Краткая история всех, кто когда-либо жил

Резерфорд Адам

Основания пирамиды человеческой эволюции задрожали в 2003 году, когда на индонезийском острове Флорес были обнаружены кости крохотной женщины. В пещере Лианг-Буа ученые откопали останки скелета женщины ростом не более одного метра и еще как минимум восьмерых людей. Назвали этих миниатюрных людей Homo floresiensis, а прозвали «хоббитами» (впрочем, хотя ступня у них была широкая, у нас нет никаких доказательств, что они были покрыты шерстью). Жили они в этой влажной пещере 13 тысяч лет назад – всего за несколько столетий до изобретения современным человеком сельского хозяйства. Маленькие люди готовили пищу на огне и, возможно, ели мясо обитавших поблизости гигантских крыс и стегодонов (вид мелких слонов).

Кем были эти маленькие люди? Из первых публикаций в журнале Nature следовало, что строение тела позволяло отнести их к роду Homo, но все же имело такие отличия, которые заставляли считать их отдельным видом. Меньшинство ученых критиковали эту идею и утверждали, что эти древние люди были такими же, как мы, но болели и уменьшились в росте в результате какой-то патологии. В качестве гипотез предлагали синдром Дауна, микроцефалию, карликовость Ларона и эндемичный кретинизм,

но никаких надежных доказательств справедливости этих гипотез не было найдено. Жители островов часто бывают очень маленькими или очень высокими, поскольку в таких местах условия естественного отбора могут быть весьма специфическими. В частности, наши «хоббиты» делили территорию с гигантскими грызунами, крохотными гиппопотамами и малюсенькими слонами. Все эти странные существа вымерли, но все же кажется наиболее вероятным, что Homo floresiensis – отдельный вид человека и, возможно, где-то на отрезке в два миллиона лет мы с ними имели общего предка. А уменьшение размера тела действительно могло произойти в специфических условиях жизни на тропических островах.

К сожалению, у нас нет ДНК этих крошек. Их кости не окаменели, а остались мягкими, как картон. В 2009 году ученые попытались выделить ДНК из одного зуба, поскольку крепкая внешняя поверхность зубов в какой-то степени может защитить ДНК от разрушения. Попытка не удалась, и ДНК Homo floresiensis потеряна для нас, как слезы в дождевой воде. По-видимому, теплый и влажный климат тропиков за несколько тысячелетий уничтожил всю ДНК, содержавшуюся в зубах и костях. Это очень досадно, поскольку анализ ДНК позволил бы мгновенно определить происхождение этих людей. Их островная жизнь, ограниченность распространения и физические характеристики, скорее всего, говорят о том, что индонезийские «хоббиты» не были нашими предками, но приходились нам дальними родственниками. Тем не менее в результате этого открытия число видов людей, живших 50 тысяч лет назад, вдруг выросло от двух до трех, что прославило «хоббитов», а также других гигантских и крохотных обитателей островов. А наша планета стала напоминать толкиеновское Средиземье [9] .

9

Несколько слов по поводу криптид – мифологических или неуловимых видов, существование которых не противоречит науке, но и не подтверждено научными данными. На протяжении столетий у многих народов существовали мифы о человекоподобных существах, таких как йети в Гималаях, сасквоч в Канаде, Барману в Юго-Восточной Азии, Мананангал на Филиппинах, йови в Австралии, а также Большая Нога и многие другие в сельских районах Америки. Ни одно из этих существ пока не было исследовано учеными: мы не видели их тел, не видели окаменелостей, не знаем их способов питания и охоты. У нас даже нет ни одного четкого фотоизображения, что странно в мире, где продаются миллиарды фотоаппаратов и мобильных телефонов и живут люди, занимающиеся поиском этих загадочных существ. Когда в 1990-х годах для идентификации и классификации животных стал применяться анализ ДНК, появились (и продолжают появляться) публикации, в которых доказывалось существование некоторых из этих таинственных человеко-обезьян. До настоящего момента все эти доказательства признавались учеными несостоятельными и поддерживались только неугомонной прессой, по крайней мере у нас в Великобритании. На острове Флорес бытует легенда о племени человеко-обезьян Эбу-Гого. Это низкорослые и покрытые шерстью женщины с длинными отвисшими грудями. Безусловно, было бы весьма заманчиво связать легенду с останками давно вымерших Homo floresiensis. Но гораздо более вероятно, что Эбу-Гого – лишь местная версия мифа о низкорослом существе Оранг Пендеке, который рассказывают на Суматре и других островах. Вообще говоря, криптозоологию (поиск легендарных существ) трудно назвать настоящей наукой.

