Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом

Райх Дэвид

Прежде чем углубиться в сам предмет книги, я позволю себе вспомнить один эпизод, случившийся во время моей лекции в Массачусетском технологическом институте в 2009 году. Эту лекцию поставили последней в семестре, и я, по идее, должен был добавить изюминку в ознакомительный курс компьютерных исследований генома с медицинским уклоном. И вот я рассказываю об истории индийской популяции, а передо мной в первом ряду сидит студентка и в упор меня рассматривает. А в конце лекции задает с улыбочкой вопрос: “И как вы на все это добываете деньги?” И я начинаю что-то бубнить о том, что человеческое прошлое формирует наше генетическое настоящее и это очень важно для оценки факторов риска болезней… Потом я привел пример с тысячами индийских популяций, где риск заболеваний существенно повышен из-за распространения определенных генетических аллелей, привнесенных основателями этих популяций… Примерно такие доводы о частоте факторов риска заболеваний я и приводил, подавая заявки на гранты в Национальные институты здравоохранения США. Этими грантами в основном и финансируются работы моей лаборатории с момента ее основания в 2003 году.

Все это, безусловно,

правда, но на самом деле мне бы хотелось ответить на вопрос по-другому. Мы, ученые, при подаче заявок руководствуемся жесткими условиями самой системы финансирования, которая направляет наши работы в русло практической пользы для здравоохранения или технологий. А как же присущее человеку любопытство? Его, наверное, тоже стоит учитывать. И наверное, ответ на фундаментальный вопрос “кто мы такие?” будет наивысшим достижением человечества как вида. И наверное, в просвещенном обществе люди должны ценить саму интеллектуальную деятельность, пусть и не имеющую немедленного экономического или практического выхода. Исследования человеческого прошлого, равно как искусство, музыка, литература, космология, жизненно необходимы нам, потому что с ними мы понимаем природу нашей общности и открываем нечто исключительно важное, такое, о чем раньше и помыслить не могли.

Часть первая

Ранняя история нашего вида

Глава 1

Как геном объясняет, кто мы такие

Поворотный момент в человеческой изменчивости

Чтобы понять, почему вообще человеческую историю можно изучать с помощью генетики, нужно представлять себе, как в геноме кодируется информация (а геном мы определим как полный набор генетических “букв”, унаследованный от родителей). В 1953 году Фрэнсис Крик, Розалин Франклин, Джеймс Уотсон и с ними Морис Уилкинс открыли, что человеческий геном записан на сдвоенных последовательностях, состоящих из цепочек химических строительных блоков, так называемых нуклеотидов, их в последовательности около 3 млрд – значит, в сумме 6 млрд. Нуклеотидов всего четыре типа. Их можно представить в виде букв алфавита: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин), Т (тимин)¹. То, что мы называем “ген”, – это крошечный фрагмент таких цепочек, обычно он длиной около тысячи букв, и на генах, как по клише, идет сборка белков, выполняющих в клетке основную работу. Между генами на цепочке расположена некодирующая ДНК, иногда ее называют “мусорная ДНК”. Порядок букв-нуклеотидов можно прочитать с помощью машин, реагирующих на химически индуцированные световые импульсы, исходящие от того или иного нуклеотида; эти световые импульсы регистрируются по мере продвижения вдоль последовательности ДНК. Четыре нуклеотида испускают свет разного цвета, и по цвету можно определить, какая буква – А, Т, Г или Ц – сканируется компьютером.

Рис. 3. Геном состоит из нуклеотидов, которые можно представить в виде букв А – аденин, Ц – цитозин, Г – гуанин, Т – тимин; в человеческом геноме около трех миллиардов пар таких букв. В сдвоенных геномах примерно 99,9 % этих букв одинаковые, но оставшаяся 0,1 % имеет различия, отражающие накопленные со временем мутации. По этим мутациям можно судить, насколько родственны два человека друг другу, и получить очень точную информацию о прошлом.

Естественно, большинство биологов интересует информация, закодированная в генах, но есть и другая сторона дела – различия между последовательностями. Источником различий могут быть ошибки при копировании геномов (эти ошибки мы знаем как мутации), произошедшие в какой-то момент прошлого. Именно эти различия, появляющиеся с частотой одна на тысячу “букв”, генетики и исследуют для расшифровки нашей истории. На три миллиарда букв в обычных неродственных геномах приходится около трех миллионов различий. Если на том или ином участке генома плотность различий повышена, значит, этот участок генома принадлежал более далекому общему предку, потому что мутации в геноме накапливаются примерно с одинаковой скоростью. Следовательно, плотность различий служит своего рода биологическим стоп-кадром, фиксирующим время, прошедшее от того или иного ключевого события.

Первые чудеса исторической генетики открыли на базе изучения митохондриальной ДНК. Это крошечная часть всего генома – одна двухсоттысячная часть, – которая наследуется только от матери к дочери, к внучке и т. д. В 1987 году Алан Уилсон с коллегами отсеквенировали митохондриальную ДНК (то есть прочитали ее последовательность) нескольких сотен людей со всего света. Сравнив мутации в этих ДНК, команде Уилсона удалось для людей в выборке построить генеалогическое дерево по материнской линии. И вот что они обнаружили: мутации самой древней ветви этого дерева, то есть отделившейся от общего ствола раньше всех, выявляются только у людей, живущих южнее Сахары. Отсюда они предположили, что предки современного человечества жили в Африке. Зато все неафриканское человечество происходит от ветви, отошедшей от общего ствола позже всех². Эти выводы стали важной частью теории об африканских предках современных людей. В ней великолепным образом соединились данные археологии, генетики и морфологии скелетов, которые все вместе говорят о том, что предки современных людей жили в Африке несколько сотен тысяч лет назад. Зная скорость накопления мутаций, Уилсон с коллегами подсчитали, что последний общий предок всех линий, а точнее, общая прародительница, “митохондриальная Ева”,

жила где-то 200 тысяч лет назад³. Согласно наиболее правдоподобным новейшим уточнениям, эта цифра составляет 160 тысяч лет, но нельзя забывать, что и она, как и все другие генетические датировки, неточна, потому что реальная скорость появления мутаций у человека остается в известной степени неопределенной ⁴ .

