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

Скрещивались люди из этих двух групп или нет? Были неандертальцы среди непосредственных предков современных людей или не были? По скелетным остаткам видны некоторые признаки гибридизации. Например, такие скелеты, промежуточные между современными людьми и неандертальцами, найдены в пещере Оасе в Румынии, их описал Эрик Тринкаус12. Но сходство признаков может порой говорить о приспособлении к сходной среде, а не о родстве. Поэтому по археологической и скелетной летописи нельзя определить близость неандертальцев к нам. Тут нужны геномы.

Неандертальская ДНК

В ранних исследованиях древней ДНК ученых интересовала практически исключительно митохондриальная ДНК. И тому было две причины. Во-первых, в каждой клетке имеется около тысячи копий мтДНК, что по сравнению с двумя копиями остального генома сильно увеличивает вероятность ее обнаружить. Во-вторых, высокая плотность информации в мтДНК: какой бы фрагмент мтДНК ни взять, в нем будет относительно больше различий, чем в подавляющем большинстве фрагментов остального генома, а значит, по нему можно получить более точные измерения времени генетического разделения последовательностей, которые удавалось реконструировать. Сравнение мтДНК неандертальцев и современных людей подтверждало, что они имели более позднего общего предка по материнской линии, чем считалось до того13. На сегодня датировки оценены интервалом 470–360 тысяч лет назад14. Также эти данные свидетельствуют о глубоких различиях между нами и неандертальцами. Неандертальская мтДНК по своей изменчивости выходит за пределы изменчивости мтДНК сегодняшних людей, и наша с ними общая прародительница в несколько раз древнее, чем “митохондриальная Ева”15.

Неандертальская мтДНК никак не подтверждает гипотезу о скрещивании современных людей и неандертальцев при их гипотетических встречах, но при этом не исключает такой возможности, оставляя вероятность, что в геноме неафриканского нынешнего населения присутствует до 25 % неандертальской ДНК16.

Можно понять, почему нам так сложно утверждать что-то о неандертальском наследии в нашем геноме на основании только мтДНК. Предположим, что скрещивание было и у неафриканского населения имеется заметная часть неандертальской ДНК, но мтДНК могла попасть к нам лишь от женщин-носительниц, при этом из всех матерей лишь немногие, жившие в те далекие времена, имели шанс донести до нас свою ДНК. А если добавить, что из тех счастливых матерей большая часть принадлежала к сапиенсам, то картина нашей сегодняшней мтДНК никого удивить не должна. Так что мтДНК на этот счет не слишком показательна. Однако долгое время в научных кругах принято было считать, что современные люди и неандертальцы не скрещивались… пока группа Сванте Пэабо не прочитала полный геном неандертальца и тем самым не открыла возможность увидеть историю всех предков, а не только по “женской” линии.

Мощный рывок в секвенировании неандертальского генома стал возможен благодаря гигантскому скачку в технологиях изучения палео-ДНК, произошедшему спустя десятилетие после прочтения митохондриального генома неандертальца.

До 2010 года основной упор в работах по древней ДНК делался на ПЦР, полимеразную цепную реакцию. Она предполагает выбор целевого фрагмента генома, когда с помощью синтезированных коротких, примерно двадцатибуквенных, кусочков ДНК, комплементарных к обоим концам целевого фрагмента, его можно выделить из общей массы экстрагированной ДНК. А затем много раз размножить с помощью определенных ферментов. Иными словами, из всего генома нужно выделить крошечную часть и сделать ее самой массовой последовательностью в образце. Этот метод отбрасывает большую часть генома (нецелевую часть), хотя и вычленяет интересующий участок.

Новый подход был кардинально другим. Он предполагал секвенирование всей ДНК, какая найдется в образце, вне зависимости от того, из какой она части генома, и без всякого предварительного целевого выбора. Это стало возможно благодаря зверской мощности новых машин, которые с 2006 по 2010 год снизили стоимость секвенирования в тысячу раз. Далее данные такого безвыборочного секвенирования анализируются с помощью компьютерных программ, и прочитанные кусочки складываются в практически целый геном, или же в зависимости от задачи можно сложить конкретные гены.

Команде Пэабо пришлось преодолеть великое множество трудностей при разработке этого подхода. Для начала необходимо было найти кости, из которых ДНК экстрагировалась бы в нужном количестве. Антропологи часто работают с фоссилиями (окаменелостями) – костями, минерализованными до состояния камня. Но из таких окаменелостей никакая ДНК не выделяется. Поэтому Пэабо искал материал, не до конца минерализованный, где оставалось немного органики, включая и хорошо сохранившиеся цепочки ДНК. Положим, такой “золотой образец” найден, но в нем помимо сохранившейся собственной ДНК будет еще и ДНК микробов и грибов, поселившихся в костях после смерти индивида, так что следующий шаг – как-то обойти проблему микробных загрязнений. А ведь эти загрязнения и составляют подавляющую часть ДНК в древних образцах. И наконец, необходимо учитывать и загрязнения, пришедшие от самих исследователей – археологов или молекулярных биологов, державших в руках образцы и реактивы и оставивших в них следы собственных ДНК.

Вообще загрязнения – серьезная проблема при изучении древней человеческой ДНК. Эти загрязнения могут запутать исследователя, ведь кость-то человеческая, а тот, кто подержал в руках окаменелую кость, является пусть и очень дальним, но все же родственником тому древнему человеку. Как правило, из хорошо сохранившейся неандертальской кости выделяются фрагменты длиной около сорока букв, а плотность различий между человеческой и неандертальской ДНК составляет примерно одно различие на шестьсот букв, так что порой невозможно сказать, кому принадлежит конкретный сорокабуквенный кусочек – древнему человеку или тому, кто подержал кость в руках. И загрязнения снова и снова сбивают исследователей с толку. Так, в 2006 году Пэабо со своей группой в качестве подготовки в полногеномному секвенированию неандертальца отсеквенировал на пробу около миллиона букв ДНК из его генома17. И большая часть полученной последовательности оказалась современным загрязнением, что поставило под сомнение дальнейшую интерпретацию результатов18.

Сейчас применяются различные методы снижения риска загрязнений при исследовании древней ДНК, они уже были в ходу и в 2006 году, но после этого значительно усовершенствовались, вобрав набор крайних мер гигиенической предосторожности. К 2010 году команда Пэабо успешно отсеквенировала неандертальский геном без загрязнений, и для этого с каждым образцом они работали в “чистой комнате”, устроенной по образу чистых помещений в производстве микрочипов в компьютерной индустрии. В таком помещении на потолке ультрафиолетовая (УФ) лампа наподобие тех, что имеются в операционных, которая включается, как только оттуда выходит исследователь; ультрафиолет превращает ДНК в форму, которую невозможно отсеквенировать. Естественно, при этом разрушается и древняя ДНК, находящаяся на поверхности образца, но ученые высверливают образцы, беря пробы из-под поверхности, а там ДНК не разрушена. Воздух в помещении очищен ультрафильтрацией, убирающей мельчайшие частички пыли – меньше одной тысячной толщины волоса, – ведь и на пыли может быть ДНК. А чтобы защитить помещение от проникновения ДНК извне, воздух принудительно гонится наружу из помещения, а не наоборот.