Говоря о древних человечествах, скитавшихся по просторам Старого Света в среднем и позднем плейстоцене, трудно не потратить 90 % времени на обсуждение вопроса об их возможной гибридизации. Азиатские эректусы, неандертальцы, денисовцы, сапиенсы – все они теоретически могли скрещиваться друг с другом. Выше мы говорили, что на развитие полной генетической несовместимости между разобщенными популяциями у млекопитающих обычно уходит порядка 2–4 миллионов лет, то есть больше, чем успели прожить порознь перечисленные группы людей.

Спекуляций на эту тему было много и до зарождения палеогенетики, однако теперь появилась возможность перейти от домыслов к фактам (или, выражаясь корректнее, от очень спорных гипотез к значительно менее спорным). Если скрещивание происходило и рождались жизнеспособные гибриды, то в геномах потомков остаются об этом вполне четкие записи. Генетики научились их читать. Может быть, эпизоды межвидовой гибридизации и не были самым важным и интересным, что происходило в прошлом с людьми. Даже наверняка не были. Но информация о том, что обсуждали неандертальцы вечером у костра после встречи с денисовцами, в ДНК не записана. А о том, как они скрещивались, – записана. Сама возможность таких исследований, еще немыслимая каких-то десять лет назад, породила повышенное внимание к этой теме среди ученых.

Быстрый прогресс в данной области обеспечивается не только новыми отсеквенированными геномами, современными и древними, но и новыми методами их анализа. Исследование, о котором мы сейчас расскажем, основано на применении очередного нового метода к уже известным геномам.

Алан Роджерс, специалист по популяционной генетике и биоинформатике из Университета Юты, разработал пакет программ Legofit для реконструкции древней истории популяций по геномным данным (Rogers, 2019). В Legofit реализован новый подход к построению исторических реконструкций, учитывающий накопленный опыт и свободный от некоторых погрешностей, характерных для других методов.

Главная идея состоит в том, что надежную информацию о древних событиях можно извлечь из частоты встречаемости различных комбинаций примитивных и продвинутых аллелей в разных нуклеотидных позициях (nucleotide site patterns) в геномах изучаемых популяций.

Допустим, у нас есть генетические данные по четырем популяциям (рис. 3.5). В данном случае это современные африканцы (обозначены буквой X), современные европейцы (Y), неандертальцы (N) и денисовцы (D). Для каждой нуклеотидной позиции (сайта) берем по одному случайно выбранному аллелю (гаплоидному генотипу) из каждой популяции. Например, у современных африканцев в данной позиции может стоять нуклеотид А или Г, но мы выбираем один из вариантов случайно – допустим, это будет Г. То же проделываем и с остальными тремя популяциями. В итоге получаем для каждой популяции по одному варианту. Такой подход позволяет абстрагироваться от внутрипопуляционной изменчивости. Это, как утверждает Роджерс, может быть полезно, если мы хотим сосредоточиться на древних событиях в истории популяций, а не на недавних. В дальнейшем анализе учитываются только те сайты, в которых у одних популяций оказался примитивный аллель (такой же, как у шимпанзе), а у других – производный (то есть не такой, как у шимпанзе). Соответственно, для каждого отобранного сайта мы имеем ту или иную комбинацию (или паттерн распределения) примитивных и продвинутых аллелей. Например, может оказаться, что у первых трех популяций в данном сайте стоит такой же нуклеотид, как у шимпанзе (примитивный аллель), а у денисовцев – другой (производный аллель). Такая ситуация обозначается буквой d (см. рис. 3.5). Или, к примеру, может оказаться, что у первых трех популяций аллель производный и только у денисовцев – примитивный (комбинация xyn).

Рис. 3.5. Схематичное изображение генеалогии пяти человеческих популяций. Важно иметь в виду, что это не реконструкция реальных событий, а лишь схема, иллюстрирующая ход мысли Алана Роджерса и его коллег. X – современные африканцы, Y – современные европейцы, N – неандертальцы, D – денисовцы, S – неизвестная “сверхархаичная” популяция (superarchaics). Схема иллюстрирует идею о том, что частота встречаемости разных комбинаций примитивных и продвинутых аллелей несет информацию об истории изучаемых популяций. Нулями обозначены примитивные аллели, единицами – производные. Стрелки с греческими буквами – эпизоды привноса чужих генов в результате гибридизации. Разными линиями показана генеалогия одного конкретного нуклеотидного сайта. При такой генеалогии мутация, произошедшая на серой сплошной ветви, порождает комбинацию примитивных и производных аллелей d (0001), а мутация, произошедшая на черной сплошной ветви, – комбинацию xyn (1110). Прочие пояснения в тексте. Из Rogers et al., 2020.

