Таинственный геном человека

15. Наши более далекие предки

Наши родственные связи друг с другом куда ближе, чем можно представить, что легко проверяется небольшим мысленным экспериментом. Предположим, каждый век насчитывает по четыре поколения. Мы можем нарисовать своеобразное дерево, каждая ветвь которого будет обозначать нашего предка и раздваиваться по мере углубления в прошлое. Две бабушки и два дедушки происходят от четырех прабабушек и четырех прадедов, восьми прапрабабушек и восьми прапрадедушек и т. д. Продвинувшись на два века, то есть на восемь поколений назад, мы обнаружим, что происходим от 256 человек, живших в одном поколении. Для четырех веков это число будет составлять 65 536, а для восьми — увеличится до 4 294 967,296, что больше, чем все население Земли в то время, а также чем все жившее до того момента человечество. Не нужно углубляться в прошлое дальше, чтобы понять, что с этим способом рассуждений что-то не так. Раз у нас не могло быть столько предков, значит, необходимо другое объяснение.

Ответ прост: многие из наших предков — общие. На генетическом уровне это можно определить, строя графики гаплотипов. Если же использовать вместо гаплотипов гаплогруппы, наши деревья будут иметь еще больший географический охват и уходить глубже в прошлое. Чем ближе родственные связи между людьми, тем больше у них будет общих гаплотипов и гаплогрупп. Каждая уникальная гаплогруппа является маркером, генетическим сигналом существования одного-единственного предка в определенном месте, унаследовавшего соответствующий снип. Благодаря маркерам гаплогрупп можно идентифицировать популяционные группы и получить картину их последующих движений и миграций.

Луиджи Кавалли-Сфорца, бывший профессором Стэнфордского университета, посвятил всю свою жизнь сбору генетической информации такого типа о различных человеческих популяциях. В своей книге Genes, Peoples and Languages Кавалли-Сфорца пишет, что различных рас не существует. Все отличия, которые мы видим между жителями Африки, Азии, Европы и Океании, представляют собой лишь внешние эволюционные адаптации к местным условиям, таким как климат. Генетические исследования различных народов по всему миру подтверждают, что все мы являемся представителями одного вида и сходства в нас превосходят различия. Археологические исследования окаменелых костей, общих инструментов и паттернов проживания и культуры указывают на то, что наши общие предки вышли из Африки, скорее всего, из ее восточной части к югу от Сахары. Традиционные археологические дисциплины сегодня подкрепляются и расширяются генетическими исследованиями, которые позволяют нам увидеть историю человечества куда глубже, чем когда-либо ранее.

Мы уже говорили о том, как отдельные кластеры мутаций, называемые снипами и возникающие в митохондриальных и Y-хромосомах, позволяют генетикам отслеживать генетические линии гаплотипов и гаплогрупп и таким образом составлять карты миграций человеческих популяций в доисторические времена. Точно такие же признаки гаплотипов и гаплогрупп можно обнаружить в 22 парах человеческих хромосом, не связанных с половыми различиями, — так называемых аутосомах. Так появляется третий путь наблюдения за линиями наследования и движением популяций. Отслеживая распространение специфических эндогенных ретровирусов, можно выявить и африканское происхождение Homo sapiens, и последующую глобальную миграцию «раннего современного человека». Геномные вирусы также играют роль в таких исследованиях. Например, благодаря информации о распространенности двух эндогенных ретровирусов человека, HERV-K113 и HERV-K115, мы больше знаем о собственной истории.

В отличие от большинства других вирусов HERV эти два, судя по всему, появились в нашем геноме после первой миграции современного человека из Африки. Значительное количество вирусов HERV встречается у всех людей, но HERV-K113 и HERV-K115 распространены в геномах выходцев из Восточной Африки, Аравии и Азии, в то время как у европейцев их обнаруживают редко или не находят вообще. Некоторые генетики полагают, что это может означать наличие более чем одной миграции современных людей из Африки с постепенным расширением территории проживания или возвратом на прежние земли в связи с существенными изменениями климата и окружающей среды.

