Прочитати історію по ДНК

Археологи працюють в Денисовій печері. На задньому плані видно пронумеровані культурні шари печери. Фото А. П. Бужилової.

Приготування зразка для виділення древньої ДНК (висвердлювання тканини зуба). Фото Олега Балановський.

Зразки для виділення древньої ДНК опромінюють ультрафіолетом, щоб знищити біологічні молекули на поверхні, які можуть належати сучасній людині. Вся внутрішня ДНК при цьому залишається нетронутой.Фото Олега Балановський.

Розкопки Денисової печери (Алтайський край) дозволили вперше встановити сувору хронологічну послідовність розвитку і зміни стародавніх культур від епохи раннього неоліту до етнографічної сучасності. На думку завідувача лабораторією ссавців Палеонтологічного інституту ім. А. А. Борісяка РАН А. К. Агаджаняна, мешканці 11-го культурного шару Денисової печери користувалися вогнем. Саме в цьому шарі були знайдені останки древньої людини, що представляє особливу галузь в еволюції роду Homo. Цей вид отримав назву денисівська людина. Фото Олександра Агаджаняна.

Скелетні останки людини з курганного могильника Натухаєвська-3 в Краснодарському краї (майкопська культура). Фото А. Д. Колпаковой.

Ключові міграції, що сформували генофонд Європи. Неолітичні землероби з Близького Сходу і з Анатолії прийшли в Європу і змішалися з мезолітичними мисливцями-збирачами в генофонді перших неолітичних європейських землеробів (короткі білі стрілки). Вони ж внесли вклад в генофонд кочівників бронзового століття ямної культури (пунктирна рожева стрілка). Міграція «ямників» в Європу додала степової компонент в генофонд європейських землеробів (жовта стрілка). Малюнок О. П. Балановський.

За матеріалами статті: I. Morozova et al. Toward high-resolution population genomics using archaeological samples // DNA research, 2016, published online: July 19, 2016, doi: 10.1093 / dnares / dsw029.

<

>

Треба сказати, що і по сучасній ДНК генетики реконструюють історичні події: по сьогоднішній структурі генофонду здогадуються, які події могли її сформувати, а використовуючи знання про швидкість мутацій, відраховують час назад по так званим молекулярним годинах. Але сучасна ДНК дає можливість лише змоделювати минуле, а стародавня ДНК - безпосередньо прочитати те, що в ній записано.

Першу давню ДНК генетики виділили ще в 1984 році з висохлої м'язи вимерлого родича зебри. У 1991-му ДНК вперше витягли з викопних кісток людини. Але її аналіз цілком залежав від розвитку технологій, тому стало можливим з появою методу полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) і вийшов на новий рівень з виникненням методів секвенування нового покоління. Ці методи радикально полегшили прочитання послідовності нуклеотидів (цеглинок, з яких складається ДНК). Найголовніше - вони дозволяють прочитати не цілу молекулу, а розірвану на дрібні шматочки, як зазвичай і відбувається з ДНК в процесі тривалого зберігання в копалин кістках. У 1991 році біологи вперше витягли палеоДНК людини, в 2010-му змогли прочитати древній геном цілком - з кісток неандертальця віком 38 тис. Років і з кісток палеоескімоса віком 4 тис. Років.

З цього часу число прочитаних древніх геномів наростає лавиноподібно, з кожним роком публікується все більше статей в цій області. Вторгшись в храм давнину зі своїми ДНК-перфораторами, генетики розпитали старожилів храму - перш за все, археологів - про проблеми, які треба вирішити. За словами етнографа і антрополога М. В. Вітова, «антропологічні вимірювання надають історику надзвичайно рясний і численний, але одноманітний і односторонній матеріал». Це в повній мірі відноситься і до генетики. Про древніх епохах генетика надає також матеріал рясний, але односторонній: тільки про рухи самого населення, але не про його культурі або мовою. Зате на питання про населення: була на даній території спадкоємність населення або його зміна сталася в результаті міграції - стародавня ДНК дає пряму відповідь. Ці відповіді часом підтверджують побудови археологів, істориків і лінгвістів, часом вони виявляються несподіваними. З даного моменту починається той міждисциплінарний діалог між представниками біологічних наук (генетики й антропології) і гуманітарних дисциплін (археології, історії, лінгвістики), який може привести до взаєморозуміння і зближення точок зору. Так уточнюється картина світу. «Генетика вносить важливий фрагмент в загальний пазл. Не більше, але й не менше »- так про роль генетики в вивченні історії людини сказав Вольфганг Хаак, один з провідних фахівців створеного нещодавно Інституту історії людства Товариства Макса Планка (Max Planck Institute for the Science of Human History) в Єні, Німеччина.

