Глава 10. Неандертальцы, ДНК и креативность

Молодой швед Сванте Паабо был одним из нескольких талантливых молодых молекулярных генетиков, склонных к творческой работе над геномом, которая была визитной карточкой лаборатории Алана Уилсона в Беркли. Вдохновленный полученным там опытом, в 1997 году Паабо впервые выделил ДНК из окаменелостей гоминида: небольшой фрагмент митохондриального генома, извлеченный из кости руки неандертальца из пещеры Фельдхофер. Это было удивительным техническим достижением, так как ДНК — длинная и хрупкая молекула, при жизни она нуждается в постоянном «ремонте», а после смерти быстро распадается на все более и более короткие фрагменты. Неизбежный процесс дробления замедляется в прохладных и сухих условиях, и это наряду с тем, что огромное количество копий мтДНК есть в каждой клетке, объясняет, почему в останках неандертальца еще оставалась ДНК, которую можно было извлечь. В своей недавней книге Neanderthal Man Паабо описывает продолжительную и напряженную борьбу с техническими проблемами в этой работе.

Его успех означал, что наконец стало возможным прямое сравнение генов Homo sapiens и его вымершего родственника. Фрагмент круговой молекулы мтДНК, который удалось секвенировать Паабо и его коллегам, оказался за пределами диапазона, наблюдаемого среди всех современных людей. В этой части митохондриального генома между нуклеотидами людей в среднем имеется восемь различий, а между людьми и шимпанзе — 55. Неандертальцы находятся примерно посередине — 26 различий. Более того, неандертальцы оказались генетически практически равноудалены от всех современных народов, с которыми их сравнивали, что позволяет предположить, что линии неандертальцев и современных людей в течение достаточно долгого времени развивались независимо.

После открытия способа многие группы исследователей извлекли более подробные геномы мтДНК из останков более чем 10 неандертальцев, найденных в разных уголках Европы. Результаты в целом были идентичны, однако дополнительно обнаружилось, что различия в последовательности мтДНК для людей и неандертальцев меньше, чем для любого из этих видов и шимпанзе. Это означает, что обе линии гоминидов относительно недавно преодолели генетическую «пробку». Очевидно, шимпанзе беспрепятственно накапливали мутации в мтДНК гораздо дольше, чем Homo neanderthalensis или Homo sapiens, — отчасти потому, что видообразование шимпанзе шло дольше, но, возможно, и из-за того, что они жили в менее заселенных районах.

Затем интрига усилилась. Используя новый высокопроизводительный метод секвенирования ДНК, который имитирует течение времени путем разделения ДНК на мелкие фрагменты перед повторной сборкой на компьютере, группа Паабо в 2010 году смогла извлечь большую часть генома неандертальцев из фрагментов кости, обнаруженной в хорватской пещере Виндия. В 2013 году они упрочили свою победу, добыв еще более всеобъемлющий ядерный геном из окаменелостей, найденных на Алтае, на юге Сибири. Это было ошеломляющее техническое достижение: длина ядерного генома человека составляет 3 миллиарда пар оснований, в то время как митохондриального генома — 16,500 нуклеотидов. Что еще хуже, смешение ядерной ДНК между поколениями анализировать намного сложнее, чем смешение митохондриальной ДНК. Конечный результат — огромные наборы данных, доступные человеческому сознанию только после переработки сверхмощными алгоритмами суперкомпьютеров. Эти алгоритмы, в целом очень похожие на те, что были разработаны для использования в кладистике, должны непременно основываться на различных предположениях об эволюционном процессе, которые могут казаться разумными, но не всегда непосредственно доказуемы. Тем не менее изменения в ДНК кодируют большую часть истории популяции, а также инструкции по сборке каждого индивида. Это позволило исследователям показать не только то, что некоторые неандертальцы являлись носителями аллелей, определяющих рыжий цвет волос и светлый тон кожи, но и то, что в их геноме содержался человеческий вариант гена FOXP2, ответственного (наряду с другими) за развитие речевых навыков.

Наиболее ожидаемый вывод из этой работы — то, что геномы неандертальцев и современного человека невероятно похожи. Подобное сходство очень сложно оценить точно, но один из методов сравнения показывает, что кодирующий белки геном неандертальцев на 99,7% совпадает с нашим. Это выдерживает сравнение с показателем 98,8% для людей и шимпанзе, которые тоже — в глобальном смысле — являются очень близкими родственниками. Изначально «молекулярные часы» показали, что линии неандертальцев и современного человека разошлись в промежутке около 300 и 700 тысяч лет назад, и это предположение подтверждается найденными окаменелостями.