Как мы знаем, митохондриальная генетика предлагает ряд мутационных маркеров, которые позволяют отслеживать некоторые из этих сложных популяционных передвижений. Если бы влияния эволюционных изменений не существовало, каждая дочь наследовала бы от матери один и тот же митохондриальный геном. Так повторялось бы снова и снова в течение всей человеческой истории. Если бы это было так, мой митохондриальный геном, унаследованный от матери, был бы идентичен митохондриальному геному нашего общего предка, жившего в Африке 200 тысяч лет назад. Но нам известно, что митохондриальный геном изменяется под влиянием ошибок копирования, или мутаций, во время деления митохондрий. Иногда такие ошибки копирования повреждают функции митохондриального генома, что приводит к болезням. Но такие патологические мутации нельзя рассматривать как маркеры наследования, потому что заболевание снижает репродуктивную пригодность особи. Только те мутации, которые на нее не влияют, включаются в геном как маркеры наследования. Они становятся частью гаплотипов или гаплогруппы, которые не влияют на выживаемость, а значит, игнорируются естественным отбором и могут существовать без изменений в течение долгих периодов времени.

Такие снипы возникают в предсказуемые временные интервалы, что позволяет генетикам сравнивать количество мутаций в определенном участке генома с молекулярными часами. Мы знаем, что ключевые кластеры мутаций в некоторых регионах митохондриального генома (гаплотипы и гаплогруппы) могут быть привязаны к конкретному лицу, месту и времени, от которых они распространяются по популяции. Таким образом можно проследить ее движение и миграцию во времени и в пространстве. В то же время различия между гаплогруппами являются маркерами разных исторических популяций. Если же мы обнаруживаем гаплогруппу, встречающуюся у множества рассеянных в пространстве разных популяций (что случается редко), то можем считать ее важным показателем наличия у всех них общего предка.

Что, если ученые найдут митохондриальную гаплогруппу, которая будет встречаться у всех людей на Земле? Она будет указывать на одну-единственную женщину, являющуюся матерью всего человечества, на генетическую Еву.

Именно об этом задумалась группа генетиков из Университета Калифорнии в Беркли под руководством Аллана Уилсона в 1980-е годы. Вместе со своими студентами Марком Стоункингом и Ребеккой Л. Канн Уилсон исследовал митохондриальную ДНК 147 американцев, представляющих разные расы и этнические группы. Они искали общие гаплогруппы, которые позволили бы им составить генеалогическое древо для всего человечества. За десять лет до этого к группе Уилсона присоединился Уэсли Майкл Браун, разработавший новую технологию скрининга митохондриальной ДНК. Пара ученых сумела определить, что мутации в митохондриальной ДНК проходят на 5–10 % быстрее, чем в ядерной. Именно Уилсону пришла в голову идея молекулярных часов, основанная на предсказуемой частоте появления мутаций в человеческом геноме с течением времени. Уилсон и Браун были убеждены, что обладают всеми необходимыми инструментами для изучения митохондриальных мутаций как единицы измерения эволюционных взаимоотношений во времени.

В работе Уилсон и его коллеги писали о том, что все население Земли делится на две обширные митохондриальные гаплогруппы. Одна характерна только для Африки, вторая включает в себя некоторые африканские группы и все остальное человечество. На основании этого команда Уилсона сделала некоторые выводы. Для начала эти данные подтверждали теорию о выходе из Африки, предложенную палеоантропологами, и противоречили альтернативной мультирегиональной теории, которая утверждает, что современные люди в течение долгого времени развивались на разных континентах. Кроме того, эти данные служили подтверждением недавнего общего происхождения человечества, то есть того факта, что все люди на Земле вышли из единой, связанной родственными узами популяции, которая появилась в Африке в определенный момент в последние 200 тысяч лет. Но на этом экстраполяция не закончилась. Африканская гаплогруппа была наиболее генетически разнообразной, что впоследствии подтвердилось множеством исследований. Между двумя африканскими поселениями, разделенными крупной рекой, может быть больше генетических различий (выраженных в снипах), чем между разными народами Евразии. Если вспомнить, что снипы возникают в результате мутаций в определенные временные промежутки, становится понятно, что человечество проживает в Африке куда дольше, чем где бы то ни было на Земле.

