Рвем шаблоны: черные голубоглазые европейцы
Все генетические исследования, о которых я рассказывал в предыдущих главах, касались современных людей. С помощью хитрых расчетов, сравнивая друг с другом нынешние геномы, ученые реконструируют их историю. Зная скорость накопления мутаций и темпы перетасовывания фрагментов ДНК при половом размножении, генетики высчитывают, как давно разошлись пути современных популяций или когда начал распространяться вариант какого-нибудь гена. Но все же, какой бы совершенной ни была методика, оценка всегда остается приблизительной. А вдруг мы чего-то не учли? Для проверки нужна древняя ДНК, которую добывают специалисты по палеогенетике — молодой, быстро развивающейся области науки. Конечно, это крайне трудно. Для сохранности генетической информации требуются особые условия. Даже если ДНК в древних костях есть, она развалилась на множество крошечных фрагментов, а в окружающей среде, в воздухе летает в тысячи раз больше ДНК, загрязняющей бесценные образцы. Но, когда со всем этим специалисты научились справляться, нам открылись страницы истории, которые, казалось, были утеряны навсегда. И вот уже генетики выясняют, могли ли древние египтяне усваивать молоко, скрещивались ли американский и евразийский (шерстистый) мамонты, и даже какого цвета были глаза у неандертальца.
Неандертальцы подождут. Начнем мы с наших прямых предков, и не таких древних, — но приготовивших исследователям сюрпризы. Мезолит — время, когда уже растаяли ледники, исчезли мамонты, но по Европе еще бродили охотники-собиратели. Останки двух таких мезолитических бродяг, уже почти 8000 лет покоившиеся в испанской пещере Ла Бранья Аринтеро, попали в руки ученых в 2006 году. Из зуба одного из индивидов удалось извлечь ДНК. Древний испанец оказался родственником неолитическим охотникам Европы, а также гораздо более древнему человеку с сибирской стоянки Мальта. А дальше исследователи решили посмотреть, что геном древнего охотника говорит о его образе жизни и внешности. Во-первых, оказалось, что человек из Ла Бранья Аринтеро, будучи взрослым, не усваивал молочный сахар лактозу, как и большинство млекопитающих, у которых молоко пьют только детеныши. Кроме того, судя по количеству копий гена AMY1, наш испанец плохо переваривал крахмал. И то и другое предсказуемо, ведь культивирование злаков и молочное животноводство распространились в Европе гораздо позже.
Самое интересное для нас вот что: варианты генов SLC45A2 и SLC24A5 (наши друзья — «ген рыбы-зебры» и «ген японской рыбки») у человека из Ла Бранья Аринтеро оказались предковыми, т.е. такими, какие у современных европейцев практически не встречаются. Обнаружив это, исследователи прошлись по основным генам, отвечающим за пигментацию у европейцев, и обнаружили, что еще три гена — MC1R, TYR и KITLG, уже знакомые нам, у испанца оказались «африканскими», хотя аллели генов TYRP1, ASIP и IRF4, тоже связанных с пигментацией, — производными. В сумме это говорило в пользу темной кожи и волос древнего охотника. Дальше — все страньше и страньше: судя по набору мутаций в гене HERC2 и некоторых других, у человека из Ла Бранья Аринтеро были «некарие» (голубые или зеленые) глаза. Темнокожий голубоглазый европеец? Вот это да! Может быть, редкое исключение?
В том же году группа ученых провела сходный анализ человеческих останков медного и бронзового веков Восточной Европы (в основном с территории Украины). Это еще ближе к нам: всего каких-то 6500–4000 лет назад. У 48 индивидов смотрели варианты «гена японской рыбки» SLC45A2, тирозиназы TYP и «гена голубых глаз» HERC2. По всем пунктам частота производных аллелей оказалась гораздо ниже современной. В частности, европейский вариант SLC45A2 — помните, у современных европеоидов он практически у всех, но нашелся только у 43% древнего населения Восточной Европы. «Голубоглазый» вариант — та же картина: 65% сейчас и только 16% в древности. Тирозиназа, производный вариант: 37% сейчас, 4% у древних людей.
