|
www.vigg.ru
Наша история, записанная в ДНК.
Н.К.Янковский, С.А.Боринская
Платон очень
гордился своим определением человека: двуногое без перьев. Оно имело большой
успех, пока Диоген Киник, ощипав петуха, не изготовил ему наглядное пособие.
Со времен Платона и Диогена появилось немало новых определений, в том числе
основанных на описании свойств молекулы ДНК.
Для
дальнейшего изложения важно представить себе молекулу ДНК как текст,
определяющий многие наши особенности как биологического вида. В основе
отличий человека от других видов лежат особенности его генетического текста.
Текст этот записан последовательностью из молекулярных "букв"
-нуклеотидов. в генетическом "алфавите" всего четыре
буквы-нуклеотида - А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). Общая
длина текста, получаемого от каждого из родителей - три миллиарда букв.
Отличия
генетического текста человека от текстов близкородственных видов не так уж и
велики. Например, в сходных генах человека и шимпанзе обычно одинаковы 99 из
100 букв. А два человека (если они не однояйцевые близнецы) отличаются друг в
среднем только одной буквой генетического текста из тысячи. Именно с этими
отличиями связаны наследуемые индивидуальные особенности каждого человека.
В
последние несколько лет изучение разнообразия генетических текстов людей
стало одной из самых популярных областей науки. Здесь есть чисто практический
интерес - с генетическими особенностями связано здоровье человека, и в их
изучение фармацевтические компании вкладывают огромные средства. Вложения
обещают отдачу в ближайшие десятилетия в виде разработки и введении в повседневную
практику принципиально новых методов диагностики и лечения.
Есть и
другой аспект таких генетических исследований - они позволяют
реконструировать события давнего прошлого, восстановить пути миграций и
историю возникновения современных народов и самого вида Homo sapiens. Эти
исследования привели к появлению новых направлений науки - молекулярной
антропологии и палеогеномики.
Молекулярные
часы и филогенетическое дерево
Идея о
том, что скорость накопления мутаций может быть достаточно постоянна для
того, чтобы использовать ее для датировки событий эволюционной истории как
своего рода "молекулярные часы", была высказана Лайнусом Полингом и
Эмилем Цукеркандлем в 60-х гг. [Zuckerkandl E, Pauling L. 1965] при изучении
различий аминокислотной последовательности белка гемоглобина у разных видов
животных. Позже, когда были разработаны методы чтения нуклеотидных
последовательностей, скорость накопления мутаций была установлена при
сравнении ДНК тех видов, время расхождения которых было хорошо установлено по
ископаемым останкам.
Метод
"молекулярных часов" приложим и к изучению событий эволюционной
истории человека. Особенно широко используют для этих целей митохондриальную
ДНК (мтДНК) и Y-хромосому. Остальные хромосомы при передаче потомству
проходят процесс рекомбинации - обмена сходными кусками генетического текста.
В результате в каждой хромосоме возникают новые комбинации мутаций, не
существовавшие в хромосомах родителей. Наличие рекомбинации делает анализ
процесса накопления мутаций очень трудоемким.
В
отличие от остальных хромосом Y-хромосома передается только по мужской линии
- от отца к сыну, и, так как имеется в геноме мужчин в единственной копии, ни
с чем не рекомбинирует (за исключением небольших участков на концах
хромосомы, что не влияет на анализ нерекомбинирующей части). Все изменения
генетического текста Y-хромосомы связаны с накоплением мутаций из поколения в
поколение. Отсутствие рекомбинации приводит к тому, что, раз появившись,
мутации сохраняются на протяжении тысяч поколений, маркируя тем самым
Y-хромосому всех потомков того индивида, в ДНК которого эта мутация
появилась. Современные мужчины, имеющие одинаковые мутации в Y-хромосоме,
восходят к общему предку по мужской линии. Очевидно, что родные братья
получают от отца тексты Y-хромосомы с одинаковыми мутациями, то есть они
относятся к одной линии Y-хромосом. Однако если у одного из братьев
произойдет мутация, которую он передаст своим сыновьям, то здесь линии
наследования разойдутся на две ветви.