Но Уилсон и его коллеги сделали еще один удивительный вывод. Они заявили, что нашли генетические свидетельства существования «последнего общего предка современных людей» женского пола — женщины из Африки, которая первой приобрела мутацию митохондриальной гаплогруппы, характерную для всех сегодняшних жителей Земли. Команда Уилсона вычислила, что эта женщина, которую СМИ окрестили «митохондриальной Евой», внесла свой вклад в общую гаплогруппу всех своих потомков примерно 140–200 тысяч лет назад. История митохондриальной Евы оказалась на первых полосах газет и одновременно поразила и ввела в недоумение общественность. Разумеется, многие люди, не интересующиеся научными деталями, в том числе представители различных религиозных групп, решили, что митохондриальная Ева была единственной матерью всего человечества.

В данном случае нам следует проявлять разумную осторожность (по причинам, которые станут понятны немного позже). А прямо сейчас давайте нанесем нашей общей праматери визит в ее сообществе охотников и собирателей и посмотрим, как именно она оказалась связанной со всем остальным миром.

Судя по всему, она мало чем отличалась от остальных женщин в своей небольшой, объединенный родственными связями группе. Некоторые ученые считают, что эта группа походила на современную народность сан, проживающую в Южной Африке и занимающуюся охотой и собирательством. Мужчины сан ловят рыбу гарпуном или охотятся на наземных животных, а женщины выкапывают съедобные коренья или собирают моллюсков на побережье. Мы знаем, что у митохондриальной Евы была способность к языкам, а значит, и весь социальный потенциал, который с ней связан. Нам известно, что она могла украшать свою кожу или одежду узорами, нанесенными охрой. Мы даже можем предположить, как именно выглядела эта одежда. Вероятно, это была юбка из растительных волокон или звериной шкуры, идущая от талии вниз. Исследователи из Университета Флориды обнаружили свидетельства того, что одежда могла появиться у человека еще 170 тысяч лет назад. Скорее всего, она также украшала шею, запястья или одежду бусинами из небольших морских раковин одинакового размера, ярко окрашенных природными пигментами. Наконец, мы можем предположить, что старшие женщины занимались обучением детей и девушек и рассказывали им, как искать пищу в лесу и на берегу и как ухаживать за младшими.

Митохондриальная Ева не являлась единственной праматерью всего человечества. Это была одна из женщин, которые жили и были репродуктивно активны в то время, когда она приобрела интересующую нас гаплогруппу. Все остальные женщины также могли внести свой вклад в генофонд, но лишь ее митохондриальный геном дошел до современного человека. Давайте разберемся, как это произошло.

Предположим, что в нашей группе охотников и собирателей насчитывается десять репродуктивно активных женщин. Только у одной из них, Евы, в митохондриальном геноме есть интересующая нас мутация или небольшой кластер мутаций. Допустим, восемь женщин добились репродуктивного успеха и родили по два или три ребенка, которые дожили до взрослого возраста. Предположим, что у Евы детей трое — мальчик и две девочки. Все трое унаследуют ее митохондриальный геном, но сын не передаст его дальше, потому что мужчины не участвуют в митохондриальном наследовании. По случайности у других женщин в группе может не оказаться дочерей, так что и они не внесут своего вклада в митохондриальное наследование. В последующих поколениях случайности продолжат распределяться подобным образом. В течение 140–200 тысяч лет, поколение за поколением, у потомков Евы должны рождаться девочки, чтобы ее материнская линия не прерывалась до настоящего времени.

Итак, теперь мы понимаем, что митохондриальная Ева вытащила счастливый билетик исключительно волей случая. Это не означает, что другие матери (да и отцы, если уж на то пошло) не повлияли на нас генетически. Используя простейшую математику, мы уже выяснили, что имеем множество общих предков, которые внесли свой вклад в другие аспекты нашего генома.

Митохондриальная Ева почти наверняка жила в Африке, хотя где именно, точно неизвестно (вероятно, где-то на территории современной Танзании). Митохондриальная гаплогруппа Евы представляет собой макрогаплогруппу L, возникшую примерно 120–200 тысяч лет назад. Ученые полагают, что сначала представители ее материнской линии распространились по всей остальной Африке, а изначальная гаплогруппа L развилась в подгруппы L0–L6. Принято считать, что популяции наших предков двигались из Восточной Африки на Ближний Восток, а оттуда — на запад, в Европу, и на северо— и юго-восток, в Азию, Океанию и обе Америки. Но на самом деле генетические свидетельства указывают на сложное движение с то набегающими, то возвращающимися волнами. Наконец, около 60 тысяч лет назад митохондриальная гаплогруппа L3 впервые разделилась на M и N в Восточной Африке, затем попала на Аравийский полуостров, а оттуда распространилась (вероятно, в форме прибрежной миграции) в Азию, Евразию, Европу и Новый Свет. Соответственно, все митоходриальные линии наследования за пределами Африки происходят из групп M и N.

