Какие доказательства свидетельствующие в пользу гипотезы моноцентризма

От Редактора: Публикуем выступление Александра Маркова на 2-м заседании Клуба АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ, состоявшемся 26 февраля 2011 года в Государственном Дарвиновском музее.

Спор о происхождении современного человечества между моноцентристами и полицентристами продолжается уже много десятилетий. Крайние варианты конкурирующих точек зрения показаны на слайде 1.

Слайд 1. Спор моноцентристов с полицентристами

Этот спор временами становился очень ожесточенным. В конце января нынешнего года в журнале Science вышла небольшая обзорная статья Энн Гиббонс об этом споре, где приводятся примеры неполиткорректных высказываний, допускавшихся спорящими сторонами в адрес оппонентов. Включая такие, например, цитаты: «отчаянная попытка Стринджера отстоять свою точку зрения» или «внимание к неудобным деталям никогда не было частью стиля Уолпоффа».

Конца этому спору не было видно, потому что, по-видимому, только на основе данных археологии и антропологии окончательно решить этот вопрос было невозможно.

Ситуация начала меняться, когда к работе подключились популяционные генетики. В 80-е годы на основе сравнительного анализа митохондриальной ДНК и Y-хромосом современных людей было показано, что все современное человечество происходит от небольшой популяции, жившей в восточной Африке 160-200 тыс лет назад (Cann et al., 1987). Затем в какой-то момент небольшая группа сапиенсов вышла из Африки, и от этой группы впоследствии произошло все современное внеафриканское человечество. С этим сегодня никто не спорит. Главный вопрос в том, только ли от них оно произошло. Смешивались ли африканцы по мере своего расселения с местными евразийскими популяциями или просто вытеснили их?

Тогда же в конце 80-х появилась в научной печати и в СМИ «митохондриальная Ева» и «Y-хромосомный Адам». Эти результаты были восприняты очень бурно, хотя на самом деле ничего удивительного нет ни в Адаме, ни в Еве. Любые гомологичные участки ДНК где-нибудь в прошлом неизбежно сходятся в одну точку, то есть в одну предковую молекулу ДНК. И эта точка вовсе не должна совпадать с моментом возникновения вида. Более того, если брать разные гомологичные участки ДНК, каждый из них даст свою, отличную от других «точку схождения». На этом слайде иллюстрируется неизбежность появления митохондриальной Евы за счет чисто случайных процессов – генетического дрейфа.

Так или иначе, именно из-за этих результатов по мтДНК и У-хромосоме, в течение почти двух десятилетий (с конца 1980-х до второй половины 2000-х) явный перевес был на стороне моноцентристов. Правда, нельзя сказать, что все популяционные генетики это поддерживали. На самом деле когда пытались восстановить картину не по мтДНК, а по ядерным генам, результаты часто получались другие, указывающие на гибридизацию вышедших из Африки сапиенсов с местными евразийскими популяциями.

Например, американский генетик Алан Темплтон еще в 2005 проанализировал изменчивость и географическое распределение нескольких ядерных генов и пришел к картине, которая показана на  слайде 4.

Еще один пример: изучение полиморфизма людей по гену Microcephalin, который влияет на рост мозга, показало, что так называемые D-аллели гена Microcephalin, по-видимому, попали в генофонд Homosapiens в результате эпизодического скрещивания с другой человеческой популяцией около 37 тысяч лет назад. В последствии эта группа аллелей очень быстро распространилась, вероятно, под действием отбора.

Тем не менее все эти свидетельства как-то затмевались результатами анализа мтДНК. И господствующей точкой зрения оставался строгий моноцентризм.

Начиная с конца 1990-х годов к спору подключилась новая удивительная научная дисциплина, сама возможность которой многим еще недавно казалась нереальной. Начались работы по изучению ДНК древних людей.

На слайде 5 показаны основные вехи развития палеогенетики неандертальцев. В 1997 году был отсеквенирован первый небольшой фрагмент неандертальской мтДНК. Позже стали секвенировать и полные мт-геномы. Поначалу эти данные лишь укрепили позиции моноцентристов, потому что мтДНК у всех неандертальцев оказалась сильно отличающейся от нашей. Это был новый и очень весомый аргумент в пользу отсутствия гибридизации сапиенсов с неандертальцами.

Конечно, все понимали, что хорошо бы получить ядерный геном, но на тот момент это было не реально. Ситуация изменилась после того, как были прочтены геномы современного человека и шимпанзе и были отработаны новые, гораздо более эффективные методики выделения и секвенирования ДНК.

Сванте Пяабо из Института эволюционной антропологии в Лейпциге после долгих поисков по различным музеям нашел в Загребе (Хорватия) образцы неандертальских костей, в которых сохранилась древняя ДНК и которые почти не были загрязнены ДНК современного человека. Кости принадлежали неандертальцу – как тогда думали, мужчине, проживавшему на территории нынешней Хорватии 38 тысяч лет назад.