При этом, судя по генетике, современные жители тех же территорий — прямые потомки древних людей, которых исследовали. Получается, всего несколько тысяч лет назад типичный европеец был гораздо смуглее. Что же произошло? Исследователи предположили, что дело в некой большой миграции: смешение местного и пришлого населения, длившееся сотни лет, постепенно изменило внешний вид европейцев. Но можно ли такие изменения объяснить лишь притоком генов? Ученые провели компьютерную симуляцию и пришли к выводу, что так быстро «продвинутые» аллели могли распространиться только под действием отбора, причем очень сильного — сопоставимого с устойчивостью к малярии.
Но почему это происходило так поздно? Уже несколько десятков тысяч лет прошло, как анатомически современные люди освоили Евразию. Если речь об адаптации к низкому уровню ультрафиолета, то все должно было случиться, как только кроманьонцы мигрировали в высокие широты. Значит, что-то не так в нашей модели.
Конечно, нужно учитывать, что мутации — вещь случайная, и если мутация в нужном гене не возникла, то естественному отбору просто не с чем работать. Чем популяция меньше, тем ниже вероятность возникновения необходимых изменений в генах, стало быть, тем дольше придется ждать. А кроманьонцев в Евразии до появления сельского хозяйства вряд ли было очень много. Кроме того, от рождения мутации до ее распространения могут пройти века, особенно если мы говорим об изолированных и разделенных большими расстояниями группах. Наконец, кто его знает, — может, древние люди из-за каких-то своих особенностей легче переносили недостаток витамина D?
Исследователи предлагают и такое объяснение: мы можем пережить нехватку солнечных лучей, если получаем вволю витамина D3 с пищей. Для этого ежедневно нужно съедать что-то, эквивалентное 100 г лососины (дикий лосось — лучший источник D3). Пока люди вели охотничий образ жизни, на их столе регулярно появлялась печень животных и жирная рыба, богатые витаминами, — при таком питании можно себе позволить темную кожу. Так продолжалось много тысяч лет. Но наступил неолит, суровая эпоха становления сельского хозяйства. Где ты, лосось? Где оленья печень? Одни злаки день за днем, мясо только по большим праздникам. Согласно изотопному анализу останков, люди неолита, медного и бронзового веков рыбу все же ели, но не все и нерегулярно. Вот здесь и заработал отбор против меланина.
Теория, конечно, годится только для кожи; со светлыми волосами и глазами другая история, которой мы уже посвятили отдельные главы.
Данные в палеогенетике накапливаются быстро. Год спустя опубликован анализ уже 230 геномов древних жителей запада Евразии — от европейских охотников мезолита до представителей железного века. В исследовании, кстати, участвовали образцы из России, включая двух охотников-собирателей возрастом 7500 лет с Южного Оленьего острова в Онежском озере (Карелия). Надо сказать, и качество древней ДНК возросло, поскольку в роли ее источника исследователи использовали каменистую часть височной кости — в ней расположено внутреннее ухо. Оказывается, в этой части черепа ДНК сохраняется существенно лучше, чем в зубах.
Одна из целей исследования — поиск признаков отбора. Необходимо сравнить геномы древних людей с их потомками и найти варианты генов, распределение которых у предков и потомков сильнее всего отличается. Но для этого надо знать, в каком родстве древние популяции находятся друг с другом и с современными. Кто из обитателей доисторической Евразии передал свои гены нынешним европейцам?
Как выяснилось, ранние европейские земледельцы были смесью охотников-собирателей с запада и мигрантов из Малой Азии, где земледелие распространилось очень рано, более 8500 лет назад. У современных жителей Европы добавился еще один компонент — примесь представителей ямной культуры, восточноевропейских кочевых скотоводов, названных так из-за характерных погребений в ямах под курганами. Исследователи сравнили популяции разной древности и нашли 12 позиций в ДНК с явными признаками отбора. Как нетрудно догадаться, в этом списке, помимо генов, связанных с усвоением молока и иммунитетом, были и гены пигментации. В течение нескольких тысяч лет распространялся в Европе светлый аллель «гена японской рыбки» SLC45A2. Частота его в Европе гораздо ниже современной не только у охотников-собирателей, но и у передовых неолитических земледельцев, и только около 5000 лет назад перевалила за 50%. А вот светлокожий вариант «гена рыбы-зебры» SLC24A5 уже встречался поголовно у всех земледельцев Малой Азии и, видимо, благодаря их миграции очень быстро разлетелся по Европе еще в начале неолита.