На рисунке 3.5 показано схематичное генеалогическое дерево изучаемых популяций, отражающее современные представления о родственных связях (хронологическом порядке разделения) современных африканцев, современных европейцев, неандертальцев и денисовцев. На схеме есть еще пятая популяция S – это неизвестная популяция, которую Роджерс и его соавторы называют “сверхархаичной” (Rogers et al., 2020), чтобы противопоставить ее неандертальцам и денисовцам, часто называемым “архаичными людьми”. На самом деле это не очень удачные термины, потому что в тот момент, когда, например, сапиенсы гибридизовались с неандертальцами, никто из них не был ни более, ни менее архаичным, чем его партнер по скрещиванию, – обе популяции к тому времени прошли одинаковый по длительности эволюционный путь от общего предка. Поэтому и неандертальскую генетическую примесь в наших геномах не очень правильно называть “архаичной” примесью. Но так уж повелось. На самом деле “сверхархаики” – это просто некие люди, которые отделились от наших с неандертальцами общих предков раньше, чем мы отделились от неандертальцев.

На рисунке 3.5 также показаны четыре гипотетических эпизода привноса чужих генов в результате гибридизации (стрелки с греческими буквами). Три из них (α, β, γ) были установлены ранее, а четвертый (δ) вводится впервые в обсуждаемой работе. При этом ни один из четырех эпизодов в данном исследовании не рассматривался как изначально известная данность – ученые пытались оценить новым способом реальность каждого из них.

Внутри ветвей дерева разными линиями показана генеалогия одного конкретного нуклеотидного сайта. Если мутация произошла где-нибудь на черной сплошной ветке, то для данного сайта получится комбинация производных и примитивных аллелей xyn, а если на серой сплошной – d.

Ожидаемая частота встречаемости разных комбинаций зависит от параметров генеалогического дерева, а именно от порядка ветвления, длины ветвей (чем длиннее ветвь, тем выше вероятность, что где-то на ней произойдет мутация), числа эпизодов гибридизации, их интенсивности (доли привнесенной ДНК), динамики численности рассматриваемых популяций. Программа Legofit подбирает эти параметры таким образом, чтобы ожидаемые частоты встречаемости разных комбинаций примитивных и производных аллелей были максимально похожи на реально наблюдаемые.

Роджерс и его коллеги использовали этот метод для реконструкции популяционной истории сапиенсов, неандертальцев и денисовцев (Rogers et al., 2020). Неандертальцы были представлены геномами двух индивидов: из Денисовой пещеры (Denisova 5, “алтайский неандерталец”, см. раздел “Геном алтайского неандертальца” выше) и из пещеры Виндия в Хорватии. Как уже упоминалось, эти два неандертальских генома отсеквенированы наиболее качественно. Они представляют довольно далекие друг от друга популяции неандертальцев. Для денисовцев по-прежнему есть только один качественно прочтенный ядерный геном (Denisova 3), которым и была представлена денисовская популяция. Современную европейскую популяцию представляли геномы пяти французов и двух англичан, африканскую – геномы трех йоруба. В качестве внешней группы (для определения того, какие аллели являются примитивными) использовались геномы шимпанзе и гориллы. Реальные частоты встречаемости разных комбинаций примитивных и производных аллелей в рассматриваемых популяциях показаны на рисунке 3.6.