Замечу, что когда я уже дописывал эту книгу, были опубликованы результаты еще двух исследований древних обитателей острова Флорес. В апреле 2016 года Томас Сутикна заново проанализировал возраст костей Homo floresiensis. В пещерах часто бывают нестабильные геологические условия и неравномерное расположение геологических слоев. Лианг-Буа – не исключение, и по последним данным поселение «хоббитов» скорее можно отнести к периоду около 50 тысяч лет назад. В июне 2016 года в 45 км к востоку от пещеры был найден фрагмент челюсти и несколько зубов еще более мелких «хоббитов». Возраст находки оценивается в 700 тысяч лет. Эти люди пока не получили имени. Совершенно очевидно, что в ближайшее время нас ждут новые открытия.

Учимся читать

С развитием методов анализа ДНК продолжается уточнение наших представлений об эволюции человека. На протяжении сотни с лишним лет в изучении эволюции человека мы опирались на анализ костей и некоторые другие данные из области анатомии и поведения (культуры). Расшифровку ДНК можно сравнить с изучением анатомии на молекулярном уровне. Форма костей и ее изменения в процессе эволюции тоже записаны в ДНК. Изначально технологию секвенирования ДНК развивали для изучения причин заболеваний, но расшифровка генома, безусловно, позволит также прояснить историю человечества.

Вот вкратце рассказ о том, как мы научились читать ДНК. В 1997 году на всех парах стартовал самый крупный научный проект в области генетики человека. Несколько сотен ученых (в том числе, бывшие конкуренты) собрались в одну команду, объединенную общей целью – представить миру полную последовательность ДНК человеческого генома – все три миллиарда знаков. Подробнее о проекте «Геном человека» говорится в главе 5, здесь заметим только, что это была большая технологическая программа, направленная на упрощение и удешевление расшифровки ДНК. Реализация проекта позволила революционизировать медицину, а также, прояснив темные пятна в эволюции, разгадать некоторые загадки человеческого бытия.

Первый метод расшифровки ДНК, заключенный в многократном копировании исходной последовательности, предложил английский ученый Фред Сенгер.

Метод расшифровки ДНК впервые был предложен скромным английским гением Фредом Сенгером в конце 1970-х годов. Он заключался в многократном копировании исходной последовательности. Для такой процедуры требуется

смесь молекул, из которых состоит алфавит ДНК. Любая ДНК построена всего из четырех букв (нуклеотидных оснований): A, T, C и G. Кроме того, для секвенирования нужна матрица ДНК и фермент (полимераза), который копирует основания и связывает их между собой. Если поместить все эти ингредиенты в пробирку и установить правильную температуру, двойная спираль ДНК разделится на две отдельные нити, каждая из которых послужит матрицей для синтеза второй нити. В конце реакции вы получите миллион копий исходного фрагмента ДНК. Последовательность ДНК непрерывна, в отличие, например, от текстов на английском языке, которые всегда разделены на предложения, заканчивающиеся точками. Каждая буква в этой последовательности соединена химической связью с предыдущей и последующей буквой. Молекула полимеразы постепенно продвигается вдоль матрицы, присоединяя по одной новой букве за раз, как пишущая машинка, копирующая строчку текста. Кроме того, в реакционную смесь для секвенирования ДНК добавляют еще некоторое количество молекул, при встраивании которых происходит обрыв растущей цепочки.

Поскольку в ходе реакции образуется множество копий исходной молекулы ДНК, а обрыв цепи происходит случайным образом, в конце реакции получается набор молекул, обрывающихся на

ка

каж

кажд

каждой

каждой б

каждой бу

каждой бук

каждой букв

каждой букве

каждой букве (исходной последовательности).