Кстати, в список самых «отбираемых» попали гены DHCR7 и NADSYN1, связанные с уровнем витамина D3 в крови. Когда древние люди оказались там, где ультрафиолета мало, посветлением кожи дело не ограничилось. Отбор оттачивал процессы синтеза и транспорта витамина D, дабы снизить риск авитаминоза.
Одновременно другой коллектив ученых провел аналогичный анализ 101 генома бронзового века Евразии; генетики исследовали древние венгерские погребения, активно изучали древних людей с территории Румынии, Кавказа, Скандинавии.
В сумме по итогам изучения сотен древних геномов нарисовалась следующая картина. У европейских Homo sapiens верхнего палеолита, судя по всему, была темная кожа. Темна она у самого древнего сапиенса Евразии из Усть-Ишима (Сибирь) возрастом 45 000 лет, и у 35-тысячелетнего воронежского кроманьонца из Костёнок, и у итальянского кроманьонца из Рипари Виллабруна 14 000 лет назад. В мезолите в Западной Европе ситуация принципиально не изменилась, за исключением моды на голубые глаза — их частота у западноевропейских охотников-собирателей выше, чем даже у современных жителей тех же территорий. По загадочным причинам «голубоглазый» вариант HERC2 стал частым в Европе еще до того, как европейцы посветлели.
Но на востоке и севере Европы в мезолите уже появились «бледнолицые». Во всяком случае, у самарского и карельского охотников 7500 лет назад кожа, вероятно, была светлая; варианты генов, связанные с ослабленной пигментацией, встречаются у мезолитических скандинавов около 9000 лет назад. Исследователи полагают, что светлокожесть появилась в Передней Азии или на Ближнем Востоке и оттуда мигранты принесли ее сначала в Восточную Европу, где признак был поддержан естественным отбором. В бронзовом веке вся Европа наконец побелела. Почему мигрировавшие с востока люди посветлели раньше, чем жители Западной Европы? Специалисты полагают: все дело в том, что на Ближнем Востоке рано появилось земледелие. Рацион, в котором доминировали зерновые, был беден витамином D.
Скандинавские охотники-собиратели, шесть индивидов из шведского местечка Мотала, интересны еще в одном аспекте: у трех из них обнаружился вариант гена EDAR, связанный с более толстыми волосами (чтобы освежить память, откройте раздел «ДНК-бигуди…» в главе 20 первой части книги). У нынешних европейцев этот аллель встречается крайне редко, и полагали, что соответствующая мутация возникла у предков современных монголоидов. Но если так, то откуда она взялась у древних жителей Скандинавии? Как бы то ни было, у других, более древних мезолитических скандинавов данный вариант отсутствует. Можно пофантазировать, что в мезолите была какая-то миграция в Скандинавию, которая принесла этот аллель.
Такой переворот в представлениях о древних европейцах понравился далеко не всем. Новая реконструкция мезолитического человека из Чеддара — «первого британца» — породила много неполиткорректных шуток в соцсетях. В блогах обсуждали скульптурный портрет работы известных реконструкторов, братьев Кеннис. Дело в том, что древний житель Британии чернокож.
Скелет нашли еще в 1903 году в популярной среди туристов пещере Гофа во время работ по улучшению ее дренажа. 10 000 лет назад, когда жил чеддарский человек, территория современной Великобритании, покрытая густыми лесами, являлась частью материка. Известно, что человек из Чеддара был невысок — чуть больше полутора метров ростом, а прожил 20 лет с небольшим. И, судя по вариантам генов, связанных с пигментацией, чеддарец обладал темно-коричневой кожей. При этом у него были голубые или зеленые глаза, а также темные, возможно, слегка курчавые волосы.
Антрополог Крис Стрингер из Британского музея изучал чеддарца около 40 лет, но и он, по его словам, не мог себе представить такого неожиданного результата. Да, реальность может сильно отличаться от стереотипов.
Светлую кожу занесли в Британию гораздо более поздние мигранты, вероятно, не позднее 6000 лет назад. Во всяком случае, человек из неолитического памятника «Пастбище Карсингтон» (Carsington Pasture), живший около 5000 лет назад, был уже достаточно светлым, но хорошо загорал.
