Таинственный геном человека

17. Родственники человека

Сванте Паабо — эволюционный генетик шведского происхождения, работающий в Институте эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге в Германии, сын биохимика Карла Суне Детлофа Бергстрема, который в 1982 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия, связанные с простагландинами. Паабо основал новую исследовательскую научную дисциплину, известную как палеогенетика. До недавнего времени генетики полагали, что чтение геномов вымерших растений и животных (как, например, в романе «Парк Юрского периода» Майкла Крайтона) практически невозможно, так как ДНК разлагается со временем. Чем старше окаменелые кости, тем сильнее распад ДНК. Считалось, что по этой причине древние окаменелости, датируемые десятками или даже сотнями лет назад, не содержат почти никакой остаточной ДНК и не являются источником полезной генетической информации. Но начиная с 1980-х годов Паабо и его коллеги прокладывают пути в эту неизведанную область.

За время работы они выяснили, что древняя ДНК, пусть и в измененном состоянии, иногда выдерживает натиск времени. При создании своей революционно новой науки Паабо усовершенствовал методы амплификации и извлечения генетической информации из окаменевших костей и прочих древних останков. Это позволило ему изучить геномы давно вымерших животных и растений, а также, что наиболее интересно, видов человека. В интервью на сайте Edge Паабо признается, что в самом начале наивно полагал, будто изучать геномы давно умерших людей будет просто. Изначально он интересовался недавним прошлым, в частности работал с мумифицированными телами древних египтян, предполагая, что исследовать их будет легче, чем останки вымерших гоминид. «Меня привлекало их величие», — замечает он. Паабо настойчиво шел к своей мечте и, как бы сложно это ни было, в конце концов преуспел.

Для того чтобы понять, как ему это удалось, давайте снова сядем в наш волшебный поезд и прокатимся по геномному ландшафту древних окаменелостей. Двумя наилучшими источниками древней человеческой ДНК являются кости и зубы. Это и определит направление движения — мы отправимся в геном, извлеченный из кости или зуба давно умершего человека. Пейзаж за окном вагона не похож на виденный ранее. Перед нами не ровное полотно, уходящее вдаль, а лишь разрозненные фрагменты, которые на расстоянии напоминают последствия взрыва на фабрике спагетти. Подъехав поближе, мы понимаем, что смотрим на мириады осколков распавшегося генома. В ужасе мы глядим на разломанные участки и отдельные куски, которые кажутся нам бессмысленным нагромождением. Вряд ли мы сможем прочитать изначальный код в последовательности шпал. Кажется, генетики были правы, говоря о том, что с геномом древних окаменелостей невозможно работать…

Но это не совсем так. Каждый фрагмент содержит небольшой, но уникальный кусочек ДНК, или, в нашей аналогии, — обломок железнодорожного полотна. Если присмотреться к этим обломкам повнимательнее, можно увидеть, что каждый фрагмент содержит от одной-двух до нескольких сотен шпал. Но разве это важно, если всего человеческий геном насчитывает 6,4 миллиарда таких шпал? И действительно, если бы в окаменевшей кости не было больше ничего, кроме фрагментированных остатков одной копии генома, любая попытка прочитать его была бы обречена на провал. Однако все эти мириады осколков — не кусочки одного генома, а фрагменты его многочисленных копий, остатки миллиардов отдельных клеток, из которых когда-то состояла кость.

Итак, все эти многочисленные копии разбиты на разные фрагменты. Изначально в рамках проекта Human Genome Project геном целенаправленно фрагментировали, чтобы получить более удобные для изучения участки. Точно так же многочисленные обломки из древней окаменелой кости будут содержать участки ДНК, накладывающиеся друг на друга. Вопрос состоит в том, насколько велико должно быть пересечение, чтобы мы могли быть уверены, что оно появилось не случайно. На самом деле расчет довольно прост. Какова вероятность того, что три, четыре, шесть или восемь нуклеотидов окажутся в одинаковой последовательности? Поскольку нуклеотидов всего четыре, то с вероятностью один к четырем выпасть может Г, А, Ц или Т. Для первых двух нуклеотидов в последовательности вероятность составляет 4 × 4, то есть 1/16. С каждым последующим добавлением нуклеотида мы умножаем это выражение еще на 4. К тому моменту, как нуклеотидов в последовательности становится восемь, вероятность ее случайного повторения составляет 1: 65 536. Это почти невозможно. Итак, у нас появилась работающая система.