Часть материала Пяабо передал группе американских коллег под руководством Эдварда Рубина. Американские и немецкие исследователи воспользовались разными методами и в 2006 году одновременно опубликовали свои первые результаты в журналах Nature и Science (Green et al., 2006; Noonan et al., 2006). Главный вывод обеих статей состоял в том, что прочтение полного генома неандертальца является выполнимой задачей.

На тот момент удалось прочесть множество отдельных фрагментов ядерного генома неандертальца. Суммарная длина прочтенных фрагментов составляла примерно 0,04% полного генома. Было объявлено, что геномы H.sapiens и H.neandertalensis идентичны на 99,5% или более (по последним данным – на 99,84%). Германская группа на тот момент не обнаружила свидетельств гибридизации между нашими видами. Американцы же сообщили, что им удалось найти кое-какие признаки такой гибридизации.

Главное, стало ясно, что прочтение полного неандертальского генома в принципе возможно. Это был величайший прорыв, ведь еще в конце 1990-х годов мало кто из экспертов верил, что у палеогенетики есть будущее.

Перед исследователями встало множество технических проблем, главные из которых – это бактериальные и человеческие загрязнения, а также посмертные мутации. В ископаемых молекулах ДНК со временем Г (гуанин) может превратиться в А (аденин), а Ц (цитозин) — в урацил, который в ходе секвенирования будет прочтен как Т (тимин). И поначалу прочтенные неандертальские последовательности были очень «грязными».

Хуже того: вскоре после публикации этих первых статей американская группа выяснила, что найденные ими «признаки гибридизации» на самом деле – результат загрязнения проб фрагментами современной человеческой ДНК!

Технические трудности задержали выполнение проекта, но все-таки не смогли его остановить. Вместо запланированных двух лет на «черновое» прочтение неандертальского генома ушло почти четыре года,

В 2009 году Пяабо сообщил, что геном неандертальца в общих чертах прочтен. Проект обошелся всего в 6,4 млн долларов — еще несколько лет назад такая стоимость показалась бы фантастически низкой. Но официальной публикации полученных результатов пришлось ждать еще около года: нужно было завершить компьютерную обработку данных. По ходу дела выяснилось, что кости, из которых взяли ДНК, принадлежат не одному мужчине, как считалось, а двум женщинам.

Речь идет пока только о «черновом» прочтении. В полученной последовательности много пробелов и ошибок. Чтобы полностью исключить возможность ошибок, возникающих из-за посмертных изменений ДНК, каждый участок генома следовало бы прочесть несколько раз. Однако пока удалось прочесть всего 4 млрд пар нуклеотидов, что лишь ненамного превышает размер полного генома неандертальца и современного человека. Некоторые участки прочтены по нескольку раз, зато другие пока не прочтены вовсе. Пяабо считает, что более или менее качественную последовательность удалось пока получить примерно для 60% генома. Однако исследователи не собираются останавливаться на достигнутом. В течение «нескольких ближайших лет» они намерены получить полную геномную последовательность неандертальца, сравнимую по качеству с прочтенным геномом шимпанзе.

К 2009 году стало ясно, что различия в аминокислотных последовательностях белков между неандертальцем и сапиенсом затрагивают от 1000 до 2000 аминокислот (примерно одна аминокислотная замена на 10–20 белков). Для сравнения, от шимпанзе нас отличает около 50 тысяч аминокислотных замен (в среднем 2–3 замены на белок). Количество различий в некодирующих участках генома пока не подсчитано.

Подтвердился сделанный ранее (на основе прочтения небольших фрагментов генома) вывод об идентичности гена FOXP2 у современного человека и неандертальца. Этот ген тесно связан с речью, поэтому данный факт можно рассматривать как аргумент в пользу того, что неандертальцы умели говорить. Не подтвердилась теория, согласно которой сапиенсы получили от неандертальцев один из вариантов гена microcephalin, о котором я упоминал. В прочтенном геноме неандертальца этот вариант гена microcephalin не обнаружен. Впрочем, теоретически сохраняется возможность, что ген был получен сапиенсами не от европейских, а от азиатских неандертальцев.

В 2009 году Пяабо все еще утверждал, что никаких признаков гибридизации сапиенсов с неандертальцами обнаружить не удается.

Долгожданная статья с официальными результатами анализа полного неандертальского генома появилась лишь в мае 2010 года. Эти результаты стали неожиданными не только для публики, но и для самих исследователей. Несмотря на собственную предвзятость, генетики доказали, что древние сапиенсы всё-таки скрещивались с неандертальцами (Green et al., 2001; Burbano et al., 2010).

Геном неандертальцев и современных людей отличается на 0,16%. Удалось выловить некоторые генетические особенности, которые, возможно, определяют нашу сапиентную «уникальность» — в первую очередь это те детали генома, которые у неандертальца и шимпанзе одинаковы, а у нас отличаются.

На слайде перечислены некоторые гены, которые, вероятно, находились под действием положительного отбора в сапиентной линии после ее отделения от предков неандертальцев:

Функции генов, изменившихся в сапиентной линии, связаны с как раз с такими вещами, которые, наверное, и отличают нас от неандертальцев: внешний вид (кожа, волосы, пигментация), энергетический обмен (адаптация к разным климатическим условиям), работа мозга.