Сейчас созданы
базы данных, содержащие информацию о мутациях в Y-хромосомах десятков тысяч
людей, принадлежащих сотням народов, населяющих все уголки земли. Современные
методы генетического и статистического анализа больших выборок Y-хромосом
позволяют установить порядок возникновения мутаций и тем самым нарисовать
филогенетическое древо, описывающее родственные связи всего человечества по
мужской линии. Чем раньше возникла мутация, тем ближе к корню она
располагается на этом древе, и тем больше ветвей будут ее содержать. Так как
материал, доступный для исследователя - это ДНК полученная от ныне живущих
людей, то структура дерева воссоздается от концов ветвей к корню.
При
известной скорости накопления мутаций в расчете на поколение, число мутаций,
различающих двух людей, можно перевести в абсолютное время, прошедшее со
времени разделения ведущих к ним генетических линий. То есть установить,
когда жил последний общий предок этих двух людей.
Для
выявления женских линий наследования аналогичную рабту проводят с мтДНК. При
оплодотворении спермий не передает свои митохондрии яйцеклетке, и плод любого
пола получает мтДНК только от матери. Митохондриальная ДНК - просто подарок
природы молекулярным биологам. Это очень маленькая - по сравнению с ДНК
хромосом - молекула. Размер ее у человека - 16500 пар нуклеотидов. В каждой
клетке содержится до нескольких десятков тысяч копий молекул мтДНК, в отличие
от ядерных генов, большинство которых представлено одной (в Y-хромосоме) или
двумя копиями (в остальных хромосомах). Кроме того, молекула мтДНК -
кольцевая, а колцевые молекулы нуклеиновых кислот более стабильны, чем
линейные. Именно эти ее особенности позволили исследователям прочесть мтДНК
из останков древних людей, в том числе и неандертальцев.
Для
построения филогенетического древа по материнской линии достаточно определить
последовательность нуклеотидов небольших (около 400 пар нуклеотидов),
наиболее быстро мутирующих фрагментов мтДНК. Другой метода анализа -
определение изменений в участках ДНК, распознаваемых ферментами
рестриктазами. Для большей точности используют комбинацию этих двух методов.
При исследовании отцовской линии используют около полутора-двух десятков
изменчивых участков ДНК (они называются SNP- и STR-маркеры) в Y-хромосоме,
размер которой составляет 60 000 пар оснований. Так как технически проводить
исследования мтДНК проще, поэтому они были начаты раньше, чем исслеодвания
Y-хромосомы.
Митохондиальная
"Ева"
Первые
получившие известность исследования мтДНК представителей разных выявили
общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. Эти
исследования были проведены в 1987 г. Аланом Уилсоном и его коллегами из
Калифорнийского университета в Беркли [Cann et al., 1987]. Они получили мтДНК
от 147 представителей различных рас. Группа Уилсона установила количество
мутаций, различающих каждого из исследованных индивидов, а также координаты и
тип этих мутаций в исследуемом фрагменте молекулы ДНК. Анализ показал, что
все мтДНК можно представить как происходяшие от одной предковой последовательности.
По степени разнообразия мтДНК обследованных людей Уилсон оценил время,
прошедшее с тех пор, когда существовала предковая последовательность. Это
время вычисляется как время схождения всех линий мтДНК в одну точку,
называемую точкой коалесценции. В соответствии с его выводами, общая
"праматерь", к которой восходят все типы мтДНК современных людей,
жила в Восточной Африке менее 200 тысяч лет назад. Последовательность
возникновения мутаций в поколениях предков у обследованных индивидов установить
в то время было еще не возможно, но такой анализ, проведеный в последние
годы, подтвердил основные выводы работы Уилсона (рис. 1).
Вопрос
о прародине человечества был одним из наиболее дискутируемых в последние
десятилетия. Часть ученых предполагала, что человек возник в одном из
регионов мира - наиболее часто упоминалась Африка, - и затем расселился по
всей земле. Другая точка зрения - так называемая мультирегиональная гипотеза
предполагает, что что наш предковый вид Homo erectus превратился в Homo
sapiens в различных точках земного шара независимо. С появлением молекулярных
данных африканская гипотеза получила значительный перевес. Работа Уилсона
приобрела широкую известность.