Чому це важко

Вивчати стародавню ДНК дуже непросто, тому навіть сьогодні в світі існує лише кілька лабораторій, які роблять це якісно. Найбільша проблема - забруднення (фахівці кажуть - контамінація) матеріалу. Що лежать в землі тисячі років кістки заселені бактеріями і грибами, тому перше завдання полягає в тому, щоб відокремити людську ДНК від мікробної. З іншого боку, треба не допустити її забруднення сучасної ДНК, перш за все, від людей, які з нею працюють. Тому приміщення для роботи з древньою ДНК повинні відповідати стандартам чистоти, а самі дослідники працювати в екіпіровці, що нагадує космічні скафандри.

Є ще одна проблема: в копалин зразках, в даному випадку в людських останках з древніх поховань, міститься дуже мало ДНК, придатної для виділення і аналізу. Іноді фахівцям доводиться працювати всього лише з декількома молекулами. Нарешті, і самих зразків, тобто людських останків, в яких збереглася ДНК, поки ще мало. Тому важко набрати потрібну статистику, що створює труднощі в інтерпретації отриманих результатів. До речі, збереження ДНК в палеоматеріале залежить в першу чергу не від віку останків, а від умов, в яких вони зберігалися в природі. Головні її вороги - висока температура і вологість. Саме тому більшість вивчених древніх геномів відносяться до середньої смузі або північ; в Південній Європі і на Близькому Сході останків набагато менше, а в Африці поки тільки один матеріал виявився придатним для вивчення.

У нашій країні лабораторії, які намагаються працювати з давньої ДНК, можна перерахувати по пальцях. Власне, лабораторний аналіз проводять лише новосибірські дослідники (група Олександра Пилипенко) і група Євгена Рогаєва в Інституті загальної генетики (ІОГен) РАН. Деякі дослідницькі колективи, наприклад лабораторії популяційної генетики людини в Медико-генетичному науковому центрі (МГНЦ) і Інституті загальної генетики РАН, успішно співпрацюють з провідними зарубіжними колективами, беруть участь в біоінформаційному аналізі та узагальненні даних. Крім усього іншого, Росія - невичерпне джерело палеоматеріала, де завдяки холодному клімату останки добре зберігаються.

Як перетиналися «паралельні людства»

Перш за все, дослідження стародавньої ДНК дали можливість описати наші відносини з іншими видами людей, уточнивши уявлення про «чистоту» виду Homo sapiens. Про неандертальця науці відомо дуже давно, і антропологи багато сперечалися, змішувалися чи гілки сапієнсів і неандертальців. Ці вимерлі представники «іншого людства» генетично були вивчені в групі Сванте Паабо, найвідомішого в світі фахівця з давньої ДНК (Інститут еволюційної антропології Товариства Макса Планка в Лейпцигу, ньому. Max Planck Institut fur evolutionare Anthropologie). Спочатку він вивчив мітохондріальну ДНК неандертальця (невеликого розміру молекули ДНК, що містяться в мітохондріях і передаються по материнській лінії) і заявив про повну відсутність змішування. Але коли через кілька років він же секвенований решті геном неандертальця, то змінив тезу на протилежний: з'ясувалося, що близько 2% геному сучасної людини має неандертальське походження. Подальші дослідження показали, що ця частка варіює від 1 до 4% в Євразії, але практично відсутній у населення Африки на південь від Сахари. Воно й не дивно - таке генетична спадщина сапиенси могли отримати тільки при схрещуванні з неандертальцями, а оскільки міжвидова метисация відбувалася після виходу людини з Африки, то у сучасних африканців немає її слідів.

Після того як генетики навчилися знаходити послідовності неандертальської ДНК, заховані в сучасному геномі, з'ясувалося, що у різних людей неандертальське генетична спадщина різному як за розміром, так і по набору фрагментів ДНК. Генетики з Вашингтонського університету (Vernot, Akey, 2014 року) підрахували його в 665 геномах жителів Європи і Східної Азії і з'ясували: сумарно в їх геномах заховано близько 600 мільйонів нуклеотидів, успадкованих від неандертальців, що становить близько 20% неандертальського геному. Іншими словами, п'ята частина генома неандертальців не зникла остаточно, а живе в сучасному людстві. Хоча у кожної окремої людини, як сказано вище, частка неандертальської ДНК становить від 1 до 4%. Цікаво й те, що в азіатських популяціях її трохи більше, ніж в європейських. Вчені пояснюють це другим потоком неандертальських генів, що торкнулася тільки Східну Азію.