Базовые линии наследования M и N сегодня прослеживаются вдоль южного побережья Азии. Археологические и генетические свидетельства показывают, что миграция продолжалась в течение тысяч лет и в подгруппах M и N по мере ее продвижения формировались более мелкие подгруппы, а линии наследования разделялись на ветви. Например, если изучить современное население Земли, мы узнаем, что носители митохондриальных гаплогрупп H, I, J, N1b, T, U, V и W имеют европейское происхождение, A, B, C и D происходят из Азии и Нового Света, а G, Y и Z в основном ассоциируются с Западной Азией.

Для ученого естественно сомневаться, поэтому я не могу не задаться вопросом: не слишком ли мы упрощаем ситуацию, когда говорим, что последовательность митохондриальных гаплогрупп можно экстраполировать на движение человеческих популяций и современное разнообразие человечества?

Двое генетиков, Бригитта Пакендорф и Марк Стоункинг (последний начинал работу еще в группе Уилсона в Беркли), предупреждают нас, что использование митохондриальных гаплогрупп для описания крупных миграций имеет ограничения. Они не отрицают полезность этого инструмента, но ратуют за расширение исследований до анализа всего митохондриального генома и далее. Логичным следующим шагом было бы включение в анализ отцовской линии наследования. Итак, где же во всех этих исторических исследованиях генетические свидетельства существования Адама?

Как митохондриальное наследование передается только по материнской генетической линии, так и наследование через ядерную Y-хромосому передается только по отцовской. Считается, что у Y-хромосомы нет партнера для рекомбинирования при формировании сперматозоидов, поэтому хромосомные элементы обоих родителей не смешиваются при появлении зародышевых клеток. На самом деле это не совсем так. Примерно 5 % Y-хромосомы может рекомбинироваться с X-хромосомой при формировании первичных половых клеток, но генетики предпочитают фокусироваться на 95 %, которые передаются от отцов к сыновьям без изменений. Их называют «специфическим мужским участком» Y-хромосомы, или MSRY.

Бр-р-р, аббревиатуры!

Возможно, вы, как и я, терпеть их не можете. К сожалению, нам придется иметь дело еще с двумя, которыми генетики любят бросаться во время жарких споров о материнской и отцовской линиях наследования. Эти аббревиатуры — LCA и MRCA — означают «последний общий предок» и «ближайший общий предок».

Бр-р-р два раза!

В отличие от митохондриального генома, состоящего примерно из 16 тысяч пар оснований, в Y-хромосоме их насчитывается 60 миллионов. Это означает, что исследование мутаций в Y-хромосоме, снипов, гаплотипов и гаплогрупп гораздо сложнее, чем в митохондриальном геноме. В утешение можно сказать, что эти два типа исследований ориентируются на два разных вида генома с различным эволюционным и генетическим происхождением и соответственно разной частотой мутаций и свойствами. Сочетание этих двух исследований значительно повышает точность археогенетических расчетов.

Первоначальные исследования гаплогрупп в Y-хромосоме также указывают на Африку как на место развития современного человечества. Однако в данном случае в качестве места рождения самого раннего общего предка мужского пола, «Адама», или Y-MRCA, указывается либо Западная, либо Восточная Африка.

Базовая гаплогруппа — гаплогруппа А — чаще встречается у мужчин из Африки, чем из других регионов мира. Время появления Адама на свет не определено точно: называются цифры в 188, 270, 306, 142 и 338 тысяч лет назад. Несоответствия могут быть вызваны различиями в расчете значений так называемых молекулярных часов или объясняться трудностями в анализе очень длинных последовательностей ДНК. Недавние исследования группы Г. Дэвида Позника с участием 69 мужчин из девяти разных популяций и команды Паоло Франкалаччи с привлечением 1204 мужчин с Сардинии указали на более точный промежуток времени, в течение которого мог появиться наш общий предок мужского пола Y-MRCA, — от 120 до 300 тысяч лет назад.