Совсем недавно в СМИ появилась сенсационная новость: генетикам удалось прочитать полный геном человека из ископаемой жвачки. На древних стоянках археологи неоднократно находили кусочки коричневой субстанции — дегтя или вара, получаемого из березовой коры путем тепловой обработки. Такой продукт в качестве клея использовали, судя по всему, еще неандертальцы. На археологических памятниках Скандинавии комки вара попадаются нередко, и порой на них отчетливо отпечатались чьи-то зубы. Нетрудно догадаться, что вар жевали — может, размягчали, чтоб приклеить им наконечник стрелы, а может, просто ради удовольствия.
Первые же исследования показали, что кусочки березовой «жвачки» хорошо сохраняют древнюю ДНК: из-за антимикробных и водоотталкивающих свойств смолы попавшие в нее генетические фрагменты разрушаются медленнее. Невзрачный комок смолы нашелся при раскопках на датском острове Лолланн (Lolland — хорошее название!). Кусок «жвачки» датировали радиоуглеродом: 5860–5660 лет, т.е. самое начало местного неолита. С этой находкой и решили поэкспериментировать палеогенетики. К радости исследователей, сохранность древней ДНК оказалась настолько хорошей, что ученым удалось прочитать полный человеческий геном со сносным качеством.
Что же можно сказать о человеке, жевавшем березовый вар на юге современной Дании 5700 лет назад? Во-первых, судя по отсутствию фрагментов Y-хромосомы, это женщина. Сколько ей было лет, к сожалению, не установить. Но исследователи рассуждают, что жевать смолу любят дети, поэтому Лола — так в честь острова окрестили древнюю датчанку — возможно, была совсем молода.
Ближе к нашей теме. Определение цвета глаз, волос и кожи в 2019 году стало уже рутинной процедурой. Генетики установили, что Лола темнокожа, темноволоса и голубоглаза. Узнаваемый, уже типичный портрет мезолитического охотника, хотя от скандинавов в начале неолита мы ждали чего-то более светлого.
Ситуацию прояснил анализ генетической родословной: из древних людей самыми родственными Лоле оказались западноевропейские охотники-собиратели, а от других известных групп — восточных охотников и неолитических земледельцев — «датчанке» не досталось практически ничего. Значит, Лола — потомок мигрантов с юга, а северо-восточная волна, несущая светлые аллели, до этой части Дании 5700 лет назад еще не докатилась. Крутизна исследования, конечно, не в этом, а в том, что теперь мы знаем цвет кожи доисторического человека, от которого не осталось вообще ничего… кроме жвачки. Но не только цвет — древний деготь поведал ученым и о бактериях и вирусах из полости рта Лолы, и о том, что на обед девушка лакомилась фундуком и дикой уткой, — от всего перечисленного в смоле остались генетические следы. Интересно, будут ли археологи будущего изучать людей XXI века по ископаемой жвачке, прилипшей к подошве ископаемых кроссовок?
Но технологии палеогенетиков шагнули дальше: древнюю ДНК уже умеют выделить… прямо из грунта. Представьте себе: в незапамятные времена человек справил нужду в пещере. Спустя десятки тысяч лет следы ДНК по-прежнему находятся под полом пещеры, надо только прочитать их. У ученых получилось! Открываются невероятные перспективы, ведь на подавляющем большинстве памятников каменного века нет человеческих костей. Костей нет… но, может быть, в ближайшее время генетики смогут определять, как выглядели обитатели древней стоянки, просто взяв пробы земли.
Важно сделать несколько осторожных оговорок. Во-первых, качество расшифровки древних геномов далеко не всегда безупречно. Это значит, что в некоторых случаях все-таки существует риск неверного прочтения каких-то позиций в ДНК. К сожалению, многие буквы в конкретном геноме могут быть вообще нечитаемы. Так, в «гене японской рыбки» SLC45A2 важнейшую роль для определения цвета кожи играет снип rs16891982. Какая в этой позиции буква — предковая С (цитозин) или производная G (гуанин)? И вот, к примеру, у древнего человека с сибирской стоянки Мальта в этом месте прочерк. Не прочитался, потерялся нуклеотид! Какая буква была у Мальты, мы пока что не знаем.