Де і коли сапиенси плідно спілкувалися з неандертальцями? Спочатку вважали, що це сталося невдовзі після виходу перших людей з Африки, тобто 50-60 тис. Років тому, на Близькому Сході, де мігранти зробили зупинку. Але відкриття 2015 року показало, що не тільки там і не тільки тоді. При дослідженні ДНК прадавньої людини сучасного виду на території Європи (в Румунії) віком 37-42 тис. Років виявилося, що в ДНК індивіда Oase 1 число неандертальських фрагментів істотно більше, ніж в інших, настільки ж древніх, знайдених на території Росії: у зразку Костенки-14 (Воронежская область) віком 36-39 тис. років, в зразку з Усть-Ішима поблизу Байкалу віком 42-43 тис. років і в декількох інших. У геномі Oase 1 неандертальська ДНК склала більше 7%, причому її фрагменти досягали значної довжини. Це говорить про недавню метисации з неандертальцями, так як з плином часу довгі фрагменти стають короткими. Автори підрахували, що предки Oase 1 схрещувалися з неандертальцями за все за чотири-шість поколінь до його народження. Очевидно, вже в Європі. Правда, слід від цієї недавньої метисации не дійшов до нашого часу: вчені не знайшли генетичної схожості Oase 1 з наступними популяціями.

Про денисовців - ще одному виді людини, який жив в Євразії одночасно з сапиенсами і неандертальцями, - світ дізнався після того, як той же Сванте Паабо прочитав спочатку мітохондріальний, а потім і ядерний геном з фаланги пальця, знайденої в 2008 році в Денисовій печері на Алтаї . Ця історія чудова тим, що денисовців визначили як окремий вид людини виключно по ДНК. Можна сказати, що на сьогоднішній день про денисовців ми не знаємо нічого, крім його генома (кісткові фрагменти незначні: крім початкової фаланги пальця пізніше знайдено ще два зуба). Зараз генетики вивчили ДНК з усіх трьох фрагментів і дізналися, що денисовців жили в тій печері від 100 до 50 тис. Років тому, можливо, в якийсь період ділили її з неандертальцями, а можливо, заселялися в неї двічі (Sawyer, 2015) . Жили вони, схоже, майже по всій Азії, а особливо великий слід залишили в геномах жителів островів у південно-східній частині Азії; так, в Меланезії він досягає 2-4%.

заселення Європи

В останні роки з'явилося безліч робіт, в яких за допомогою аналізу древньої ДНК показано, як людство освоювало Європу, які групи внесли свій вклад в генофонд сучасного населення. У найзагальніших рисах картина така. Після того як людина сучасного типу досяг Європи (від 40 до 35 тис. Років тому), групи мисливців-збирачів жили в різних її частинах і практично не змішувалися один з одним. Останній факт отриманий якраз генетиками: зразки древньої ДНК мисливців-збирачів верхнього палеоліту показують, що їх популяції в різних регіонах були генетично дуже різні.

У неоліті відбулася революція - люди перейшли від привласнюючого господарства до виробничого: від полювання і збирання до землеробства і скотарства. Вона радикально змінила спосіб життя наших предків і стимулювала розвиток технологій. Землеробство, виникнувши вперше близько VII тисячоліття до н. е. на Близькому Сході, протягом наступних тисячоліть поширилося в Європу. Один з головних питань, які намагаються вирішити фахівці різних наук, полягає в тому, чи призвело воно до зміни населення. Існують дві гіпотези: культурна дифузія, коли відбувається передача навичок землеробства між сусідніми групами населення, а самі вони практично залишаються на місці, і деміческой дифузія, коли технології передаються разом з мигрирующим населенням.

