Мир до нас: Новый взгляд на происхождение человека

Хайэм Том

Используя ДНК, извлеченную из кости пальца, найденной в Денисовой пещере на юге Сибири, мы секвенировали геном архаичного гоминина примерно до 1,9-кратного покрытия генома. Особь относилась к популяции, имевшей с неандертальцами общее происхождение, но несхожую историю. Генетический вклад данной популяции прослеживается у меланезийцев, сама же она могла унаследовать гены какой-то другой, более архаичной группы гоминин. ‹…› Группу гоминин, к которой принадлежали эти люди, мы назвали «денисовцами»; по нашему предположению, они могли быть широко распространены в Азии в эпоху позднего плейстоцена^{111}.

У меня отвисла челюсть. Они получили из этого образца ядерную ДНК? И уложились всего в несколько месяцев? Да еще и установили, что у меланезийцев сохранились фрагменты ДНК, унаследованные от этих самых «денисовцев»? Мне опять было трудно уложить в голове результаты и проистекающие из них следствия. Если первая публикация о «женщине X» была разорвавшейся бомбой, то эта представляла

собой серию петард, разлетающихся во все стороны. Группа исследователей не только секвенировала ядерную ДНК, но и прочла практически каждое основание ядерного генома в среднем 1,9 раза. И все это при том, что нужно было картировать более 3 млрд пар оснований. Мы часто обозначаем покрытие знаком «X», чтобы показать, сколько раз в среднем было прочитано каждое основание и его позиция, то есть в данном случае покрытие составило 1,9X. Далее в статье сообщалось, что это стало возможным благодаря высокому содержанию эндогенной (исходной) ДНК, которую можно было извлечь из этой крошечной кости. Но даже с учетом этого технический прорыв в методах изучения ДНК, принадлежавшей существу, жившему много тысяч лет назад, был поразительным.

В образце «Денисова 3» сохранилось 70 % исходной ДНК. Для палеогенетических исследований этот уровень чрезвычайно высок. Куда чаще содержание эндогенной ДНК составляет около 1 %, лишь изредка доходя до 5, и потому ДНК, извлекаемая из древних костей, почти всегда имеет бактериальное происхождение. Но 70 %? С точки зрения сохранности образец можно было считать чуть ли не свежим. Трудно поверить, что исследователи проделали все это, имея в своем распоряжении фрагмент кости весом лишь 40 мг, с полтора рисовых зернышка. Можно сказать, всего ничего. И из этого они секвенировали ядерный геном.

Статья Райха от 2010 г. – эпохальная публикация и с технической, и с научной, и с палеоантропологической точки зрения. Палеоантропологи вновь и вновь возвращаются к ней по той простой причине, что в ней можно найти немало информации, актуальной до сих пор. Несколько позже, в 2012 г., к образцу «Денисова 3» был применен еще один новый метод геномного анализа, позволивший получить еще более обширные данные; анализировались отдельные цепочки ДНК, что существенно увеличило продуктивность работы и дало гораздо больший охват генома – 31X^{112}.

За сухими фразами научных публикаций всегда стоят интересные истории, и история известной на весь мир косточки от мизинца под названием «Денисова 3» служит тому отличным примером. Осознав, что у них в руках оказалось нечто совершенно новое, сотрудники Паабо сразу помчались в Новосибирск, чтобы обсудить с Анатолием Деревянко и археологами, изучающими Денисову пещеру, полученные результаты и решить, что делать дальше. В ответ на просьбу предоставить дополнительный костный материал, Деревянко сказал, что отправил весь фрагмент кости в находящуюся в Беркли (Калифорния) лабораторию Эда Рубина. Рубин на первых порах участвовал в проекте «Геном неандертальца»^{113} – чрезвычайно масштабной программе секвенирования, которую возглавлял Паабо. Итак, остатки бесценного для науки образца оказались у группы из Беркли. Паабо был расстроен и несколько озадачен. Он понял, что им грозит опасность быть втянутыми в гонку публикаций, поскольку группа из Беркли, несомненно, осведомлена о значении полученного образца и тут же займется секвенированием. Решающим фактором стало время.

В науке существует только первое место, второе – безусловный проигрыш. Но Паабо и его сотрудники не могли знать, что лаборатория Рубина отнюдь не спешила заняться алтайской косточкой, а напротив, отложила работу с нею на потом. Паабо быстро опубликовал результаты анализа митохондриальной ДНК, и группа переключилась на ядерный геном.

Между тем Рубин переслал полученный образец одной из своих коллег-палеогенетиков – Еве-Марии Гейгл из парижского Института Жака Моно, которая, вдохновившись публикациями Краузе и Паабо об анализе мтДНК, намеревалась секвенировать ядерный геном. Однако ее планам не суждено было осуществиться, так как она не смогла извлечь достаточное количество ядерной ДНК. После выхода статьи Райха Рубин попросил Гейгл вернуть кость, и в 2011 г. образец снова оказался в Беркли. Здесь его след исчезает. Косточку либо потеряли, либо просто положили не туда, но до сегодняшнего дня никому так и не стало известно, что случилось с драгоценным образцом и где он находится.

К счастью, перед тем как вернуть кость Рубину, Гейл не только сфотографировала ее в высоком разрешении, но и взяла несколько образцов костной ткани для дальнейшего исследования^{114}. В 2019 г. Паабо уговорил ее опубликовать свои результаты. Геном мтДНК, полученный группой Гейгл, оказался идентичен данным Краузе и соавторов от 2010 г. Это стало подтверждением того, что и те и другие исследователи работали с одной и той же косточкой. Снимки высокого разрешения позволили реконструировать кость и виртуально связать ее с меньшей проксимальной частью, взятой ранее. Смоделированное изображение дало ученым возможность довольно точно определить возраст денисовской девочки, которой принадлежал палец. От младенческого до подросткового возраста наши кости претерпевают определенные изменения. Скажем, большеберцовая кость

состоит из трех различных частей: диафиза (стержня) – средней, самой крупной части, двух метафизов, представляющих собой, упрощенно говоря, расширяющиеся оконечности диафиза, и двух эпифизов – суставных оконечностей кости, одна из которых смыкается с бедренной костью, а вторая – с предплюсной. У новорожденных эпифизы подвижны, так как не соединены с основным стержнем кости. Пока идет формирование новой кости и детская нога растет, эпифиз связан со стержнем лишь тонкой хрящевой пластинкой. Впоследствии пластинка твердеет (костенеет), и через некоторое время большеберцовая кость становится единым целым. Этот процесс называется закрытием эпифизарных зон роста. Изучив кости людей, чей возраст на момент смерти нам хорошо известен, биологические антропологи установили сроки, в течение которых эпифизарные зоны роста закрываются в различных костях – пальцев, ребер, бедер и т. д. Эти знания позволяют нам определять возраст людей, которым принадлежали костные фрагменты наподобие «Денисова 3». Виртуально соединив вместе два обломка и пристально исследовав степень закрытия, ученые смогли подсчитать, сколько лет было «Денисова 3» на момент смерти. В это время эпифиз пребывал в стадии закрытия, которая продолжается от двух до четырех месяцев. Фаланга мизинца была близка к окончательному окостенению, следовательно, особь находилась в возрасте ранней юности. Поскольку ядерная ДНК со всей определенностью показала, что кость была женской, ученым удалось сравнить состояние и размер косточки с аналогичными частями скелетов наших живых современниц и установить, что костный обломок принадлежал девочке тринадцати с половиной лет. Анализ бугристости и кривизны косточки весьма достоверно указал на то, что она представляет собой концевую фалангу мизинца правой руки. Далее, в главе 9, будет рассказано о том, как мы сумели определить, что возраст кости может колебаться от 52 000 до 76 000 лет.

Я не перестаю удивляться тому, как много информации можно извлечь из крошечной частички археологического материала: вся косточка имеет в длину лишь 2 см, и все же нам удалось восстановить возраст и пол особи, временной интервал, в котором произошла смерть, и часть скелета, которой она принадлежала. И мы, конечно же, располагаем полным ядерным геномом «Денисова 3», содержащим неисчерпаемое множество другой информации – от обыденного описания внешности (у девушки были темно-каштановые волосы, карие глаза, смуглая кожа – и никаких веснушек!) до особенностей популяционной истории, состояния здоровья и перенесенных болезней^{115}.

Но как же вышло, что в образце «Денисова 3» так хорошо сохранилась ДНК? Дать однозначный ответ вряд ли удастся, но предположений существует несколько. Во-первых, косточка представляла собой самый кончик пятого пальца^[26], а телесные оконечности первыми высыхают до утраты влаги, благодаря чему меньше подвергаются воздействиям плотоядных бактерий и эндогенных ферментов. На мизинце очень мало плоти и в обычных условиях, так что именно это могло способствовать сохранению ДНК. Во-вторых, дело может быть в самой пещере и ее условиях. В наши дни, входя в Денисову пещеру, нужно надевать пальто: там постоянно держится примерно одинаковая низкая температура. Участники раскопок облачаются в теплые комбинезоны и обувь, чтобы не замерзнуть, и в таком виде походят на астронавтов, готовых войти в ракету. Средняя температура – несколько градусов ниже нуля. Подобные условия благоприятствуют сохранению ДНК. Мой коллега Том Гилберт часто говорит, что ДНК похожа на мороженое: в холодном климате она «тает» не так быстро, как в тропиках. Но эти две версии нельзя считать исчерпывающими, поскольку во многих костях из Денисовой пещеры ДНК не осталось вовсе, она вся распалась. От одного участка пещеры к другому условия для сохранности органики могут изменяться. Кость – это сложный материал, состоящий из различных биомолекул, большую часть которых составляет смесь минерального цемента гидроксиапатита и белкового компонента, в котором превалирует коллаген. Уровень кислотности (pH), наличие воды, микробов и бактерий, температура – все это в различных сочетаниях способствует либо сохранению ДНК и коллагена, либо их распаду. Судя по всему, в некоторых частях пещеры костные органические вещества сохраняются для науки, а в других – ни в малейшей степени. Миром правит случай; для палеоантропологов «Денисова 3» – это пример редкостного везения.

Благодаря детальному секвенированию с высоким покрытием ядерный геном «Денисова 3» сумел очень многое рассказать нам и о современном человечестве, и о нашей отдаленной истории. Более широкое эволюционное родство между денисовцами и другими гомининами могло быть выявлено путем сравнения генома «Денисова 3» с эталонным геномом человека по линии, уходящей на миллионы лет назад к общему предку человека и шимпанзе. Такое сравнение позволяло определить, насколько далеко по этой линии денисовцы отошли от нас. Группа Райха рассчитала, что это случилось на 11,7 % обратного пути к общему предку. Для неандертальцев такой же анализ показал 12,2 %, то есть практически одинаковую степень расхождения, из чего можно заключить, что денисовцы и неандертальцы были близкородственными группами. Более поздние расчеты показали, что ветви денисовцев и неандертальцев разошлись около 420 000 лет назад^{116}.