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

В таком помещении три комнаты. В первой исследователь облачается в специальный чистый костюм, перчатки и маску. Во второй образец кости, предназначенный для взятия пробы, отправляется в камеру с высоким УФ-излучением, чтобы преобразовать поверхностные ДНК-загрязнения в нечитаемую форму. Затем исследователь с помощью зубного бура высверливает из костного образца от десятков до сотен миллиграммов материала, собирая его в алюминиевую фольгу, предварительно обработанную УФ, и ссыпает оттуда в пробирку, естественно тоже обработанную УФ. В третьей камере порошок погружается в жидкость с веществами, растворяющими кости и белки, а потом этот раствор пропускается через чистый песок (оксид кремния); при правильных условиях оксид кремния связывает молекулы ДНК, а остальные вещества, мешающие реакциям секвенирования, удаляются.

После этого полученные фрагменты ДНК преобразуют для секвенирования. Для этого сначала удаляют поврежденные концы фрагментов: за десятки тысяч лет “хранения” под землей цепочки с концов сильно разрушаются. Потом в качестве меры для распознания загрязнений к уже очищенным концам прицепляют специально синтезированные последовательности букв, своего рода химический штрихкод древних фрагментов – этот метод был опробован в 2006 году группой Пэабо. Любое загрязнение, появившееся в образце после присоединения такого штрихкода, можно будет отличить от древних фрагментов. И наконец, к одному из концов ДНК присоединяют молекулы-адаптеры, и они позволяют запустить секвенирование на тех самых новых машинах, что сделали этот процесс в десятки тысяч раз дешевле.

Лучше всего ДНК сохранилась, как выяснилось, в трех неандертальских образцах из пещеры Виндия в высокогорной Хорватии – это остатки костей рук и ног, датированных примерно 40 тысячами лет. Отсеквенировав экстракты ДНК из них, группа Пэабо выяснила, что подавляющая часть этой ДНК принадлежит поселившимся в костях бактериям и грибам. Однако после сравнения миллионов фрагментов с геномами шимпанзе и человека Пэабо в тоннах пустой “молекулярной” породы удалось найти золото. Референсные геномы человека и шимпанзе послужили своего рода картинкой на коробке с пазлом, подсказкой, как собирать крошечные отсеквенированные кусочки неандертальской ДНК в одну цепь. В итоге в тех костях оказалось около 4 % древней ДНК неандертальцев.

И когда в 2007 году Пэабо понял, что смог бы в принципе отсеквенировать полный геном неандертальца, он собрал международную команду специалистов, которая как раз и должна была работать с данными секвенирования. Вот так я и мой старший научный наставник, математик Ник Паттерсон, попали в этот проект. Пэабо пригласил нас, потому что в предыдущие пять лет мы зарекомендовали себя новаторами в области изучения популяционных перемешиваний. Я много раз ездил в Германию, немало сделал для обработки и анализа данных, доказавших скрещивание между неандертальцами и какими-то ранними современными людьми.

Как неандертальцы породнились с неафриканским населением

В том неандертальском геноме, который мы прочитали, содержалось, к сожалению, великое множество ошибок. Откуда мы это знали? Из того факта, что, судя по прочтенным данным, в неандертальской линии накопилось в несколько раз больше мутаций, чем в линии современных людей после их отделения от общего предка. А так как скорость накопления мутаций примерно постоянная и неандертальские кости имеют солидный возраст, то есть неандертальцы ближе к общему предку, чем нынешние люди, большинство выявленных неандертальских отличий не могут быть настоящими, на самом деле мутаций должно быть меньше. По полученным оценкам, в неандертальском геноме на каждые две сотни прочтенных ДНК-букв приходилась одна ошибка. Может показаться, что это не очень много, но такое количество ошибок существенно превышает действительную мутационную разницу между неандертальцами и современными людьми, и большая часть выявленных различий порождена методическими огрехами. Как поступить в этом случае? Решено было выбрать для анализа только те позиции в геноме, в которых у людей нынешних популяций имеются отличия. И тогда ошибка в 0,5 % (1 из 200 нуклеотидов) вполне допустима, она не влияет на интерпретацию результатов. С упором на такие позиции мы разработали математический тест, измеряющий степень отличия неандертальского генома от той или иной человеческой популяции – будут ли отличия одинаковыми или разными?

Наш подход назывался “тест четырех популяций”, и он стал основным рабочим инструментом в задаче сравнения любых популяций. На входе в каждом из четырех геномов – например, два современных, неандертальский и шимпанзе – берется одна конкретная позиция, и в ней читаются буквы ДНК. Нужно обращать внимание на те позиции, где в одной из двух популяций современных людей произошла мутация (то есть один из вариантов архаический, как у шимпанзе, а другой с мутацией), а у неандертальцев в этой позиции имеется та же самая мутация; это будет означать, что мутация произошла до окончательного разделения современных людей и неандертальцев. И после выяснить, на какую из двух популяций неандертальцы больше похожи по своим мутациям. Если обе современные популяции унаследовали свои мутации от предковой группы, отделившейся до разделения линий людей и неандертальцев, то нет никаких оснований считать, что в этих двух популяциях мутации распределены неравномерно, то есть что неандертальцы должны быть больше похожи на одну из этих популяций; как раз наоборот, неандертальцы должны быть одинаково похожи на обе популяции. Но если неандертальцы и одна из двух популяций современных людей скрещивались, то потомки этой “гибридной” популяции должны иметь больше общих мутаций с неандертальцами.

Рис. 7. С помощью теста четырех популяций мы можем оценить, насколько вероятно, что две популяции являются наследницами одной предковой популяции. Возьмем, к примеру, мутацию Т, которая произошла у предка неандертальцев, и потому в ДНК шимпанзе ее нет. В геноме европейцев таких мутаций – общих с неандертальцами – на 9 % больше, чем у африканцев, что говорит о том, что в истории неандертальцев были скрещивания с предками европейцев.

И когда мы проверили нынешние популяции людей, то обнаружилось, что неандертальцы в равной мере похожи на европейцев, азиатов и новогвинейцев, но меньше похожи на африканское население к югу от Сахары (сюда входят совсем разные группы из Западной Африки и бушмены, охотники-собиратели Южной Африки), чем на все неафриканское население. Разница выглядела небольшой, но вероятность, что это различие случайно, равнялась одной квадриллионной. И каким бы образом мы ни обсчитывали данные, результат оставался именно таким. Эта разница должна была появиться, если неандертальцы скрещивались с предками неафриканского населения, но не с предками африканцев.

Как мы не верили в собственные результаты

Полученный вывод нас не устраивал, потому что он противоречил научным представлениям того времени – представлениям, которых строго придерживалось большинство членов нашей команды. Пэабо после аспирантуры работал в той лаборатории, где в 1987 году было доказано, что древнейшее разделение человеческих митохондриальных линий произошло в Африке, а это решительное свидетельство в пользу африканского происхождения современных людей. Сам Пэабо в 1997 году показал, что неандертальская мтДНК далеко отстоит от диапазона изменчивости современной человеческой мтДНК, тем самым укрепив гипотезу чисто африканского происхождения современных людей19.