Визначити, чи була міграція (тобто потік генів), - справа генетиків. Спочатку вони вивчили древню мітохондріальну ДНК (мтДНК) з європейської неолітичної популяції (культури лінійно-стрічкової кераміки) і показали її схожість з мтДНК населення Близького Сходу. Це свідчить, що близькосхідні хлібороби дійсно мігрували в Європу, принісши з собою технології вирощування культурних рослин. Висновок про близькосхідну неолітичної міграції підтвердився і тоді, коли генетики змогли секвенувати повний ядерний геном з древніх зразків. Автори статті в «Nature» під керівництвом провідних фахівців з давньої ДНК Девіда Райха (Гарвардська медична школа в Бостоні) і Йоханнеса Краузе (Інститут історії людства Товариства Макса Планка в Єні) вивчали, з яких груп населення формувався генофонд Європи. За їхньою гіпотезою, основними джерелами стали три стародавні популяції. Перша - європейські мисливці-збирачі (жили в Європі з часів палеоліту), друга - близькосхідні хлібороби (які мігрували в Європу і змішалися з місцевими аборигенами), третю умовно назвали «древніми североевразійцамі» (теж мисливці-збирачі, вперше генетично вивчені в зразку зі стоянки Мальта в Сибіру).

Чим більше древніх геномів стало можливо прочитати, тим точніше ставала ця картина. Коли число древніх зразків ДНК досягло 94 (від палеоліту до залізного віку), та ж команда опублікувала в «Nature» чергову статтю, в якій описала генетичний слід інший великий міграції в Європу. Ця міграція в пізньому неоліті і початку бронзового століття відбувалася з причорноморсько-каспійських степів. Автори пов'язують її з населенням археологічної ямної культури, що жили в цих місцях 5 тис. Років тому. (Культура отримала назву через звичаю поховання померлих у відкритих ямах.) «Степовий» генетичний компонент вони виявили в західноєвропейських популяціях бронзового століття, в населенні культури шнурової кераміки.

Отже, дві великі міграційні хвилі відіграли провідну роль в передісторії Європи. Перша - в ранньому неоліті - принесла в Європу гени перших хліборобів з Близького Сходу, друга - в пізньому неоліті - гени степовиків ямної культури. Але якщо перша - неолітична міграція з Близького Сходу - зізнається практично всіма фахівцями і в цьому генетики збігаються з археологами, то з приводу степової міграції бронзового століття ламається багато копій. Тут з генетиками не згодні як археологи, так і лінгвісти. Більшість археологів (зокрема, Лев Самуїлович Клейн) не знаходять археологічних підтверджень міграції «ямників» і не вбачають зв'язку їх культури з європейською культурою шнурової кераміки. Лінгвісти ж виступають проти спроб авторів зв'язати цю міграцію з поширенням в Європу індоєвропейських мов, оскільки місце виникнення та шляхи поширення цієї найчисленнішої сім'ї мов досі представляють предмет бурхливих дискусій.

Та й Самі генетики зараз з обережністю ставлять до висновка про міграцію ямної культури. Например, хоча в декількох стародавніх зразки «ямніків» Виявлено гаплогруппа (варіант) Y-хромосоми R1b (Який зазвічай асоціюється з Європою), більш детальний аналіз, Виконання в ІОГен РАН, показавши, что Це не західна, а східна гілка R1b, так что в сучасній Европе шукати ее НЕ Варта. З обережністю говорить про це і один з авторів роботи Вольфганг Хаак: «Можливо, правильніше назвати цей генетичний слід" схожим на ямну степовим предковим компонентом "».

Інша група дослідників під керівництвом Еске Віллерслева (Eske Willerslev з Центру географічної генетики Музею природної історії університету Копенгагена, Данія), прочитавши вже більше сотні стародавніх геномів, розглянула період бронзового століття. Ця епоха (від 3 до 1 тис. Років тому), коли камінь поступається місцем металу, супроводжується радикальними культурними та соціальними змінами в житті людей. Вони стосуються не тільки господарського устрою - виникає нове розуміння майнових відносин, сім'ї та особистості. І знову постає те ж питання, що і з неолітом: чи була це циркуляція людей або ідей?

Мортен Аллентофт (Morten E. Allentoft) і його колеги (також з центру географічної генетики музею природної історії університету Копенгагена) схиляються до першої версії. Міграції (циркуляції людей) в бронзовому столітті були дуже інтенсивними, і саме в цьому періоді, через складні процеси експансії, змішання і заміщення популяцій, сформувалися основні археологічні культури. Автори також вказують на міграцію ямної культури з степів, генетичний слід якої вони знаходять в ряді європейських культур. Більш того, вони простежили міграцію ямної культури в Сибір, де вона дала початок афанасьевской культурі Алтаї-Саянського регіону.