Обладательницу
предковой мтДНК тут же окрестили "митохондриальной Евой", что породило
неверные толкования - будто все человечество произошло от одной женщины. На
самом деле линии мтДНК современниц "Евы", несомненно
существовавших, до нашего времени не дошли. И произошло это не потому, что
"Ева" была особенной. Собственно, концепция молекулярных часов
построена на предположении о нейтральности большинства мутаций, то есть
подразумевает, что ничем особенным от соплеменниц "Ева" не
отличалась. Просто генетическое разноообразие в популяции всегда уменьшается,
если в череде поколений случаются резкие падения численности группы, а это не
раз происходило в истории человечества. Так что со временем все другие линии,
кроме одной, были утрачены по статистическим причинам.
Пока
люди живут вместе, появляющиеся у них мутации распространяются по всей
группе. Если же группы разделились, процесс накопления мутаций идет в них
независимо. Число накопленных различий между группами пропорционально
времени, прошедшему с момента их разделения. Это позволяет датировать события
популяционной истории. На основе изучения мтДНК населения разных регионов
мира удалось установить пути и даты основных миграций прекрасной половины
человечества.
Восстановление
популяционной истории человечества по Y-хромосоме показало (к большой радости
генетиков), что "Адам" - предок современных мужчин по мужской линии
- жил примерно там же, где и "Ева". Хотя данные, полученные при
анализе вариаций в Y-хромосоме, менее точны , они также указывают на
африканское происходение человека и существование единой предковой для современного
человечества популяции (рис. 2 ).
Молекулярные
датировки времени разделения этой группы на ветви, ведущие к современным
популяциям, зависят от используемых методов оценки, и по даным разных авторов
колеблются от 30-40 тысяч лет назад (что противоречит палеонтологическим
данным) до 180 тыс. лет назад. Наиболее вероятным периодом считается период
от 57 до 135 тысяч лет назад [Zhivotovsky, 2001].
Гипотеза
африканского происхождения человека получила подтверждения в ряде независимых
исследованиях. Особый интерес вызвали работы по изучению населения Южной и
Восточной Африки - бушменов и готтентотов. Их языки содержат щелкающие звуки,
нигде больше не встречающиеся, и относятся к так называемой койсанской группе
(комбинация слов "кой-койн" - самоназвание готтентотов и
"сан" - название бушменов [Schultze, 1928]), обособленно стоящей в
системе языков мира. Они значительно отличаются от остальных африканских
народов, в том числе и от своих соседей банту, не только лингвистически, но и
антропологически: у них более светлая кожа, узкий нос, женщин бушменов
отличает стеатопигия - избыточное отложение жира на ягодицах, а мужчин -
особое строение половых органов. Отличия проявляются и в мтДНК: у бушменов в
этом фрагменте есть мутация, появившаяся одной из первых после возникновения
человека как вида [Vigilant et al., 2000]. В Y-хромосоме у некоторых бушменов
также присутствует древняя мутация, не встречающаяся ни у кого из
обследованных людей в других частях света, но найденная у обезьян. Мутация в
этом фрагменте ДНК возникла, вероятно, еще до разделения предковых линий
человека и шимпанзе (5-7 млн лет назад) и непрерывно поддерживалась в части
популяции предков и человека и шимпанзе. Возможно, сохранение этой мутации
только у бушменов указывает на то, что их предки в определенной момент
истории человечества были более многочисленными, чем предки всех остальных
ныне живущих людей, и заселяли значительную часть африканского континента. На
это указывают и результаты исследования костных останков людей в Африке - они
сходны по типу с современными представителями койсанской группы. Впоследствии
они были оттеснены на юг бантуговорящими племенами.
Интересно,
что различия между популяциями в разных регионах мира по Y-хромосоме оказались
в несколько раз выше, чем по мтДНК. Это свидетельствует о том, перемешивание
генетического материала по женской линии происходит более интенсивно, то есть
что уровень миграции женщин превышает (почти на порядок) уровень миграции
мужчин [Seielstad et al., 1998]. И хотя эти данные на первый взгляд могут
показаться удивительными - путешествия всегда считались прерогативой мужчин,
- они могут объясняться тем, что для большинства человеческих обществ
характерна патрилокальность. Обычно жена переходит жить в дом мужа. Брачные
миграции женщин оставили более заметный след на генетической карте
человечества, чем дальние походы Чингиз-Хана или Атиллы [Stoneking, 1998].