Y-хромосомный Адам, очевидно, проживал в африканском райском саду не одновременно с митохондриальной Евой. Тем не менее благодаря этим исследованиям теория о происхождении современного человека из Африки набрала обороты. Но когда ученые обратились к палеонтологической летописи за тот же ключевой период (100–300 тысяч лет назад), результаты оказались не такими впечатляющими. В статье в журнале Nature за 2003 год Крис Стрингер из Музея естественной истории в Лондоне обратил внимание на отсутствие палеоантропологической информации за этот срок. При этом он также выделял два отчета, опубликованные в том же выпуске, в которых описывались три окаменелых черепа, найденные поблизости от деревни Херто в Эфиопии. По мнению Стрингера, они представляют собой одну из самых важных на сегодня палеонтологических находок останков раннего Homo sapiens.

Возраст этих черепов, два из которых принадлежали взрослым, а один — подростку, около 160 тысяч лет, что точно соответствовало и их генетической датировке. Рядом с ними были найдены каменные орудия труда, принадлежащие так называемой ашельской культуре (середина каменного века). Палеонтологи также обнаружили свидетельства того, что головы взрослых и подростка были отделены от тел после смерти. Нижние челюсти были специально отсоединены, а с черепов сняты кожа и плоть. Это могло указывать на каннибализм, свидетельства которого иногда находят в окаменелых человеческих останках. Однако на черепах присутствовали и дополнительные «декоративные» отметки, нанесенные очень острым и тонким лезвием, что натолкнуло ученых на альтернативное объяснение. Такие пометки вместе с отполированными круглыми частями черепов указывают на существование формальных похоронных практик, а также культурное и ритуалистическое отношение. Узоры отметок напоминали рисунок, который встречается на черепах из Новой Гвинеи. Что касается именно этих поздних черепов, было доподлинно известно, что их использовали в ритуалах.

Палеоантропологические свидетельства в сочетании со свидетельствами историческими, хранящимися в человеческой ДНК, являются убедительным доказательством происхождения современного человека из Африки. Тем не менее остается еще множество загадок. Когда наши предки вышли из Африки и заселили остальной мир? Сделали ли они это в рамках лишь одной миграции? Или, учитывая миграционное поведение человечества в более недавние времена, а также нестабильность климата из-за наступления и отступления ледников и природных катаклизмов вроде вулканических извержений, лучше предположить, что люди двигались то вперед, то назад, словно небольшие набегающие волны между двумя валами миграции?

Упомянутое выше исследование Уилсона, а также многие последующие исследования генетического разнообразия человечества указывают на еще одну загадку. Если сравнить генетическое разнообразие человека и его ближайшего родственника шимпанзе, то человеческий геном окажется существенно менее разнообразным. Это особенно заметно при сравнении важной генетической области, называемой главным комплексом гистосовместимости (МНС). Как уже упоминалось ранее, он определяет иммунологические и биологические характеристики и играет важную роль в нашей иммунологической реакции на инфекционные микроорганизмы, такие как вирусы и бактерии. Такое отсутствие разнообразия — важное открытие, указывающее на то, что в какой-то момент своей эволюционной истории (некоторые генетики полагают, что этот момент имел место незадолго до формирования современного человека как вида или, возможно, его экспансии из Африки) человеческая популяция находилась на грани вымирания. Возникло генетическое «бутылочное горлышко», которое сократило основную популяцию до менее чем 10 тысяч индивидов (некоторые полагают, что даже до тысячи). Какая катастрофа могла к этому привести?

Некоторые полагают, что это могло быть извержение вулкана Маунт Тоба на Суматре около 70 тысяч лет назад. Но если этот далекий катаклизм сумел почти уничтожить популяции от Азии до Африки, то людей, живших ближе к эпицентру, он должен был попросту стереть с лица земли. Выживание населения Индии, подтверждающееся находками каменных орудий труда в слое над пеплом, ставит эту теорию под сомнение. Кроме того, выдающийся палеоантолог сэр Пол Мелларс из Университета Кембриджа нашел убедительные доказательства того, что современные люди, скорее всего, достигли Азии в ходе миграции по побережью как минимум через 10 тысяч лет после извержения. Это заставляет усомниться в том, что именно извержение Маунт Тоба было интересующей нас катастрофой. Но существует и еще один кандидат на эту роль. Давайте вернемся к эндогенным ретровирусам, которые составляют примерно 9 % человеческой ДНК.