Первый шаг очевиден. Необходимо секвенировать каждый фрагмент и ввести информацию в компьютер с очень большой памятью. На втором этапе мы займемся поиском совпадающих участков во введенных последовательностях и выявим области пересечения. После этого можно начать соединять фрагменты, используя пересекающиеся области для выявления точек соединения. По сути, мы воспроизводим метод, с помощью которого впервые был секвенирован человеческий геном, но используем меньшие по размеру последовательности, которые необходимо соединить друг с другом.

Создание метода Паабо стало возможным благодаря работам его коллег. Открытие нобелевским лауреатом Кэри Муллисом полимеразной цепной реакции помогло понять, что даже если отдельные фрагменты были представлены в очень небольшом количестве копий, слишком крошечных для того, чтобы быть обнаруженными автоматическим оборудованием для секвенирования, они будут многократно дублироваться и в конечном итоге станут заметными. Сотрудничество с инновационной американской биотехнологической компанией 454 Life Sciences, основанной Джонатаном Ротбергом, дало Паабо доступ к оборудованию для автоматического секвенирования ДНК с высокой пропускной способностью. В 1997 году компанию купила фармацевтическая корпорация Roche. Теперь весь процесс можно было полностью автоматизировать. Машины извлекали древнюю ДНК, увеличивали ее при помощи ПЦР-амплификации и создавали своего рода суп из мелких элементов и кусочков генома, которые можно было внести в базу, а затем соединить друг с другом в местах пересечений.

Разумеется, нужно было преодолеть и другие проблемы, например загрязнение тестовых образцов ДНК людей, животных и бактерий. Для их устранения группа Паабо использовала энзимы. Для того чтобы на образцы не попадала их собственная ДНК, члены группы работали в стерильных помещениях и принимали меры биологической защиты. В процессе секвенирования они выяснили, что один из нуклеотидов ДНК, цитозин, иногда распадается до урацила, который заменяет тимин в РНК. Затем задача усложнилась еще больше: оказалось, что иногда цитозин, эпигенетически помеченный метиловой группой, превращается не в урацил, а в тимин. Первое время это смущало ученых, но затем они поняли, что совершили важное открытие. В 2009 году один из членов команды, Эдриан Бриггз, разработал метод, позволяющий отличать тимин, полученный из метилированного цитозина, от обычного тимина. Теперь ученые могли считать первоначальную эпигенетическую программу генома. Постепенно группа Паабо совершенствовала техники извлечения ДНК и качество чтения полученного материала.

Их методы были взяты на вооружение другими лабораториями и применены к останкам мамонта, пещерного медведя и целаканта, а также окаменелым растениям. Паабо и его команда в это время занимались единственной и наиболее интересной задачей, которую они взяли на себя изначально, — извлечением генома родственника человека, неандертальца. Кажется, пришло время кратко поговорить про эволюционную историю человечества.