Самое общее представление об искомом дереве можно получить, просто разглядывая рисунок 3.6. Если не учитывать “синглетоны” (комбинации, в которых производный аллель есть только у одной из пяти популяций), то чаще всего встречается комбинация va, роднящая алтайских и хорватских неандертальцев, и комбинация xy, отражающая родство современных европейских и африканских сапиенсов. Стало быть, это концевые веточки дерева, разделившиеся в последнюю очередь. На третьем месте – комбинация vad, говорящая о родстве неандертальцев и денисовцев (они ближе друг к другу, чем к сапиенсам). Значит, предковая популяция (ее можно обозначить как XYVAD) сначала разделилась на ветви XY (сапиенсов) и VAD (общих предков неандертальцев и денисовцев, которых Роджерс с соавторами называет “неандерсовцами”). Затем ветвь VAD разделилась на VA и D (неандертальцев и денисовцев), VA – на V и A, а XY – на X и Y. Все так и было: это известная, надежно установленная топология родственных связей сапиенсов, неандертальцев и денисовцев.

Рис. 3.6. Частоты встречаемости разных комбинаций производных и примитивных аллелей у современных африканцев (x), современных европейцев (y), хорватского неандертальца (v), алтайского неандертальца (a) и денисовца (d). По рисунку из Rogers et al., 2020.

Чтобы продвинуться дальше, уже требуется моделирование. Сначала ученые испытали модели, вообще не учитывающие гибридизацию. Эти модели не смогли объяснить реально наблюдаемую картину (то есть воспроизвести частоты вариантов, показанные на рис. 3.6).

Добавление в модель одного эпизода гибридизации, а именно привноса генов неандертальцев в генофонд предков европейцев (стрелочка α на рис. 3.5), улучшило ситуацию, но не радикально. Тогда исследователи добавили еще два выявленных ранее эпизода, β и γ. Эпизод β – это привнос генов неизвестной “сверхархаичной” популяции в генофонд денисовцев, а эпизод γ – это гибридизация предков алтайских неандертальцев с какими-то древними сапиенсами.

Добавление эпизодов β и γ улучшает модель, но все-таки не позволяет удовлетворительно объяснить наблюдаемую картину. Модель с тремя эпизодами гибридизации (αβγ) выдает близкие к реальности частоты комбинаций лишь в том случае, если сверхархаики отделились от предков сапиенсов, неандертальцев и денисовцев целых 7 млн лет назад. Это, конечно, маловероятно – не могли же денисовцы в самом деле скрещиваться с шимпанзе.

Тогда Роджерс и его коллеги предположили, что модели для совпадения с реальностью не хватает еще одного эпизода гибридизации. Вот только кого и с кем?

Общие предки денисовцев и неандертальцев – “неандерсовцы” – отделились от предков сапиенсов то ли 500, то ли (по более популярным в последнее время оценкам) целых 750 тыс. лет назад. Позднее, где-то около 600–400 тыс. лет назад, предполагаемые предки неандертальцев появились в Европе, неся с собой ашельские орудия. В Азии, по идее, в это время должны были расселяться предки денисовцев. И те и другие селились не на безлюдных территориях. В Евразии уже давно жили представители рода Homo – потомки первой волны мигрантов, ранних Homo erectus, впервые покинувших африканскую прародину не позднее 1,8 млн лет назад (как мы помним, это датировка для людей из Дманиси). Неандерсовцы вполне могли поскрещиваться с евразийскими эректусами еще до того, как разделились на предков неандертальцев и денисовцев.

Предположение выглядело правдоподобным, и ученые начали экспериментировать с моделями, предполагающими еще один эпизод гибридизации – δ (см. рис. 3.5). Они сравнивали восемь моделей, включающих эпизоды β, γ и δ в разных комбинациях (эпизод α, в реальности которого нет никаких сомнений, был включен во все модели). Сравнение проводили при помощи изощренных статистических методов, специально адаптированных для данной задачи, с учетом того, что чем больше в модели параметров, тем проще ее подогнать к наблюдаемым фактам, но только такая подгонка может оказаться неадекватной (так называемая проблема “переподгонки”).

В результате с большим отрывом победила модель αβγδ, включающая все четыре эпизода гибридизации. На втором месте по правдоподобию – модель αβδ (игнорирующая приток генов от древних сапиенсов к алтайским неандертальцам). Все остальные варианты получили “нулевую поддержку”, то есть они как бы вообще не имеют права на существование по сравнению с конкурирующими моделями αβγδ и αβδ.

