Наша історія, записана в ДНК

Платон дуже пишався своїм визначенням людини: двоноге без пір'я. Воно мало великий успіх, поки кініки Діоген, ощіпав півня, не виготовив наочний посібник. З часів Платона та Діогена з'явилося чимало нових визначень, у тому числі заснованих на описі властивостей молекули ДНК.

Для подальшого викладу важливо уявити собі молекулу ДНК у вигляді тексту, що визначає багато наших особливості як біологічного виду. Текст цей записаний послідовністю з молекулярних літер - нуклеотидів. У генетичному алфавіті їх всього чотири: А (аденін), Т (тимін), Г (гуанін) і Ц (цитозин). Загальна довжина нуклеотидної послідовності, що отримується від кожного з батьків, - 3 млрд літер.

Генетичний текст людини мало чим відрізняється від текстів споріднених видів. Так, у східних генах людини і шимпанзе звичайно з 100 букв тексту 99 однакові. А у двох людей (якщо вони не однояйцеві близнюки) в середньому з тисячі тільки один нуклеотид інший. Саме з такими замінами пов'язані успадковані індивідуальні особливості кожної людини.

В останні кілька років вивчення різноманітності генетичних текстів (геномів) людей стало однією з найпопулярніших галузей науки. Тут є суто практичний інтерес: адже з генетичними особливостями пов'язане здоров'я людини. Сьогодні в геномні дослідження фармацевтичні компанії вкладають величезні кошти і сподіваються отримати віддачу в найближчі десятиліття у вигляді принципово нових методів діагностики та лікування.

Є й інший аспект таких розробок: вони дозволяють реконструювати події давнього минулого, відновити історію виникнення виду Homo sapiens і шляхи міграцій різних народів. Ці дослідження привели до появи нових напрямків науки - молекулярної антропології та палеогеномікі.

Молекулярні годинник і Філогенетичне дерево

Ще в 60-і роки Л. Полінг і Е. Цукеркандл висловили ідею, що швидкість накопичення мутацій досить постійна: її можна використовувати як свого роду молекулярні годинник еволюційної історії. Пізніше, коли з'явилися методи читання нуклеотидних послідовностей (секвенування), швидкість накопичення мутацій була встановлена при порівнянні ДНК тих видів, час розбіжності яких визначалося за палеонтологічними знахідок.

Метод молекулярних годин докладемо і до вивчення подій еволюційної історії людини. Тут зручним інструментом дослідження служить мітохондріальна ДНК (мтДНК) та Y-хромосома. Решта хромосоми при передачі потомству обмінюються подібними шматками генетичного тексту - рекомбінують. У результаті в кожній хромосомі виникають нові, відмінні від батьківських, комбінації, що істотно ускладнює аналіз накопичення мутацій.

Y-хромосома передається тільки по чоловічій лінії - від батька до сина. Вона присутня в геномі чоловіків в єдиній копії і тому ні з чим НЕ рекомбінує (за винятком невеликих ділянок на кінцях хромосоми, які не впливають на аналіз нерекомбінірующей частини). Раз з'явившись, мутації в Y-хромосомі зберігаються протягом тисяч поколінь, маркіруючи тим самим всіх нащадків індивіда, у якого вони спочатку виникли. Сучасні чоловіки, які мають однакові мутації в Y-хромосомі, походять від спільного предка по чоловічій лінії. Очевидно, що рідні брати, які одержали від батька Y-хромосоми з однаковими текстами, відносяться до однієї лінії. Проте якщо в одного з братів відбудеться мутація, яку він передасть своїм синам, лінії спадкоємства розійдуться на дві гілки.

Зараз створені бази даних, що містять інформацію про Y-хромосомах десятків тисяч людей з усіх куточків Землі. Сучасні методи генетичного та статистичного аналізу таких великих вибірок дозволяють встановити порядок виникнення мутацій і намалювати Філогенетичне древо, описує родинні зв'язки всіх людей по чоловічій лінії. Чим раніше виникла мутація, тим ближче до кореня дерева вона розташовується і тим більше гілок будуть її утримувати. Оскільки матеріал, доступний для дослідника, - це ДНК, отримана від наших сучасників, Філогенетичне дерево будується від-решт гілок до кореня.

При певній швидкості накопичення мутацій у розрахунку на одне покоління, число мутацій, що розрізняються двох людей, можна перевести в абсолютне час, що минув з моменту появи їх генетичних ліній, тобто встановити, коли жив останній загальний предок цих двох людей. При вивченні батьківській лінії аналізують близько півтора-двох десятків мінливих ділянок ДНК (SNP-і STR-маркери) в Y-хромосомі, розмір якої становить 60 тис. пар основ.

еволюційну історію жіночій лінії можна простежити за мітохондріальної ДНК (мтДНК). Пл будь-якої статі отримує її тільки від матері, оскільки в спермії немає мітохондрій. У порівнянні з ДНК хромосом це дуже маленька молекула - у людини всього 16 500 пар нуклеотидів. На відміну від ядерних генів, більшість яких створена одна (в Y-хромосомі) або двома копіями (в інших хромосомах), у кожній клітині міститься до декількох десятків тисяч копій молекул мтДНК. Крім того, ця молекула - кільцева, а, як відомо, такі молекули стабільніше, ніж лінійні. Саме ці особливості дозволили дослідникам прочитати мтДНК з рештків стародавніх людей, у тому числі і неандертальців. Можна вважати, що мітохондріальна ДНК - подарунок природи молекулярною біологам.