Таким образом, секвенирование ДНК представляет собой воспроизведение исходной матрицы. Вы создаете миллионы копий разной длины, оканчивающиеся абсолютно на каждой букве исходной последовательности. Дальше нужно расположить эти фрагменты в порядке увеличения длины. Молекулы ДНК несут отрицательный заряд и поэтому, если вы поместите их в солевой раствор и подключите напряжение, ДНК будет двигаться к положительному электроду. Скорость перемещения зависит от массы фрагмента (от его длины): длинные фрагменты движутся медленнее, короткие быстрее. Если же вы поместите фрагменты ДНК не в солевой раствор, а в гель, и включите электрический ток, фрагменты ДНК разделятся в геле в соответствии с размером.

Но для проведения реакции нужно учесть еще кое-что. В ДНК всего четыре буквы (а не 26, как в английском языке), поэтому исходную ДНК нужно поместить в четыре пробирки. В каждую пробирку нужно внести все ингредиенты, но, кроме того, в первую добавить немного измененных оснований A, которые останавливают реакцию, когда в матрице встречаются основания A. Во вторую пробирку нужно внести все ингредиенты плюс небольшое количество останавливающих реакцию оснований C. То же самое с оставшимися пробирками для оснований T и G. Когда реакция завершается, у вас имеется одна пробирка, в которой все фрагменты заканчиваются на A, вторая пробирка с окончанием фрагментов на C, третья с окончанием на T и четвертая с окончанием на G. Если вы нанесете содержимое этих пробирок в четыре соседние лунки в геле и подключите напряжение, фрагменты разделятся в зависимости от размера, и вы сможете определить положение каждой буквы в исходной молекуле ДНК.

Например, первая колонка может выглядеть так:

*****AA**A*****A******A*A***A*

Вторая так:

**T*T**T**T*T*T*T*T*T****T*T**

Третья так:

C**C****C**C*********C*C**C**C

И четвертая так:

*G*********G*G**********

И если вы наложите друг на друга эти последовательности, то получите исходный фрагмент:

CGTCTAATCATCTGTATGTGTCACATCTAC

Если вы когда-нибудь видели по телевизору ученых с длинными листами с изображением множества черных полосок, расположенных ровными колонками, значит, вы видели именно это. Это последовательность букв в ДНК из наших клеток, которую мы не могли прочесть на протяжении четырех миллиардов лет, но теперь можем определить за считаные минуты и недорого. За изобретение этого замечательного способа чтения последовательностей ДНК Сенгер совершенно заслуженно получил свою вторую Нобелевскую премию по химии в 1980 году [10] .

10

Первую Нобелевскую премию Фредерик Сенгер получил в 1958 году за определение аминокислотной последовательности инсулина. До настоящего момента он остается единственным человеком, получившим премию по химии дважды, и одним из четырех людей, дважды удостоенных этой премии в любой номинации. Сенгер умер в то время, пока я писал эту книгу (19 ноября 2013 г.), но его будут помнить благодаря изобретенным им технологиям, и его именем назван институт геномных исследований The Wellcome Trust Sanger Institute вблизи Кембриджа, расположенный неподалеку от того места, где он жил. Это один из важнейших мировых научных центров.

В 1990-х годах, когда в рамках проекта «Геном человека» предстояло определить последовательность трех миллиардов букв человеческого генома, метод Сенгера был видоизменен и автоматизирован. В главе 5 будет говориться о том, почему работа над проектом была столь сложной, и почему для ее выполнения потребовалось так много времени и денег. В 1990-х годах я был студентом и отправлял короткие фрагменты очищенной ДНК на анализ в специализированную лабораторию, занимавшуюся секвенированием, и несколько дней ждал результатов (не в виде красивых фотографий, а в виде компьютерных файлов). Теперь большинство генетических лабораторий имеют собственные приборы (секвенаторы) и за несколько часов считывают мегабайты информации. Появились новые технологии, которые не вытеснили метод Сенгера полностью, но позволили работать быстрее и с меньшими затратами, и если вы начинаете карьеру генетика в наши дни, возможно, вы лично никогда не воспользуетесь методом Сенгера. Уже существуют секвенаторы размером с колоду карт, которые подключаются к переносному компьютеру через USB, так что вы можете брать их с собой для полевых исследований и секвенировать геномы растений и животных прямо на природе. Все эти нововведения стимулируют революцию в генетике, которая коснется всех нас. К примеру, мы уже научились анализировать ДНК давно умерших людей.