Чарльз Дарвин многие десятилетия вел дневник, в котором записывал свои мысли о происхождении новых видов от существующих. На одной из страниц этого дневника он нарисовал структуру, похожую на дерево. Существование такого дерева было впоследствии подтверждено биологическими исследованиями. Кроме того, этот паттерн прекрасно совпадает с линнеевской классификацией, предполагающей разделение всего живого на виды, роды, семьи и т. д. Эти дисциплины биологи называют филогенетикой и таксономией. Люди тоже включены в эту классификацию. Всего 70 тысяч лет назад на Земле обитали пять различных видов человека. Все они прямо или косвенно происходили от единого предка, известного как Homo erectus. Один из этих пяти видов являлся нашим общим предком. Его называют «ранним современным человеком», или, в линнеевской классификации, Homo sapiens. Вместе с сапиенсами и продолжавшими развиваться эректусами на нашей планете жили неандертальцы, или Homo neandarthalensis, заселившие значительную часть территории Евразии, так называемые хоббиты — Homo floresiensis, проживавшие на азиатском острове Флорес, а также загадочные недавно обнаруженные «денисовские люди», или Denisova hominis, населявшие некоторые регионы Азии. Все ветви эволюционного древа человека, развившиеся после нашего отделения от общего предка шимпанзе и людей, называются гомининами. Этот термин не следует путать с понятием «гоминиды», в которое входят не только все гоминины, но также современные и вымершие высшие приматы, включая шимпанзе, горилл и орангутанов.

Давайте начнем изучение эволюционного древа человека с нашего общего с другими гомининами предка Homo erectus, который появился в Африке примерно 2 миллиона лет назад. Команда археологов под руководством Ричарда Лики обнаружила практически целый череп Homo erectus в Кении и почти полный скелет подростка здесь же, на озере Туркана. Это был скелет мальчика, которому, как изначально считалось, в момент смерти было 12–13 лет (судя по росту в 5 футов 3 дюйма и развитию костей). Позднее его возраст был снижен до 8 лет, когда ученые подсчитали линии роста в его зубах. Этот факт заинтересовал антропологов, так как указывал на то, что детство у Homo erectus заканчивалось гораздо раньше, чем у современных детей.

Рост Homo erectus был равен росту современного человека, но сложение он имел более плотное. Эректусы умели сохранять огонь в очаге и создавали каменные орудия, принадлежащие к так называемой ашельской культуре. Среди них были прекрасно сделанные ручные топоры и ножи, для создания которых мастера должны были обладать достаточным воображением и навыками планирования. Такие инструменты позволяли Homo erectus убивать и разделывать животных. Некоторые свидетельства указывают на то, что Homo erectus ухаживали за слабыми и пожилыми сородичами. Череп Homo erectus имеет примитивные черты — тяжелые надбровные дуги, низкий и плоский свод, выступающую вперед нижнюю челюсть и плохо развитый подбородок. Объем мозга Homo erectus почти в два раза превышал объем мозга шимпанзе и составлял около 850 миллилитров (для сравнения, у современного человека он равен 1300 миллилитрам). Homo erectus не только эволюционировали в Африке, но и пытались мигрировать уже на ранних стадиях своей эволюции. Это была самая первая известная попытка гоминин заселить Евразию. Известны находки останков Homo erectus, включая черепа и челюсти, обнаруженные в Дманиси в Грузии. Они датируются периодом примерно 1,8 миллиона лет назад. Другие ископаемые свидетельства подтверждают, что Homo erectus колонизировали Азию около миллиона лет назад, а на Ближний Восток и в Южную Европу пришли 730 тысяч лет назад. В Африке вид продолжал развиваться и увеличивать объем своего мозга в течение долгого времени после того, как из него произошли четыре вида-потомка, включая наш. Существует две основные версии выхода современных людей на эволюционную сцену.

Мультирегиональная теория, главным сторонником которой является Милфорд Х. Уолпофф, утверждает, что развитие Homo erectus в Африке, Европе, Азии, Океании и других регионах привело к возникновению местных вариантов вида, хотя не отрицается и некоторое смешение между региональными группами и, возможно, даже мигрантами из Африки. Теория выхода из Африки предполагает, что все люди, живущие сегодня на Земле, происходят от ранних современных людей, развившихся в Африке примерно 180 тысяч лет назад и мигрировавших (видимо, в несколько этапов) во все остальные регионы мира. До недавнего времени эти эволюционные теории строились только на ископаемой летописи и палеоархеологии. Как мы уже знаем, генетическое отслеживание гаплогрупп подтвердило верность сценария выхода из Африки. Однако это не исключает возможности последующего смешения современного человека с другими региональными видами, развившимися после более ранней миграции из Африки. Вероятно, это добавило эволюции человека некоторые локальные аспекты.

