация состоит в том, что геном неандертальца оказался больше похож на геномы европейцев, азиатов и папуасов, чем на геномы африканцев. Геном неандертальца сравнивали с парами геномов современных обитателей разных частей света. Авторы выбирали для сравнения только те нуклеотидные позиции, которые в одном из сравниваемых современных геномов находились в «примитивном» состоянии (как у шимпанзе), а во втором были изменены, т.е. находились в «продвинутом» состоянии. Оценивалось число продвинутых аллелей, общих для неандертальца и одного из двух современных людей. Оказалось, что у неандертальцев существенно больше общих продвинутых аллелей с европейцем, китайцем и папуасом, чем с двумя африканцами. Это говорит о гибридизации с неандертальцами, которая затронула евразийские популяции сапиенсов, но не коснулась африканцев. Причем все евразийские популяции несут примерно одинаковый процент неандертальских генов: около 2,5%.

Предположительный сценарий мог быть следующим. Первая встреча неандертальцев с сапиенсами могла произойти около 120 – 80 тысяч лет назад в Передней Азии. Там есть соответствующие археологические находки.

Когда сапиенсы стали расселяться с Ближнего Востока, они уже несли в себе неандертальские гены. Впоследствии они еще не раз встречались с неандертальцами, но, по-видимому, больше не скрещивались с ними. Например, если бы сапиенсы скрещивались с европейскими неандертальцами, то в геномах современных европейцев было бы больше неандертальских примесей, чем в геномах китайцев или папуасов. Но этого не наблюдается: у жителей разных районов Евразии процент неандертальских генов примерно одинаков. Это указывает на единичный и недолгий период гибридизации, имевший место после выхода сапиенсов из Африки, но до начала их широкого расселения по Евразии.

Так что теперь нельзя утверждать без некоторых оговорок, что неандертальцы полностью вымерли. Кроме того, теперь мы знаем, что чистокровные сапиенсы – это только население Африки к югу от Сахары. Все прочие – слегка метисы.

Также в 2010 году палеогенетика позволила сделать еще одно открытие. В Денисовой пещере на Алтае нашли фалангу человеческого мизинца (...рассказать о Денисовой пещере...)

Орудия из 11-го слоя. (... смешение; возможность перемешивания слоев)

Из фаланги мизинца возрастом от 30 до 50 тысяч лет, найденной в Денисовой пещере на Алтае, удалось выделить ДНК и прочесть сначала митохондриальный, а потом и ядерный геном. Результат оказался сенсационным.

Окончательная реконструкция. Оказывается, кроме сапиенсов и неандертальцев существовала еще одна человеческая популяция, которую назвали «Денисовцами». Денисовцы чуть ближе к неандертальцам, чем к нам. На слайде показана реконструкция истории этих трех популяций.

Предки сапиенсов отделились от предков неандертальцев и денисовцев в момент времени tv (от 270 и 440 тысяч лет назад). Затем денисовцы отделились от неандертальцев (tD). Еще позже часть сапиенсов вышла из Африки в Юго-Западную Азию (tAfr). Здесь они скрещивались с неандертальцами (поток генов от неандертальцев к предкам современных евразийцев, f1).

Значительно позже какие-то популяции сапиенсов скрещивались с денисовцами (поток генов f2). Эти популяции стали предками современных меланезийцев, то есть жителей Новой Гвинеи и островов к востоку от нее, и австралийцев. Эта гибридизация не затронула остальные популяции сапиенсов. Примесь денисовских генов обнаружена только у меланезийцев и австралийцев.

Геномы жителей Евразии содержат 2,5±0,6% неандертальских генов, а геномы меланезийцев и австралийцев вдобавок к неандертальским имеют еще 4,8±0,5% денисовских генов.

Таким образом, достижения палеогенетики неожиданно позволили разрешить конфликт между моноцентристами и полицентристами. Подтверждается некий промежуточный, компромиссный вариант – модель, которую называют Leaky replacement, «замещение с протечкой». Африканские сапиенсы действительно пришли и всех вытеснили, но не полностью, и все-таки небольшая примесь генов древних евразийских популяций просочилась в генофонд внеафриканского человечества.