Эти цифры очень порадовали – существование столь недавнего общего предка позволяло сбросить со счетов мультирегиональную гипотезу, согласно которой теперешнее человечество, населяющее различные части Африки и Евразии, унаследовало многие черты от Homo erectus, расселившихся по всему миру очень давно, около 1,8 млн лет назад. Homo erectus – это вид людей, у которых мозг на треть меньше нашего и которые производили простые грубые каменные орудия. В рамках мультирегиональной гипотезы предполагается, что потомки Homo erectus эволюционировали параллельно в Африке и Евразии, дав начало популяциям, существующим на этих территориях и поныне. И если она верна, то митохондриальные последовательности ныне живущих людей должны были разойтись те самые 2 млн лет назад, когда люди Homo erectus распространились по миру. Но генетические данные не укладывались в эту гипотезу. И то, что все современные люди имеют общую митохондриальную прародительницу с датировками в десять раз моложе, означает, что нынешнее человечество происходит от африканских предков, покинувших Африку гораздо позже.

Если обратиться к антропологическим данным, то сценарий будет выглядеть следующим образом. Самые ранние скелетные остатки “анатомически современного” человека – то есть с признаками, попадающими в диапазон изменчивости сегодняшнего человечества, и в особенности это касается выпуклого свода черепной коробки – датируются приблизительно 200–300 тысячами лет назад, и все они из Африки⁵. Если опираться на достоверные данные, за пределами Африки на Ближнем Востоке анатомически современный человек появился не раньше 100 тысяч лет назад, и до отметки в 50 тысяч лет следы его присутствия очень и очень редки⁶. Резкая смена типов каменных орудий тоже указывает на рубеж 50 тысяч лет, когда происходили какие-то исключительные изменения. Этот рубеж маркирует в Западной Евразии наступление верхнего палеолита, как его называют археологи, а в Африке соответствующий рубеж именуется поздним каменным веком. После этого перехода технологии производства каменных орудий стали совсем другими, и они менялись каждые несколько тысяч лет, что несравнимо с прежним черепашьим темпом. От того времени осталось гораздо больше артефактов, раскрывающих духовную и культурную жизнь людей: бусины из страусиной скорлупы, полированные каменные браслеты, краски для тела из рыжей охры (это оксид железа) и первое в мире изобразительное искусство [3] . Древнейшая известная статуэтка датируется возрастом 40 тысяч лет – это вырезанный из мамонтового бивня “человек-лев”, найденный в пещере Холенштайн-Штадель в Германии⁷. А 30-тысячелетние рисунки доледниковых животных на стенах пещеры Шове во Франции и сегодня считаются примером выдающегося искусства.

3

В 2018 году уран-ториевым методом удалось заново датировать наскальные рисунки из трех пещер Юго-Восточной Испании (Ла-Пасьега, Мальтравиесо и Ардалес); датировки наиболее древних рисунков составили 65 тысяч лет. Это на 20 тысяч лет раньше любых кроманьонских рисунков. Эти и некоторые другие данные подтверждают, что символизм существовал у неандертальцев вне связи с символизмом современных людей. См.: Hoffmann et al., 2018, Science, 359, p. 912–915, Hoffmann et al., 2018, Science Adv., 4, eaar5255. (Прим. перев.)

Резкое ускорение в смене картин жизни, которое мы видим в археологической летописи моложе 50 тысяч лет, отражено и в популяционной истории. Населявшие Европу неандертальцы, которых считают “архаичными” (архаичными в том смысле, что признаки их морфологии не попадают в диапазон изменчивости современных людей), после этого рубежа вымерли, сдав свои последние оборонительные позиции в Западной Европе где-то 41–39 тысяч лет назад, примерно через 8 тысячелетий после прихода туда современных людей⁸. Смена популяций произошла повсюду в Евразии, а также в Южной Африке – там, судя по имеющимся данным, люди оставляли обжитые территории, на их месте появлялись носители культур позднего каменного века⁹.

Напрашивается логичное объяснение, что причиной всех этих изменений стало расселение популяций линий современных людей, среди чьих предков была и “митохондриальная Ева”. Они практиковали изготовление новых сложных изделий, и они же по большей части замещали прежнее население повсюду, куда бы ни пришли⁹.

Манящий образ генетического переключателя

Когда в 80–90-х обнаружилось, что генетика может в какой-то степени рассудить конкурирующие гипотезы о происхождении человека, то сразу появились радужные надежды, что именно в рамках генетики можно получить простые ответы на все вопросы. Некоторым даже казалось, что генетика способна на нечто большее, чем просто дать фрагмент доказательств в пользу гипотезы расселения современного человека из Африки и с Ближнего Востока 50 тысяч лет назад. А может, вообще причиной расселения людей из Африки стали изменения в генах? Тогда получится объяснение ускорения хода археологической летописи, простое и красивое, записанное всего четырьмя буквами в ДНК.