Таким образом, результаты уверенно подтвердили установленный ранее эпизод гибридизации β (приток генов от сверхархаиков к денисовцам) и чуть менее уверенно – эпизод γ (приток генов от древних сапиенсов к алтайским неандертальцам). Ну а самое главное, они свидетельствуют в пользу еще одного эпизода гибридизации δ, связанного с притоком генов от сверхархаиков к неандерсовцам. Это новая гипотеза, такой эпизод ранее всерьез не обсуждался. Если он подтвердится дальнейшими исследованиями, это будет самый древний известный эпизод гибридизации между удаленными ветвями человеческого рода. Дополнительные статистические тесты показали, что эпизод δ не может быть артефактом, порожденным ошибками секвенирования или соматическими мутациями.

На рисунке 3.7 показаны параметры генеалогического дерева, вычисленные программой Legofit для двух наилучших моделей αβγδ и αβδ.

У параметров, показанных на рисунке 3.7, двоякий смысл. Если параметр ранее был оценен независимыми методами и новая оценка похожа на старую, то это прибавляет достоверности модели αβγδ, заодно подкрепляя и новую идею о скрещивании неандерсовцев со сверхархаиками. Так обстоит дело, например, с датировками костей денисовца и двух неандертальцев: они похожи на полученные ранее археологами (см. раздел “Уточнены датировки археологических находок в Денисовой пещере” в главе 4). Это весомый аргумент в пользу достоверности модели αβγδ.

Если же новая оценка сильно отличается от прежних, то это указывает либо на несовершенство модели, либо на то, что прежние оценки нуждаются в уточнении. В эту категорию попадает неожиданно древняя датировка расхождения предков неандертальцев и денисовцев – 737 тыс. лет назад. Раньше давались оценки 300–200 тыс. лет назад, в последнее время чаще встречались оценки 500–400 тыс. лет назад. Но все же не 700 с лишним! С одной стороны, это вроде бы слегка подрывает доверие к выводам Роджерса и его коллег, с другой – более древняя датировка разделения неандертальцев и денисовцев неплохо согласуется с древним возрастом людей из Сима-де-лос-Уэсос, которые являются представителями неандертальской линии и должны были жить уже после разделения неандертальцев и денисовцев (см. раздел “Пращуры неандертальцев из Ямы Костей” выше).

И наконец, если параметр ранее не имел обоснованных оценок, то оценка, показанная на рисунке 3.7, представляет собой просто некий новый научный результат. К данной категории относится, например, время отделения сверхархаиков от предков сапиенсов, неандертальцев и денисовцев – 2,3 млн лет назад. Правда, нужно иметь в виду, что эта оценка (как и другие датировки, показанные на среднем графике на рисунке 3.7) зависит от калибровки “молекулярных часов”, которая, в свою очередь, определяется темпом мутагенеза у наших предков, а на этот счет у специалистов пока нет согласия. Скорость мутагенеза (в расчете на нуклеотид в год) сильно зависит, например, от возраста мужского полового созревания, который не так-то просто определить для древних Homo. Роджерс и соавторы использовали низкую оценку темпа мутагенеза (0,38 × 10^–9 мутации на нуклеотид в год), и это отчасти объясняет, почему некоторые датировки у них получились подозрительно древними. Если же взять более высокую, но не менее правдоподобную оценку 0,45 × 10^–9, то получится, что сверхархаики отделились от наших предков позже – 1,9 млн лет назад.

Рис. 3.7. Параметры популяционной истории сапиенсов, неандертальцев и денисовцев, оцененные при помощи программы Legofit. Вверху показана доля привнесенной ДНК для каждого из четырех эпизодов гибридизации: α – от неандертальцев к предкам современных европейцев, β – от сверхархаиков к денисовцам, γ – от древних сапиенсов к неандертальцам, δ – от сверхархаиков к общим предкам неандертальцев и денисовцев (неандерсовцам). В середине показано время важнейших событий: T_XYNDS – отделение сверхархаиков от предков сапиенсов, неандертальцев и денисовцев, T_XY – дивергенция предков современных африканцев и европейцев, T_ND – разделение неандертальцев и денисовцев, T_N0 – конец раннего периода истории неандертальцев, когда их популяция была многочисленной, T_A – время жизни алтайского неандертальца (Denisova 5), T_V – время жизни хорватского неандертальца, T_D – время жизни денисовца (Denisova 3). Внизу показана оценка численности популяций: N_S – сверхархаики, N_XYND – предки сапиенсов, неандертальцев и денисовцев, N_XY – предки европейцев и африканцев, N_ND – неандерсовцы, N_N0 – ранние неандертальцы, N_N1 – поздние неандертальцы. Горизонтальные линии – интервалы неопределенности. По рисунку из Rogers et al., 2020.