Наиболее удивительное заключение состоит в том, что некоторые специфические общие элементы генома существовали между неандертальцами и племенами людей за пределами Африки — континента, на котором зародился Homo sapiens. Команда Паабо верит, что это стало возможным из-за скрещивания неандертальцев и потомков некоторых из первых Homo Sapiens, однако такой обмен должен был произойти достаточно давно, ведь у современных европейцев сходства с неандертальцами меньше, чем у жителей Восточной Азии. Последующая передача генов современным людям оценивалась в 2-4 %, однако затем этот показатель был понижен до 1,5-2,1 %. Тем не менее некоторые ученые утверждают, что эти сходства можно объяснить тем, что предки современных людей выходили из Африки в разных направлениях и в разное время, поэтому одна ветвь сохранила общий с неандертальцами признак (доставшийся от более древнего общего предка), а все остальные — нет. Этот вопрос активно обсуждается до сих пор, но никакие предположения о том, что же происходило, когда Homo sapiens наводнили Европу, совершенно не мешают коммерческим лабораториям обещать каждому, кто пришлет им образец своей слюны (и заплатит 100 долларов), оценить его процент «неандертальских генов».

Однако, с точки зрения палеоантропологов, самое важное во всем этом — помнить, что близкородственные виды (например, Homo neanderthalensis и Homo sapiens) часто похожи на решето и незначительный уровень перемешивания практически не будет означать, что исторически неандертальцы и современные люди не отличались от других того же вида. Все еще существуют сомнения в том, что эти два вида гоминидов давно идут отдельными эволюционными путями. И действительно, недавние открытия группы Паабо дают основание предполагать, что изолирующие механизмы, которые Эрнст Майр считал критически необходимыми для видообразования, активно развивались, так как у современных людей обнаружены свидетельства «выбора и удаления генетического материала, унаследованного от неандертальцев». Усложняя формирующуюся картину, математическое моделирование позволяет предположить, что даже упомянутые 2-4 % признаков неандертальцев у современных людей могли быть получены не только в силу демографической динамики, но и благодаря крайне редким случаям раннего спаривания.

Конечно, для морфолога наиболее интересным является то, что характеристики окаменелостей дают нам не так много оснований предполагать биологически значимое слияние между двумя различными видами гоминидов. Homo neanderthalensis поддерживал свою морфологическую идентичность, пока не исчез, a Homo sapiens, как кратко выразился Линней, познал самого себя. Вряд ли кого-то удивит, что в плейстоцене, когда ранние Homo sapiens наводнили Европу, случился подобный «адюльтер»; возможно, мы даже приобрели от неандертальцев странный полезный ген. Но суть в том, что с точки зрения значимости для систематики окончательный «развод» произошел задолго до этого момента.

В последнее время в прессе часто пишут об эпигенетике — термине, который обычно используется для описания наследуемых изменений, не являющихся следствием изменений в существующей последовательности оснований ДНК (то есть в генах). Самый простой способ изменения функции ДНК без изменения последовательности — это процесс под названием метилирование, в ходе которого к определенному типу оснований ДНК, в данном случае к цитозину, прикрепляется крошечное углеводородное соединение. Благодаря расшифровке генома неандертальца недавно была сделана крайне интересная находка: поразительные морфологические различия между современным человеком и неандертальцем могут иметь эпигенетическую природу. Это могло предусматривать изменение некодирующих факторов транскрипции, принадлежащих к «кластеру HOXD», посредством метилирования цитозина. Регуляторные гены кластера HOXD управляют развитием конечностей, контролируя активность кодирующих белок генов, участвующих в построении тела эмбриона. Люди примечательны тем, что являются значительно более худощавыми, чем неандертальцы, и это различие появилось не только недавно, но и резко. Наконец приподнимается завеса над тем, что именно происходит на уровне генома, когда две расходящиеся линии могут развиваться разными путями. Тем не менее нам нужно узнать намного больше, чем мы знаем сейчас, прежде чем мы сможем понять все последствия предположения группы Паабо о том, что в силу расхождения гены, участвующие в морфологии скелета, претерпели намного больше изменений в линии неандертальцев, а не в линии современных людей. Морфологу это заключение покажется странным, ведь крепко сложенные тела неандертальцев кажутся обычными для ранних представителей Homo, в то время как грацильные Homo sapiens не имеют себе подобных.