Исследования
ДНК неандертальцев
В 1997 г.
генетику Сванте Пэбо [Krings et al., 1997] удалось прочесть участок мтДНК,
выделенной из останков неандертальца, найденного в 1856 г. в Фельдгоферовской
пещере близ Дюссельдорфа в Германии. Летом 2000 года появилось сообщение
другой группы ученых об исследовании второго образца неандертальской мтДНК,
выделенной из останков скелета ребенка, найденного в пещере Мезмайская на
Северном Кавказе [Ovchinnikov et al., 2000] (рис. 3).
Во
втором случае останки точно датированы радиоуглеродным методом - им 29 000
лет. Это представитель одной из последних живших на Земле групп
неандертальцев.
Неандертальцы
представляли собой группу гоминид, предки которых вышли из Африки раньше, чем
предки людей современного типа. Неандертальцы населяли Европу и Западную Азию
в период от 300 000 до 28 000 лет назад. Часть этого времени они
сосуществовали с человеком современного анатомического типа, расселившимся в
Европе около 40 000 лет назад. Ранее на основе морфологического сравнения
неандертальцев с человеком современного типа, было выдвинуто три гипотезы: 1)
неандертальцы были прямыми предками человека; 2) они внесли некоторый
генетический вклад в генофонд Homo sapiens; 3) они были независимой ветвью и
полностью были замещены человеком современного типа, не внося генетического
вклада.
Результаты
молекулярно-генетических исследований свидетельствуют в пользу третьей
гипотезы. Обе неандертальских мтДНК имеют общие отличия от мтДНК людей.
Отличия нуклеотидных последовательностей неандертальцев от мтДНК человека
выходят за границы внутривидового разнообразия H.sapiens. Это говорит о том,
что неандертальцы представляют генетически отдельную, хотя и
близкородственную человеку ветвь. Время существования последнего общего
предка человека и неандертальца оценивается по числу различий между мтДНК как
500 000 лет. По палеонтологическим данным, предки неандертальцев появились в
Европе около 300 тыс. лет назад. То есть разделение генетических линий,
ведущих к человеку и неандертальцу, должно было произойти раньше этой даты,
что и показывают датировки по мтДНК. Общая схема эволюции человека и
неандертальца, построенная с учетом палеонтологических и генетических данных,
представлена на рис. 4.
Неандерталец
эволюционировал в Европе одновременно с эволюцией предков современного
человека в Африке. Известно, что 40-50 тысяч лет назад человек соврменного
типа расселился по Европе, а 28 тысяч лет назад вымерли неандертальцы.
Неизвестно, какова связь этих событий - проиграл ли неандерталец в
конкуренции с человеком, или его вымирание связано с другими причинами.
Волны
миграций и заселение континентов
Считается,
что циклические изменения климата, происходившие с интервалом в десятки тысяч
лет, играли существенную роль в эволюции и распространении всех видов, в том
числе и человека. В периоды похолодания нарастала масса континентальных
ледников, природно-климатические зоны сдвигались на юг, уровень моря и озер
снижался на сотнию метров (так как вода уходила в ледники); увеличивалась
площадь пустынь, съеживались тропические леса. В период наступления ледника в
Европе обитаемые зоны и численность животных сокращалась, сплошное
"море" жизни распадалось на отдельные "озера". В Африке
аридизация приводила к расширению Сахары, которая закрывала "выход"
африканских видов в Азию.
За этим
следовало таяние льдов, повышение уровня моря и более теплый межледниковый
период. В периоды потепления происходило повышение численности и разнообразия
живых форм, расселение видов на пригодные для жизни территории - из Африки в
Азию и Европу через Суэцкий перешеек и в Европе на освободившиеся из-под
ледника территории. Таким образом, контакты африканской и евразийской биоты
определялись глобальными циклами потепления-похолодания. Эти циклические
изменения приводили к значительным изменениям растительности, а также ареалов
обитания и численности фауны всего Земного шара.