Кроме того, как вы помните, любой ген человек получает в двух копиях — от матери и от отца. Так что, вообще-то, нам нужно знать оба варианта. Как это выяснить? Хорошо, если у нас качественное прочтение. К примеру, покрытие 30. Это значит, что каждый нуклеотид в расшифрованной ДНК прочтен не менее 30 раз. Мы 30 раз «покрыли» снип rs16891982 и 16 раз получили A, 14 раз G. Что это значит? Примерно поровну A и G — перед нами гетерозигота! Один вариант гена — предковый, второй — производный. А если у нас покрытие 1? Мы прочитали один раз А, и все. Это гетеро- или гомо-? А кто ж его знает.
Наконец, стоит учесть, что влияние этих генетических вариантов на цвет кожи исследовалось только у современных людей. И то не у всех, а лишь у некоторых популяций! Предки отличались от нас, а значит, и результат работы генов мог быть иным.
И еще: древних геномов расшифровано немало, но еще больше останков ждет, когда палеогенетики до них доберутся. Новые данные обязательно добавят интересных подробностей, а то и радикально изменят общую картину. Темп открытий бешеный — не исключено, что это произойдет еще до выхода моей книги.
Источники:
1. Raghavan M., Skoglund P., Graf K. E., Metspalu M., Albrechtsen A., et al. Upper Palaeolithic Siberian Genome Reveals Dual Ancestry of Native Americans // Nature (Jan 2014), 505 (7481): 87–91.
2. Günther T., Malmström H., Svensson E. M., Omrak A., Sánchez-Quinto F., Kılınç G. M., et al. Population Genomics of Mesolithic Scandinavia: Investigating Early Postglacial Migration Routes and High-Latitude Adaptation // PLoS Biology (2018), 16 (1): e2003703.
3. Fu Q., Posth C., Hajdinjak M. et al. The Genetic History of Ice Age Europe // Nature (2016), 534: 200–205.
4. Jones E., Gonzalez-Fortes G., Connell S. et al. Upper Palaeolithic Genomes Reveal Deep Roots of Modern Eurasians // Nature Communications (2015), 6: 8912.
5. Brace S., Diekmann Y., Booth T.J. et al. Ancient Genomes Indicate Population Replacement in Early Neolithic Britain // Nature Ecology and Evolution (2019), 3: 765–771.
6. Günther T., Malmström H., Svensson E. M., et al. Genomics of Mesolithic Scandinavia Reveal Colonization Routes and High-Latitude Adaptation // PLos Biology (Jan 2018).
7. González-Fortes G., Jones E. R., Lightfoot E., Bonsall C., Lazar C., Grandal-d’Anglade A. Paleogenomic Evidence for Multi-generational Mixing between Neolithic Farmers and Mesolithic Hunter-Gatherers in the Lower Danube Basin // Current Biology (June 2017), 27 (12): 1801–1810, e10.
8. Mittnik A., Wang C., Pfrengle S. et al. The Genetic Prehistory of the Baltic Sea Region // Nature Communications (2018), 9: 442.
9. Gamba C., Jones E., Teasdale M. et al. Genome Flux and Stasis in a Five Millennium Transect of European Prehistory // Nature Communications (2014), 5: 5257.
10. Mathieson I., Lazaridis I., Rohland N., Mallick S., Patterson N., et al. Genome-Wide Patterns of Selection in 230 Ancient Eurasians // Nature (2015), 528: 499–503.
11. Jensen T. Z. T., Niemann J., Iversen K.H. et al. A 5700 Year-Old Human Genome and Oral Microbiome from Chewed Birch Pitch // Nature Communications (2019), 10: 5520.
12. Keller A., Graefen A., Ball M. et al. New Insights into the Tyrolean Iceman’s Origin and Phenotype as Inferred By Whole-Genome Sequencing // Nature Communications (2012), 3: 698.
13. Cassidy L. M., Martiniano R., Murphy E. M., Teasdale M. D., Mallory J., et al. Neolithic and Bronze Age Migration to Ireland and Establishment of the Insular Atlantic // PNAS (Jan 2016), 113 (2): 368–373.
14. Rasmussen M., Li Y., Lindgreen S. et al. Ancient Human Genome Sequence of an Extinct Palaeo-Eskimo // Nature (2010), 463: 757–762.
Много информации о геномах древних людей есть в онлайн-каталоге «Древняя человеческая ДНК».