Самые замечательные результаты были получены при сравнении генома неандертальца с полными геномами пяти современных людей — француза, китайца, жителя Новой Гвинеи и двух африканцев из Южной и Западной Африки. Сенсация состоит в том, что геном неандертальца оказался больше похож на геномы европейцев, азиатов и папуасов, чем на геномы африканцев. Геном неандертальца сравнивали с парами геномов современных обитателей разных частей света. Авторы выбирали для сравнения только те нуклеотидные позиции, которые в одном из сравниваемых современных геномов находились в «примитивном» состоянии (как у шимпанзе), а во втором были изменены, т.е. находились в «продвинутом» состоянии. Оценивалось число продвинутых аллелей, общих для неандертальца и одного из двух современных людей. Оказалось, что у неандертальцев существенно больше общих продвинутых аллелей с европейцем, китайцем и папуасом, чем с двумя африканцами. Это говорит о гибридизации с неандертальцами, которая затронула евразийские популяции сапиенсов, но не коснулась африканцев. Причем все евразийские популяции несут примерно одинаковый процент неандертальских генов: около 2,5%.

Предположительный сценарий мог быть следующим. Первая встреча неандертальцев с сапиенсами могла произойти около 120 – 80 тысяч лет назад в Передней Азии. Там есть соответствующие археологические находки.

Когда сапиенсы стали расселяться с Ближнего Востока, они уже несли в себе неандертальские гены. Впоследствии они еще не раз встречались с неандертальцами, но, по-видимому, больше не скрещивались с ними. Например, если бы сапиенсы скрещивались с европейскими неандертальцами, то в геномах современных европейцев было бы больше неандертальских примесей, чем в геномах китайцев или папуасов. Но этого не наблюдается: у жителей разных районов Евразии процент неандертальских генов примерно одинаков. Это указывает на единичный и недолгий период гибридизации, имевший место после выхода сапиенсов  из Африки, но до начала их широкого расселения по Евразии.

Итак, следы древних смешанных браков остались в генах современных людей. Так что теперь нельзя утверждать без некоторых оговорок, что неандертальцы полностью вымерли. Кроме того, теперь мы знаем, что чистокровные сапиенсы – это только население Африки к югу от Сахары. Все прочие – слегка метисы.

Также в прошлом году палеогенетика позволила сделать еще одно сенсационное открытие. Из фаланги мизинца возрастом от 30 до 50 тысяч лет, найденной в Денисовой пещере на Алтае, удалось выделить ДНК и прочесть сначала митохондриальный, а потом и ядерный геном. Я не буду подробно на этом останавливаться, поскольку наше заседание посвящено неандертальцам. Но основной вывод состоит в следующем (Слайд 9).

Кроме сапиенсов и неандертальцев существовала еще одна человеческая популяция, которую назвали «Денисовцами». Денисовцы чуть ближе к неандертальцам, чем к нам. На этом слайде показана реконструкция истории этих трех популяций по данным из статьи с описанием полного генома Денисовца, которая вышла в конце минувшего года.

Предки сапиенсов отделились от предков неандертальцев и денисовцев в момент времени tv (от 270 и 440 тысяч лет назад). Затем денисовцы отделились от неандертальцев (tD). Еще позже часть сапиенсов вышла из Африки в Юго-Западную Азию (tAfr). Здесь они скрещивались с неандертальцами (поток генов от неандертальцев к предкам современных евразийцев, f1).

Значительно позже какие-то популяции сапиенсов скрещивались с денисовцами (поток генов f2). Эти популяции стали предками современных меланезийцев, то есть жителей Новой Гвинеи и островов к востоку от нее. Эта гибридизация не затронула остальные популяции сапиенсов. Примесь денисовских генов обнаружена только у меланезицев.

Геномы жителей Евразии содержат 2,5±0,6% неандертальских генов, а геномы меланезийцев вдобавок к неандертальским имеют еще 4,8±0,5% денисовских генов.

Таким образом, достижения палеогенетики неожиданно позволили во многом разрешить конфликт между моноцентристами и полицентристами, то есть нашелся выход их тупика, в котором оказалась эта долгая дискуссия. Похоже на то, что подтверждается некий промежуточный, компромиссный вариант – модель, которую называют сейчас Leaky replacement, «замещение с протечкой». То есть африканские сапиенсы действительно пришли и всех вытеснили, но не полностью, и все-таки небольшая примесь генов древних евразийских человеческих популяций просочилась в генофонд внеафриканского человечества.

Та обзорная статья в Science, о которой я упоминал в начале своего сообщения, которая вышла 28 января, завершается оптимистичным высказыванием одного из активных моноцентристов, британского антрополога Стринджера. Он отмечает, что вражда между двумя лагерями сейчас резко уменьшилась, и все очень довольны, потому что каждая из спорящих сторон считает, что она-то и оказалась правой.

• Скачать презентацию
• О 2-м заседании Клуба “АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ”