Путешествие наших генов
Шрифт:
Для распространения бубонной чумы блоха была просто необходима. Чтобы перейти с одного млекопитающего на другое, например с крысы на человека или с человека на человека, бактерия должна была сперва попасть в блоху, а уже с ее помощью — в другой организм, через его систему кровообращения. И вот тут возникала проблема: по своей природе блоха кровь не выделяет, а только всасывает. Но бактерия бубонной чумы смогла преодолеть это препятствие. Помогли ей мутации в так называемых генах вирулентности, которые, помимо прочего, обеспечивают выживание бактерии в желудке блохи. Бактерии, возбужденные генами вирулентности, начинают активно делиться и образуют в зобе (утолщение пищевода перед самым желудком) животного биопленку. Эта биопленка — своего рода сгусток чумных бактерий, который забивает зоб блохи, не давая крови попасть в желудок, и одновременно инфицирует бактериями любую жидкость вокруг него. Мучение для блохи начинается, когда, будучи инфицированной, она кусает снова и снова. Кровь, которую она при этом всасывает, не находит пути в желудок и снова выплескивается.
Если здоровая блоха ежедневно кусает считаные разы, блоха с чумной бактерией делает это сотни раз. Медленно умирая от голода, а потому кусая все более агрессивно, насекомое теряет над собой всякий контроль и обеспечивает при этом массовое заражение людей и животных. В организмах зараженных бактерии размножаются, чтобы в конце концов распространиться с помощью новой блохи или легочной чумы. Умирающие люди для бактерий — средство достичь своей цели: принятая от блохи кровь должна содержать в себе много бактерий, чтобы передача состоялась, а это возможно только в случае смертельного отравления крови. Бактерии извлекают выгоду даже из того, что им приходится умирать вместе со своим хозяином: сепсис, который у него развивается, позволяет поразить новых хозяев.
Только с помощью такого способа передачи обычная чума стала пресловутой бубонной чумой, при которой после укуса блохи чумные бактерии размножаются в лимфатических узлах, а те набухают до хорошо заметных шишек. В течение десяти дней бактерии распространяются по телу, что приводит к отказу органов и смертельному отравлению крови. Конечности, как правило, окрашиваются при этом в черный цвет — отсюда и «черная смерть». Легочная чума, другая форма чумы, — это побочный эффект, она передается напрямую от человека к человеку. При этом легкие инфицированного разлагаются, а мелкие частички органа выпускаются в воздух вместе с дыханием. Если эти капельки находят путь в другое легкое, его обладатель или обладательница через один или два дня уже мертвы.
Мутации, которые были важны для отвратительного повсеместного распространения и течения чумы, использовали как возбудители «черной смерти», так и возбудители первой исторически задокументированной чумной пандемии. Юстинианская чума бушевала в Европе с VI века, спровоцировала десятки миллионов жертв и считается одной из возможных первопричин длительного заката Западной Римской империи. В 2016 году мы смогли реконструировать возбудителя бубонной чумы из этого времени. Он нашелся на кладбище вблизи Мюнхена, где в VI столетии обрела покой умершая примерно в то же время молодая пара. Это добавило к нашим представлениям о юстинианской чуме важное знание: вопреки устоявшимся историческим представлениям, заразная болезнь встречалась не только на Средиземноморских землях, но и в регионах к северу от Альп. Искать геном чумы на лондонском кладбище было естественно, ведь черная смерть, как широко известно, бушевала в этом регионе, здесь в массовых захоронениях лежали ее многочисленные жертвы. Чтобы отследить юстинианскую чуму под Мюнхеном, требовалось уже побольше исследовательской удачи. Полностью открытым долго оставался вопрос о том, где в доисторическое время, о котором не осталось письменных свидетельств, люди умирали от болезни. Это хуже, чем искать иголку в стоге сена — тут даже не знаешь, в каком стоге рыться. Понятно, где находится ДНК умерших людей — в их костях, но в случае со старыми возбудителями болезни нужно еще знать, в каких скелетах искать, то есть какие мертвецы страдали от определенных болезней. Установить нахождение чумного генома в человеческих останках из времени, о котором не знаешь, была ли уже тогда чума, — предприятие с неизвестным исходом. К тому же невероятно дорогое. Искать возбудителя чумы в каждом секвенированном скелете, полагаясь на удачу, было бы слишком дорого. Во всяком случае, так оно было до недавних пор. За то, что сегодня столь широкий поиск возможен, мы благодарны американскому министерству обороны.
В 2012 году Пентагон учредил премию в миллион долларов ученым, которые смогут разработать компьютерную программу для быстрого обнаружения и упорядочивания наследственного материала бактерий и вирусов — чтобы лучше подготовиться к использованию биологического оружия. Больше сотни объединений ученых участвовали в конкурсе, и только три дошли до финала. Состязание называлось Defense Threat Reduction Agency’s Algorithm Challenge. Осенью 2013 года была определена команда победителей, в составе которой оказался мой коллега из Тюбингена, биоинформатик Даниэль Хусон. Чтобы алгоритм можно было использовать и в археогенетике, Хусон вместе с нашим Йенским институтом позднее разработал встраиваемый алгоритм, который позволяет за 24 часа соотнести миллиарды секвенций ДНК с их источником. Программа показывает, какая часть ДНК из скелета человеческая, а какая принадлежит микробам, бактериям или вирусам, и каким именно. Этот новый алгоритм в 200 раз быстрее старых методов. Вместо почти года, как прежде, теперь результатов приходится ждать всего один день. Алгоритм распознает, содержит ли исследуемая ДНК также ДНК бактерий и вирусов, известных как возбудители человеческих болезней. Естественно, срабатывает это только тогда, когда они похожи на широко известных возбудителей и их последовательности хранятся в базе данных. Неизвестные, вымершие болезни так и остаются необнаруженными. До сих пор микробы были продуктом жизнедеятельности, обнаруживаемым
В 2017 году только благодаря этому алгоритму мы открыли старейший из известных на сегодняшний день возбудителей чумы. Мы искали чумную бактерию более чем в 500 пробах зубов и костей из Германии, России, Венгрии, Хорватии и Прибалтики, относящихся к каменному веку. И находки не заставили себя ждать. Самым большим сюрпризом стало обнаружение возбудителя чумы из Понтийской степи: ему около 4900 лет, и, по примерным оценкам, его корни еще древнее — они берут начало 5500 лет назад. То есть чума начала поражать людей гораздо раньше, чем было принято считать. Следовательно, возбудитель чумы еще в каменном веке стоял на пороге Европы и ворвался в нее примерно в то же время, когда туда иммигрировали жители степей. Болезнь, проявившаяся 4800–3800 лет назад, обнаружилась в скелетах людей со всей Европы — в Прибалтике, Хорватии, Аугсбурге, а также в отдаленных Алтайских горах, — где она всплыла примерно 3600 лет назад, после отступления степного гена. Дорога, которая была при этом проложена и на которой постоянно развивалась бактерия, в точности совпадает с тем путем, которым следовали степные иммигранты. То есть дорогу на запад, а позднее и на восток одновременно прокладывали чума и степные жители. Возбудитель, относящийся к каменному веку, мог не вызывать бубонную чуму, поскольку у него не было вирулентных генов, которые мы обнаружили у штаммов бактерий юстинианской чумы и «черной смерти».
Однако связано ли распространение чумы с миграцией людей? Некоторые факты говорят о том, что возбудитель чумы совершил экспансию в Западную Европу как раз перед большим миграционным передвижением. В конце концов, контакты между людьми из этих регионов существовали и раньше — на это указывает найденная в Варне степная ДНК возрастом 6200 лет. Бактерия могла быть занесена в неподготовленную популяцию уже тогда, и занести ее могли носители, передвигавшиеся верхом. Какое воздействие могут оказывать неизвестные бактерии и вирусы на людей, мы знаем, к примеру, по колонизации Америки европейцами — тогда коренные жители континента массово гибли от привнесенных болезней. То же могло происходить и с людьми в Западной Европе. Генетически это подтвердить нельзя, ведь за период, начавшийся 5500 и завершившийся 4800 лет назад, у нас нет скелетов, найденных в Центральной Европе. Но это как раз и может указывать на то, что там свирепствовала чума. Возможно, люди тогда додумались сжигать своих мертвецов, чтобы противостоять смертельной опасности, исходившей от трупов. Вероятно также, что они просто не прикасались к смертоносным телам, оставляя их разлагаться незахороненными, и потому до потомков кости просто не дошли.
Конечно, есть много других возможных причин, по которым население в то время поредело (сомневаться в том, что это произошло, не приходится). Возможно, климатические изменения привели к плохим урожаям и голоду. Военные противостояния между земледельцами, ресурсы которых истощились, могли привести к массовым жертвам, которые не были захоронены. Мог привести к потерям и другой возбудитель болезни — возможно, сегодня уже не существующий, из-за чего мы не можем идентифицировать его даже с помощью самых современных методов секвенирования. «Чумной сценарий» — лишь один из многих. А может, и вовсе ничего не случилось, просто археологам еще не встретилось достаточное количество человеческих останков того времени. Но это наименее вероятно.
Если чума ответственна за сокращение численности населения при степной иммиграции, возникает вопрос: как она распространялась? Чума каменного века еще не прибегала к жуткому и действенному методу, используя блох в качестве новых хозяев. При любой возможности возбудители болезней стараются задержаться в дыхательных путях, как это происходит при гриппе, туберкулезе или даже легочной чуме. Но если бы чума проложила себе путь в Европу таким образом, эпидемия на заселенном континенте имела бы высокую динамику. Такой картине должны соответствовать археологические находки, согласно которым в это время не просто становилось все меньше людей, но и целые поселения, например на Черном море, разом опустошались, как если бы их жители бежали от некой мистической болезни. На это указывает обнародованный в конце 2018 года старейший чумной геном жителя Северной Европы, возраст которого составляет 4900 лет. Его предки генетически еще не смешались с популяцией ямной культуры. Вероятно, многих его соседей постигла та же судьба — болезнь могла обогнать большую иммиграцию и оставить за собой почти пустую землю.
Существует гораздо больше генетических данных о европейской волне чумы после большой иммиграции. Но и их для полной картины недостаточно. Они оставляют пространство как минимум для двух взаимоисключающих интерпретаций. Так, например, чума могла, как уже было описано, бушевать в Европе еще до большой иммиграции и передаваться при этом от человека к человеку. Но другая теория гласит, что большинство возбудителей пришли в Европу только вместе с миграционной волной, причем болезнь не передавалась от человека к человеку, а прибыла на спинах лошадей. Этой теории отдаю предпочтение и я сам, хотя в ней еще много пробелов.