Как вы помните, эндогенные вирусы появились в зародышевых линиях человека и его предков во время ретровирусных эпидемий. Последние из геномных вирусных захватчиков носят название HERV-K. Эта группа впервые оказалась в геноме приматов, являвшихся предками человека, примерно 30 миллионов лет назад. Эволюционный вирусолог Луис П. Вильяреал из Университета Калифорнии в Ирвине полагает, что появление и колонизация генома приматов вирусами HERV-K — важная веха в развитии приматов, а впоследствии и человека. Это событие совпало с «выключением» более ранних захватчиков человеческого генома — вирусов на основе ДНК, так называемых транспозонов. Большая часть HERV-K присутствует (в одинаковом хромосомном распределении) в организме каждого человека. Многие из них выполняют важные голобионтические функции в геноме в целом. После того как мы отделились от шимпанзе, в нашу зародышевую линию проникли как минимум 10 подгрупп HERV-K. Таким образом, они являются типичными именно для человеческого генома. Четыре из них оказались в человеческом геноме в течение последнего миллиона лет. Это вирусы HERV-K106, HERV-K113, HERV-K115 и HERV-K116. На основании молекулярных часов — здесь в таком качестве используются мутации ДНК в регулирующих областях вирусов (эти области называются длинными концевыми повторами), мы можем сделать вывод, что вирус HERV-K115 проник в хромосому 8 около миллиона лет назад, а HERV-K113 — в хромосому 19 примерно 800 тысяч лет назад. HERV-K116, попавший в хромосому 1, и HERV-K106 в хромосоме 3 не имеют мутаций в длинных концевых повторах. Это означает, что их внедрение и соответствующая ему экзогенная ретровирусная эпидемия произошли позднее.

В 2011 году команда ученых под руководством Джа опубликовали результаты исследования, проведенного с участием шести групп американских генетиков и эволюционных биологов, которые совместными усилиями изучили распределение HERV-K106 у 51 американца разного этнического происхождения. Это позволило ученым разделить тестовую популяцию на четыре различные гаплогруппы. На основании данных по гаплогруппам исследователи сделали вывод, что вирус HERV-K106 появился в человеческом геноме примерно 91–154 тысячи лет назад, судя по всему, в результате ретровирусной эпидемии, с которой в то время столкнулась человеческая популяция. В отличие от HERV-K113 и HERV-K115, HERV-K106 присутствовал в геномах всех подопытных, что указывает на его крайнюю заразность. Судя по паттернам двух предыдущих пандемий ретровируса (ВИЧ-1 у человека и эпидемии среди коал в Австралии), экзогенные ретровирусы очень быстро распространяются, инфицируя географически близкие виды. Мы знаем, как они ведут себя в отношении своих новых носителей. Представьте, какой урон мог бы нанести СПИД юной человеческой популяции, не знающей ничего об эпидемиологии или лечении болезней. Для того чтобы эндогенная версия HERV-K106 стала настолько распространенной, экзогенный вирус должен был затронуть всю человеческую популяцию, от которой произошли современные люди. Данные о внедрении вируса в геном примерно соответствуют периоду, рассчитанному на основании калибровки митохондриального генома и Y-хромосом, а также окаменелостей, найденных в Среднем Аваше в Эфиопии. Через какое-то время изучение геномов древних людей, включая тщательное исследование эндогенных вирусных компонентов, может помочь ответить на вопрос, был ли вирус HERV-K106 причиной возникновения «бутылочного горлышка».

Если отбросить все голословные рассуждения, множество веских доказательств указывает на то, что современный человек появился в Африке примерно 150 тысяч лет назад. Но, кроме того, эти факты ставят перед нами новые вопросы. Когда современные люди вышли из Африки и начали заселять остальной мир? Была это одна крупная миграция или их было несколько? Мы знаем, что, прибыв в Европу и Азию, наши предки столкнулись с другими архаичными видами человека. Что произошло при этой встрече?