Треба сказати, що в роботах різних генетиків багато протиріч, які не завжди можна пояснити. Більш того, іноді одна і та ж команда в наступних публікаціях значно переробляє свої ж власні висновки, зроблені раніше. Але процес йде, і в міру того як прочитаних древніх геномів буде більше, а якість прочитання - надійніше, картина реконструкції заселення Євразії повинна ставати точніше.

Світла шкіра, молоко і блакитні очі

За давньою ДНК можна простежити і те, як у наших предків змінювалися ознаки зовнішності, будова тіла або обмін речовин. У процесі розселення по Євразії людина потрапляла в нові умови проживання, в яких якісь ознаки виявлялися корисними. Генетичні варіанти, що відповідають за ці корисні ознаки, підвищують пристосовність індивіда і підтримуються природним відбором. При цьому частота генетичних варіантів (алелей) підвищується і ознаки поширюються в популяції.

Дослідження природного відбору, що відбувалося в людських популяціях за 8 тис. Років, з давньої ДНК зробила вже згадана команда Девіда Райха. У геномах 83 індивідів, від палеоліту до бронзи, генетики вивчили однонуклеотидний поліморфізм (SNP, «БНіП») - ділянки, де відбувається заміна одного нуклеотиду іншим. З 400 тис. Мінливих ділянок вони вибрали ті, які впливають на синтез білків і, отже, на ті чи інші ознаки. Для кожної такої функціонально важливою SNP-мутації оцінили її частоту в давніх і сучасних популяціях і перевірили, підтримувалася ця мутація природним відбором. Таких корисних мутацій, які допомагали виживати нашим предкам, виявилося кілька.

Одна з них знаходиться в складі гена лактази (ферменту, що розщеплює молочний цукор - лактозу). Ця мутація забезпечує синтез лактози протягом усього життя, тому що володіють нею дорослі можуть пити молоко, а володарі початкового варіанту гена без мутації можуть пити молоко тільки в дитинстві. Так ось, мутантний ген дослідники не знайшли в ранньому неоліті, не знайшли навіть у скотарів ямної культури, незважаючи на те що ті використовували рогата худоба. Виходить, що мутація вперше поширилася в популяції приблизно 4 тис. Років тому, а значить, люди стали здатні вживати в їжу молоко далеко не відразу після того, як одомашнили тварин. Але ця звичка виявилася настільки корисною, що виникла мутація поширювалася дуже швидко і сьогодні є у 70% європейців.

Інша ознака - світла шкіра, яку забезпечують варіанти (алелі) двох генів, що впливають на пігментацію. У західноєвропейських мисливців-збирачів таких алелей не було зовсім або ж вони були дуже рідкісні, так що, ймовірно, шкіра у них була досить темною. Аналіз показав, що перший аллель вже в ранньому неоліті досягає високої частоти, а другий в той час тільки виникає, але швидко поширюється. У сучасних європейців ці светлокожие варіанти зустрічаються майже поголовно, за винятком іспанців.

У європейських популяціях бронзового століття досягає помітною частоти і аллель, який відповідає за блакитний колір очей. Але у нього сильний географічний градієнт - висока частота на півночі і низька на півдні. Це зрозуміло, тому що світлий колір райдужки на півдні несприятливий: він не захищає сітківку від інтенсивного сонячного випромінювання.

Деякі найкорисніші гени прийшли з «паралельного людства». Наприклад, ген, що забезпечує виживання на великій висоті (в умовах нестачі кисню) у сучасних жителів Тибету, був запозичений ними у денисовців. Є дані, що ген, що дозволяє ескімосів ефективно зігріватися при метаболізмі жирів, теж отримано ними від денисовців. Поступово накопичується все більше прикладів того, що Homo sapiens, вийшовши з Африки в Євразію і зіткнувшись з новими для себе кліматичними умовами, скористався для адаптації генами, отриманими від змішання з денісовцамі і неандертальцями, які на той час вже багато десятків тисячоліть мешкали в Євразії і встигли пристосуватися до самих різних кліматичних зонах.

Це лише кілька прикладів відкриттів, які зроблені завдяки палеоДНК. Хто знає, які ще події минулого генетикам вдасться прочитати по ДНК? Уривки подвійних спіралей, розкидані по планеті, зберігають інформацію на кшталт бортових «чорних ящиків» в очікуванні експертів, здатних її точно прочитати і правильно зрозуміти.