Исследование
генетического разнообразия современных людей показало, что оно значительно
ниже, чем, например, у наших ближайших родственников в мире животных
шимпанзе. Это указывает на то, что человек как вид значительно позже шимпанзе
прошел через "бутылочное горлышко" - резкое падение численности
популяции и/или это падение численности было в случае человека гораздо более
существенным, чем при видообразовании шимпанзе.
Различные
группы генетиков пришли к выводу, что на протяжении последнего миллиона лет
численность прямых предков человека колебалась от 40 до 100 тысяч.. В период
прохождения "бутылочного горлышка" около 130 тысяч лет назад
произошло значительное снижение генетического разнообразия вида, так как
общая численность предков человека сократилась до 10 тысяч индивидов и
носители многих генетических вариантов исчезли [Takahata, Satta , 1997]. Для
сравнения - численность ныне живущих шимпанзе (а этот вид считается
находящимся под угрозой исчезновения) составляет 100-200 тысяч особей.
Результаты
сравнительных исследований мтДНК разных популяций современных людей позволило
выдвинуть предположение , что еще до выхода из Африки, около 60-70 000 лет
назад (в этот период также наблюдалось снижение численности, но не столь
значительное, как предыдущее) предковая популяция разделилась по крайне мере
на три группы, давшие начало трем расам - африканской, азиатской и
европейской [Lahr et al., 1998].
Часть
расовых признаков, возможно, возникла позже (как адаптация к условиям
обитания). Это относится, по крайней мере, к цвету кожи у разных рас - то
есть к одному из наиболее значимых для большинства людей расовых признаков.
Степень пигментации у человека генетически задана, и, вероятно, в каждой
популяции она соответствует географической широте обитания. Пигментация
обеспечивает защиту от повреждающего действия солнечного облучения, но не
должна препятствовать получению минимальной дозы облучения, необходимой,
например, для образования некоторых витаминов, предотвращающих рахит и
необходимых для нормальной плодовитости [Jablonski, Chaplin, 2000]. Предки
человека утратили сплошной волосяной покров, свойственный всем ныне живущим
приматам. А приматы (если их побрить) - все белые, и лишь открытые солнцу участки
( лицо, кисти) у них сильно пигментированы. Можно предположить, что после
утраты волосяного покрова предки человека также сначала не были темнокожими.
На
основе генетических данных постепенно проясняется картина заселения Азии,
Европы и Америки. В недавно опубликованных работах определены частоты древних
типов мтДНК и Y-хромосом, принесенных в Европу первыми поселенцами 40-50
тысяч лет назад, и других, распространившихся позже, в том числе и тех,
которые отражают экспансию земледельческих племен из плодородного полумесяца
на Ближнем Востоке 9 тысяч лет назад. И здесь генетические данные пролили
свет на еще один вопрос, также вызывавший на протяжении многих лет горячие
дискуссии.
Как
распространяется культура? Происходит ли передача традиций, технологий и идей
при контакте людей разных культур (концепция культурной диффузии), или
традиции и культурные навыки путешествуют по миру только вместе со своими
носителями, и смена культуры происходит одновременно со сменой населения
(концепция демической диффузии)?
До
недавнего времени преобладала концепция демической диффузии. Считалось, что
земледельцы пришедшие в Европу из Малой Азии около 10 тысяч лет назад, дали
основной вклад в генофонд современных европейцев, вытеснив проживавшие в
европе палеолитические популяции [Cavalli-Sforza, 2000]. Однако опубикованые
в прошлом году, он уже общепризнанные работы [Richards et al., 2000;
Underhill P. et al., 2000] показали, что генетический вклад
"мигрантов"-земледельцев составляет в современном населении Европы
не более 10-20%. То есть появление относительно небольшого числа земледельцев
привело к тому, что палеолитическое население Европы восприняло привнесенные
технические инновации, и в результате на всей европейской территории сменился
тип хозяйства и культуры.
Генетическое
разнообразие народов России
В
России иследования генетического разнообразия видов имеют очень давнюю
традицию, восходящую к работам основателей отечественной генетики А.С. Серебровского
и С.С. Четверикова, проведеным в 20-х годах теперь уже прошлого столетия.