Впрочем, обе эти датировки хорошо согласуются с предположением, что сверхархаики, с которыми скрещивались сначала неандерсовцы (эпизод δ), а потом денисовцы (эпизод β), были потомками самых первых выходцев из Африки – ранних евразийских эректусов, чьи древнейшие представители известны нам по находкам из Дманиси. Напомним, что возраст людей из Дманиси 1,77–1,85 млн лет (см. раздел “Пятый череп из Дманиси показал огромный размах индивидуальной изменчивости ранних Homo” в главе 1).

К сравнительно новым выводам, хотя отдельные намеки на них были и раньше, следует отнести очень низкую численность популяции неандерсовцев (см. нижний график на рисунке 3.7), высокую численность ранних неандертальцев по сравнению с поздними, а также очень высокую численность популяции сверхархаиков. Впрочем, к этим оценкам численности нужно относиться крайне осторожно. Достоверность их невысока, а главное, они могут на самом деле отражать не численность, а структуру популяции. Например, якобы огромная численность сверхархаиков может с тем же успехом означать, что евразийские эректусы рано подразделились на две ветви, одна из которых скрещивалась с неандерсовцами, а другая – с денисовцами. При этом обе ветви могли быть малочисленными. Главное, что они успели накопить много генетических различий. Ведь, по сути дела, речь идет о том, что две порции аллелей, доставшиеся от сверхархаиков другим людям (сначала неандерсовцам, потом денисовцам), заметно отличались друг от друга. Это могло быть связано как с многочисленностью сверхархаиков, так и с тем, что они были представлены двумя рано разошедшимися популяциями.

Если выводы авторов верны, то складывается довольно интересная картина. Для объяснения имеющихся генетических данных достаточно всего трех волн выхода людей из Африки. Первыми вышли ранние эректусы с олдувайскими орудиями (возможно, близкие к людям из Дманиси) или, может быть, какие-то ранние Homo, от которых позднее произошли евразийские эректусы. Первый выход из Африки состоялся примерно 2,0–1,8 млн лет назад. Или даже раньше, если не ошиблись китайские археологи, сообщившие о каменных орудиях из Центрального Китая возрастом 2,1 млн лет (Zhu et al., 2018). Эти первые выходцы из Африки расселились по Евразии, возможно, разделившись на две большие ветви.

Тем временем неандерсовцы отделились от предков сапиенсов и вышли из Африки с ашельскими орудиями, может быть, 0,8–0,6 млн лет назад. Они прошли через бутылочное горлышко численности, поскрещивались с местными эректусами (около 0,75 млн лет назад, если верить применяемой в работе замедленной версии “молекулярных часов”), а потом расселились по Евразии, разделившись на две ветви – западную и восточную, неандертальцев и денисовцев. В ходе своей экспансии они, по-видимому, сильно потеснили аборигенов – эректусов. Но все же не довели их до полного вымирания, а оставили немного на развод – ведь денисовцы позднее опять скрещивались с эректусами.

История повторилась 60–50 тыс. лет назад, когда популяция сапиенсов вышла из Африки, прошла через бутылочное горлышко численности, поскрещивалась с аборигенами – ближневосточными неандертальцами, а потом расселилась по Евразии, разделившись на две ветви (восточную и западную) и быстро вытеснив своих предшественников – неандертальцев и денисовцев. При этом восточная ветвь успела породить гибридов с денисовцами.

Если вывод о гибридизации неандерсовцев со сверхархаиками верен, то это не только самый древний документированный эпизод межвидовой гибридизации в роде Homo, но и эпизод, участники которого прожили в изоляции друг от друга исключительно долго – более миллиона лет. Ну а когда денисовцы повторно скрещивались со сверхархаиками, время раздельной жизни гибридизующихся популяций уже составляло порядка полутора миллионов лет. Это не рекордное, но солидное время раздельной жизни для межвидовой гибридизации у млекопитающих.