Палеонтологи признавали, что вероятность изучения генома наших древних родственников невысока. Но благодаря потрясающему прорыву Паабо ситуация кардинально изменилась. Появилась новая отрасль генетических исследований, названная палеогенетикой.

В своих интервью Паабо признает, что в работе он вдохновлялся желанием найти ответы на многие вопросы. В первую очередь — возможно ли вообще извлечь ДНК из таких древних окаменелостей? Даже если бы у него получилось выделить полезные для исследования последовательности, например части митохондриальной ДНК, что они могли бы сказать нам об эволюции человека? Что, если бы ему удалось получить достаточно последовательностей ядерной ДНК? Помогло бы это нам узнать, от чего вымерли неандертальцы? Или прояснить другие аспекты эволюции нашего вида, например определить, какая из гипотез нашего происхождения верна?

Множество интересных и неоднозначных вопросов касалось неандертальцев. Что мы на самом деле о них знаем? Были ли это глупые пещерные люди, как считают многие? В каких местах и какой экологической обстановке они жили? Как они выживали, как питались, где укрывались от непогоды? Каким было их общество? Существовали ли в нем понятия любви, семьи или дружбы? В чем они были на нас похожи, а чем отличались? Какая катастрофа привела к вымиранию вида, который прожил в Европе четверть миллиона лет, и почему это произошло всего через 10–15 тысяч лет после появления в Евразии современного человека?

Неандертальцы получили свое имя от речной долины Неандерталь в Германии, где были обнаружены их первые останки. Первые характеристики, типичные для неандертальцев, появились в европейской палеонтологической летописи около 400 тысяч лет назад. Вероятно, этот срок указывает на время их эволюционного происхождения. Считается, что предком неандертальцев был промежуточный вид Homo heidelbergensis, который в свою очередь произошел от Homo erectus. Окаменелые останки и орудия неандертальцев обнаруживаются по всей Европе и Западной Азии, включая южную часть Сибири и Ближний Восток. Двадцать восемь тысяч лет назад неандертальцы исчезли из палеонтологической летописи. Последние их останки, датированные этим временем, были найдены в пещере в Гибралтаре. Несмотря на то что они классифицируются как отдельный вид, отличный от современных людей, эволюционные биологи называют их ближайшими родственниками человека.

Как же они выглядели и в чем были похожи на нас?

В среднем неандертальцы были ниже и коренастее современных людей из-за более коротких ног и предплечий. Предполагается, что такое телосложение сформировалось под влиянием холодного климата. Черепа их были вытянутыми и приплюснутыми сверху, они имели более ярко выраженные надбровные дуги и более крупные носы, чем у современного человека. Стрингер заявлял, что носы неандертальцев должны были быть «выдающимися» — в некоторых случаях носовая кость имела почти горизонтальное расположение. Их передние зубы были очень крупными и зачастую имели сильный износ, в частности, по сравнению с зубами их предков Homo heidelbergensis. Стрингер и Гэмбл задавались вопросом, не могли ли подобные черты лица быть адаптацией, возникшей из-за того, что неандертальцы использовали резцы не только для еды. У многих взрослых неандертальцев резцы стерты почти под корень, что может означать, что зубы применялись для переноски тяжестей во время выполнения работы. Например, Шара Бейли из Университета Нью-Йорка полагает, что это могло быть необходимым при обработке шкур. Центральная часть лица неандертальцев сильно выдавалась вперед, включая нижнюю челюсть, из-за чего, как и у Homon erectus, у них отсутствовал выраженный подбородок. Кроме того, неандертальцы имели другую форму груди, костей таза и конечностей, по сравнению с современными людьми. Кости у них были толще, а суставы — шире и сильнее. Все это указывает на то, что неандертальцы были адаптированы к более серьезным физическим нагрузкам и стрессам.