Крупнейшим итогом популяционно-генетических иследований человека, проведеных
в 80-х -90-х годах, является пятитомное издание "Генофонд и
геногеография народонаселения" под общей редакцией профессора
Ю.Г.Рычкова из Института Общей генетики РАН [Рычков и др., 2000] . Его труды,
проведенные в рамках фундаментальных научных программ РАН, РФФИ, программы
"Приоритетные направления генетики" и сейчас лежат в основе принципов
подбора материала для современных исследований и формирования исходных
гипотез, проверяемых новейшими методами секвенирования ДНК и последующего
анализа данных методом медианных сетей. В рамках российской программы
"Геном человека" ряд лабораторий (с участием лаборатории авторов
этой статьи в ИОГен РАН) проводят исследования генетического разнообразия
народов Европейской части России [Orekhov et al., 1999; Orekhov et al., 2000;
Rootsi S. et al., 2001].
Линии
мтДНК, принесенные в Европу в эпоху палеолита около 40-50 тыс лет назад,
составляют сейчас значительную часть мтДНК людей, населящюих территории от
северо-запада Европы до Уральских гор. Наиболее четкие различия, которые
выявляются между разными линиями мтДНК это различия, указывающие на их
монголоидное или европеоидное происхождение. Нами были исследованы русские и
большинство народов населяющих Волжский бассейн и Урал. Мы показали, что по
материнской линии европеоидный компонент преобладает у всех исследованных
народов, кроме башкир.
Градиент
падения европеоидного компонента проходит примерно с Запада на Восток и не
коррелирует с языком, на котором говорят эти народы. У русских (население
Рязанской, Курской и Калужской областей), говорящих на языке индо-европейской
группы, 97-98% материнских линий являются европеоидными, а вклад
монголоидного компонента составляет 2-3%. Европеоидные линии преобладают
также и у народов, говорящих на языках финно-угорской группы (мари, удмурты,
коми) - от 80% до 94%, и у тюркоговорящих народов, проживающих в этом регионе.
Так, у татар 85% материнских линий являются европеоидными, а у чувашей таких
линий 90%. У их восточных соседей - башкир - преобладают монголоидные линии
(65%). То есть в данном регионе проходит современная граница волн расселения
европеоидов и монголоидов (рис. 5). Эта граница проходит географически
примерно по Уралу, а популяционно-генетически - между башкирами, обитающими
по обе стороны Уральского хребта, и их западными соседями татарами. Заметим,
что вклад европеиодных и монголоидных линий не коррелирует с языком, на
котором говорят эти народы.
Наши
исследования показывают и разнообразные детали формирования отдельных
народов. Например, монголоидные линии мтДНК у народов Волго-Уральского
региона имеют разное происхождение - часть их носителей появилась, вероятно,
из Сибири, а другая часть - из Центральной Азии. Сочетание выявленных нами
генетических линий образует мозаику, характеризующую каждый из народов,
населяющих территорию Волго-Уральского региона в настоящее время.
Проекты
изучения генетического разнообразия людей набирают силу во всех странах, в
том числе и в России. Они дают сведения, важные для здравоохранения и
реконструкции исторических событий. Сейчас известно, что многие мутации не
нейтральны, скорость накопления мутаций может быть различной для разных
участков ДНК и на разных этапах эволюции. Поэтому абсолютные даты, полученные
на основе молекулярных методов, могут достаточно сильно различаться в
зависимости от используемой системы анализа, и будут утоняться по мере
развития методов экспериментального анализа и теоретических инструментов
исследования. В заключение можно предположить, что сложившиеся к настоящему
времени представления об общей последовательности эволюционных и миграционных
событий в истории человечека как вида вряд ли сильно изменятся. Это, однако,
не исключает сюрпризов при выявления деталей формирования и взаимодействия
разных популяций, приводивших к возникновению и смене языков и культур.
Итогом таких исследований будет не только лучшее понимание причин,
определивших современную структуру народонаселения Земли на тех или иниых
территориях, но и предсказание тенденций этих процессов, что может быть
крайне важным для выработки стабильных и сбалансированных отношенй между
народами в будущем.
|