Группа Паабо преподнесла еще один большой сюрприз в 2010 и 2013 годах, когда были извлечены митохондриальный и ядерный геномы из не идентифицируемой другим способом кости пальца гоминида, найденного в пещере Денисова в Южной Сибири. Обладатель кости, видимо, проживал в период 30-50 тысяч лет назад, в то же время, когда в этом регионе обитали неандертальцы. Более того, в это же время через данный регион на восток могли продвигаться и племена ранних Homo sapiens. Анализ генома показал, что таинственная кость принадлежала самке, которая, несмотря на связь с неандертальцами, обладала отличительными особенностями как в митохондриальной, так и в ядерной ДНК. Исследователи назвали племя денисовскими людьми и обнаружили, что его представители разделяют более недавнего предка с неандертальцами, а не с современными людьми. О том же говорит и ДНК, извлеченная из странного отдельного зуба, найденного в той же пещере Денисова; и хотя исследователи отказались заявить, что денисовский человек принадлежит к отличному от неандертальцев виду, дискуссия наводит на мысль, что они верят, что это может быть правдой. Но и это было не все. Они также выяснили, что представители этого племени (вероятно, распространившегося по всей Азии в определенный момент времени в плейстоцене) обменялись генами — на низком уровне — с современными людьми, когда последние покинули Африку и расселились по Азии. Даже казалось, что они перемешались — опять-таки с небольшой частотой — с другим, неизвестным видом гоминидов (не неандертальцами и не современными людьми). Интересно, что гены денисовского человека оказались непропорционально часто представлены у современных меланезийцев, что позволяет предположить немного более высокую частоту скрещивания «денисовцев» и древних меланезийцев на пути последних к конечной островной точке их путешествия.

История того, что произошло, когда ранние Homo sapiens вышли из Африки и встретили гоминидов, живущих в других местах, остается удивительно запутанной, несмотря на то что у нас уже есть немало древних геномов. Но сейчас данные геномов говорят нам, что случаи низкочастотного смешения между племенами гоминидов были обычным делом, когда наши предки быстро расселялись по всему обитаемому Старому Свету. Так как все участники процесса были тесно связаны, это мало кого удивляет. Но результаты этого смешения — каким бы образом оно ни произошло — были тривиальными с биологической точки зрения (хотя недавно обсуждалось, что найденные у тибетцев аллели, которые помогают им справляться с жизнью на больших высотах, могут происходить от денисовского человека). Это вызывает интерес, однако, кроме приобретения пары лишних генов, такое смешение не повлияло на будущее ни одного из участников. Все известные актеры в этой драме, видимо, к моменту смешения были уже достаточно отличными друг от друга и шли по своим независимым эволюционным траекториям. В поддержку вывода стоит отметить, что архаичные генетические элементы рассеяны по всей структуре ДНК современных людей, а не сконцентрированы в тех частях генома, которые могли бы внести существенные изменения в процесс развития.

Помимо неандертальцев и денисовского человека, единственным примером вымершего гоминида, чей ДНК был успешно секвенирован, являются останки, найденные в пещере Сима-де-лос-Уэсос (Атапуэрка, Испания). Вы можете вспомнить, что морфология гоминидов из Симы ясно показывает, что они были предшественниками неандертальцев или по крайней мере принадлежали к примитивному родственному виду. Практически полное секвенирование мтДНК поддерживает это предположение, указывая, что жители Симы связаны как с неандертальцами, так и с денисовским человеком, хотя и ближе к последнему. Эта тесная взаимосвязь заставляет задаться вопросом, сколько окаменелостей, которые мы морфологически определяли принадлежащими неандертальцам, могут на самом деле быть ближе к «денисовцам». Прояснить этот вопрос поможет только время и неизбежное развитие технологий.

Полученные из генома данные красноречиво подчеркивают, как тесно связаны все разновидности Homo и что это является результатом удивительной скорости развития эволюции нашего рода в эпоху плейстоцена. Кроме того, ни одна другая группа во всем мире не была изучена исследователями столь подробно, как наша, гарантируя, что и проблему наименее существенных различий пытаются решить. Эти два фактора показывают, как трудно на практике определить четкие границы Природы. Если я и могу в чем-то согласиться со своим коллегой Милфордом Уолпоффом, так это в том, что мы имеем дело с очень сплоченной группой, линии в которой сложно изобразить так, чтобы это не вызвало споров. Но геномные доказательства показали нам не только то, что границы этих линий размыты, но и то, что разные линии гоминидов существовали параллельно в течение долгого времени и смогли сохранить свою историческую идентичность.