Вопреки ранним представлениям, неандертальцы не были ни глупыми, ни жестокими. Наоборот, их мозг был чуть больше, чем у современных Homo sapiens. Слепки, снятые с ископаемых черепов, показывают, что они, как и мы, чаще были правшами. Интересно, что их глазные впадины и затылочные части мозга были больше, чем у нас. Вероятно, это означает, что неандертальцы лучше видели в темноте, что давало им преимущество на охоте в сумрачном северном климате с его темными и мрачными зимами. Еще одно различие заключалось во времени роста и развития детей. Как и в случае с Homo erectus, изучение зубов неандертальцев показывает, что их дети взрослели быстрее, чем современные.

Необходимо избегать уничижительных для неандертальцев выводов из таких наблюдений. Например, развитие детей у неандертальцев следует сравнивать не с детством современных людей, а с детьми ранних Homo sapiens, живших примерно в тот же период. Однако если короткое детство у неандертальцев действительно подтвердится, это может быть признаком важных культурных различий, так как во время продолжительного развития ребенка происходит и его обучение.

Еще одна популярная в прошлом теория состоит в том, что у неандертальцев не было языка. Скорее всего, это не так, хотя их язык и должен быть проще нашего сегодняшнего. Неандертальцы жили группами по несколько десятков охотников и собирателей, возможно, большими семьями. Несмотря на то что лишь некоторым из них удавалось дожить до 40 лет, ряд свидетельств указывает, что они были знакомы с лечебными травами, ухаживали за пожилыми и слабыми членами группы.

В настоящее время происходит активная переоценка эволюции и культуры неандертальцев, и некоторые палеоантропологи обращают внимание, что неандертальцы прожили в Европе почти 250 тысяч лет и, несмотря на суровые климатические условия, колонизировали огромную географическую территорию. Теперь, когда мы располагаем и генетическими данными, можно понять, что они не были смуглыми и покрытыми темными волосами, какими они представляются на ранних рисунках и моделях. Их кожа была более светлой, что естественно для вида, адаптированного к жизни в северном европейском климате. Тем не менее некоторые полагают, что неандертальцам не хватало одной ключевой характеристики, лежащей в основании нашей развитой цивилизации, — высшей когнитивной функции, обеспечивающей владение сложным языком и образное мышление, то есть чисто человеческие черты, благодаря которым стало возможным символическое искусство и рассуждения на более сложные темы.

В 2001 году генетики из Оксфорда Саймон Фишер и Энтони Монако выделили человеческий ген, известный как FOXP2, который играет важную роль в нашем умении пользоваться языком. Мутации этого гена приводят к трудностям при контроле мышц голосовых связок, языка и губ, необходимом для артикуляции. Ученые задумались, не был ли этот ген главным приобретением современного человека и не он ли был ответствен за развитие языка.

Однако один ген вряд ли может обеспечивать все способности человека к языку. Развитие речи и языка включало в себя комплексные изменения в строении человеческого голосового аппарата (гортани) и горла, а также в подвижности языка и губ. Кроме того, требовались длительные и сложные изменения в тех участках мозга, которые отвечают за мышление, чувствительность, движения и координацию различных частей тела. Мы знаем, что наличие речи зависит от развития определенных зон мозга, в частности зоны Брока, которые вряд ли могли бы развиться всего за 200 тысяч лет после отделения от неандертальцев. Исследования «диких детей» показывают, что языковой модуль настолько тесно связан с культурой, что если ребенок не будет воспринимать язык от родителей или окружающих его взрослых людей до 7 лет, он никогда как следует не научится говорить. Кстати, нейробиолог и орнитолог Питер Марлер писал, что подобное происходит и с песнями птиц.

Существуют некоторые свидетельства того, что группы неандертальцев были меньше, чем ранних современных людей. Они также были менее мобильны и, вероятно, между ними существовали менее тесные связи. Неандертальцы создавали свои орудия из подручных материалов, в то время как ранние современные люди более активно участвовали в обмене и перемещениях. Поначалу антропологи полагали, что у неандертальцев не было искусства, в частности пещерных рисунков и личных украшений, например бус или скульптур. Однако современные данные показывают, что неандертальцы были более изобретательны, чем нам казалось ранее. Еще 90 тысяч лет назад они научились использовать веревку. Наличие неандертальских инструментов на некоторых островах в Средиземном море подтверждает, что они умели пересекать водные преграды на судах. Считалось, что сложные инструменты, а также раковины или бусины, найденные в неандертальских поселениях, были скопированы у раннего современного человека. Однако на двух стоянках на юго-западе Франции были найдены коллекции сложных костяных инструментов (гладилок), датированных 45–51 тысячей лет назад. Если эта датировка верна, то они появились за несколько тысяч лет до прихода современных людей. Некоторые палеоантропологи все еще считают, что все свидетельства указывают на отсутствие у неандертальцев высших мыслительных функций, в частности символического мышления, и приводят для сравнения великолепные пещерные росписи из Франции, Испании и Австрии (более ранние). Другие же утверждают, что эти художественные шедевры были созданы не современными людьми во время существования неандертальцев, но кем-то через 20–30 тысяч лет после их исчезновения. Это достаточный срок для культурной революции.

В 2010 году группа ученых из разных университетов мира опубликовала работу о символическом использовании морских раковин и минеральных пигментов иберийскими неандертальцами. В работе, написанной под руководством Жоао Зилхао, рассказывалось об обнаружении двух неандертальских стоянок, относящихся к среднему палеолиту, — в большой пещере на побережье Средиземного моря и в скальном укрытии на берегу реки Мула. Обе стоянки были найдены в Испании и датированы примерно 50 тысячами лет назад. Археологи обнаружили окрашенные пигментами морские раковины, в которых были специально проделаны дырочки, чтобы их можно было носить вместе в виде украшения. Были также найдены куски красного и желтого красителя и остатки краски, разведенной в раковине вида Spondylus, а также множество других инструментов и артефактов. Символическое использование окрашенных раковин с дырочками, которые применялись для создания украшений, противоречило более ранним представлениям о культуре неандертальцев и указывало, что те, как и современные люди, обладали способностями к символическому мышлению и даже могли научить новоприбывших родственников отдельным навыкам обработки кости.

В рамках переоценки некоторые палеоантропологи начинают по-другому смотреть на неандертальцев и полагают, что в своем культурном уровне те лишь немногим отличались от раннего современного человека на момент его выхода из Африки. Например, два американских эксперта, П. Вилла и У. Робрекс, заявляют, что многие из наших неверных представлений проистекают из сравнения данных о неандертальцах, полученных на основании раскопок стоянок, относящихся к раннему или среднему каменному веку, и информации о современных людях, принадлежащей к куда более позднему времени. Другие предполагают, что даже если современные люди были более культурно развиты, чем неандертальцы, это не означает их генетического или интеллектуального превосходства. Подобные культурные различия встречаются и в современное время и объясняются разной степенью развития и распространения идей.

Однако эти споры не приближают нас к ответу на вопрос, почему неандертальцы исчезли с лица земли. Это все еще остается для нас загадкой. Были ли они уничтожены, как некоторые местные племена в разных уголках света европейскими колонистами? Либо они убиты болезнями, которые принесли в Евразию выходцы из Тропической Африки? Или они проиграли в конкурентной борьбе с более культурно развитыми соперниками? Все эти вопросы не дают покоя палеоантропологам уже полтора века. Новая дисциплина — палеогенетика, созданная Сванте Паабо, — была готова предложить новое объяснение исчезновению неандертальцев.