Для побудови філогенетичної древа по материнській лінії досить визначити послідовність нуклеотидів невеликих (близько 400 пар нуклеотидів) фрагментів, які зазнають мутації найбільш швидко. Інший метод аналізу - визначення змін в ділянках ДНК, які розпізнаються ферментами, рестріктазамі. Для більшої точності використовують комбінацію обох методів. Оскільки технічно вивчати мтДНК простіше, такі роботи були розпочаті раніше, ніж по Y-хромосомі.

"Мітохондріальна Єва"

Перші одержали популярність дослідження мтДНК представників різних рас виявили спільність походження всіх, що живуть нині людей по жіночій лінії. У 1987 р. А. Уілсон і його колеги з Каліфорнійського університету в Берклі отримали мтДНК від 147 представників різних рас [1]. У досліджуваному фрагменті вони визначили кількість індивідуальних мутацій, а також їх координати і тип. Аналіз показав, що всі мтДНК виникли від однієї предкової послідовності. За ступенем їх різноманітності Уілсон оцінив час, що минув з тих пір, як існувала предкової послідовність. Воно обчислюється як час сходження всіх ліній мтДНК в одну точку, яка називається точкою коалесценції. Відповідно до його висновками, загальна "праматір", до якої виходять всі типи мтДНК сучасних людей, жила в Східній Африці менш 200 тис. років тому. Встановити послідовність виникнення мутацій у поколіннях предків у обстежених індивідів тоді не вдалося, але роботи останніх років підтвердили висновки Уїлсона.

Питання про прабатьківщину людства дискутується не одне десятиліття. Частина фахівців вважала, що людина виникла в одному з регіонів світу (найбільш часто згадувалася Африка) і потім розселився по всій Землі. Інша дотримувалась так званої мультирегіональних гіпотези, згідно з якою предкової вид Homo erectus перетворився на Homo sapiens в різних точках земної кулі незалежно. З появою молекулярних даних значну перевагу отримала "африканська" гіпотеза.
                 Філогенетичне древо популяцій     

Після робіт Уїлсона володарку предкової мтДНК охрестили "мітохондріальної Євою". Це одразу породило невірні тлумачення - ніби все людство походить від однієї жінки. Насправді лінії мтДНК сучасниць "Єви", безсумнівно що існували, до нашого часу не дійшли. І сталося це не тому, що "Єва" була особливою. Концепція молекулярних годин побудована на припущенні про нейтральність більшості мутацій, тобто має на увазі, що нічим особливим від одноплемінника "Єва" не відрізнялася. Просто генетичне разноообразіе в популяції завжди зменшується, якщо в низці поколінь трапляються різкі падіння чисельності (проходження "пляшкового горлечка"). А таке в історії людства траплялося не раз. Так що з часом всі інші лінії, крім однієї, зникли за статистичними причин.

Поки люди живуть разом, що з'являються у них мутації поширюються по всій групі. Якщо ж групи діляться, мутації в них накопичуються незалежно. Число таких відмінностей між групами пропорційно часу, що пройшов з моменту їх розбіжності, що і дозволяє датувати події популяційної історії. На основі вивчення мтДНК населення різних регіонів світу вдалося з'ясувати шляхи і дати основних міграцій прекрасної половини людства.

Африканські предки

До великої радості генетиків реконструкція популяційної історії людства по Y-хромосомі показала, що "Адам" - предок сучасних чоловіків - жив приблизно там же, де і "Єва". Хоча дані, отримані під час аналізу Y-хромосоми, менш точні, ніж мітохондріальних, вони також вказують на африканське походження людини і єдину предкової популяцію. Молекулярні датування часу її поділу на гілки, що ведуть до сучасних популяціям, залежать від методів оцінки і, за даними різних авторів, коливаються від 30-40 тис. років тому (що суперечить палеонтологічними даними) до 180 тис. років тому. Як найбільш ймовірний називають період від 57 до 135 тис. років тому [2].

Гіпотезу африканського походження людини підтверджує низка незалежних досліджень. Особливо цікаві роботи з вивчення народів Південної і Східної Африки - бушменів і готтентотів. Їх мови містять клацають звуки, ніде більше не зустрічаються, і відносяться до так званої койсанських групі (комбінація слів "де-не-Койн" - самоназва готтентотів і "сан" - назва бушменів), відокремлено стоїть в системі мов світу. Вони значно відрізняються від інших африканських народів, у тому числі і від своїх сусідів банту, не лише лінгвістично, але й антропологічно: у них більше світла шкіра, вузький ніс, для жінок бушменів характерне надлишкове відкладення жиру на сідницях (стеатопігія), а для чоловіків - особливу будову статевих органів. Відмінності проявляються і в мтДНК: у бушменів виявлена мутація, яка з'явилася однією з перших після виникнення людини як виду [3]. У Y-хромосомі деяких бушменів також присутня стародавня мутація, не виявлена ні в кого з людей в інших частинах світу, але знайдений у мавп. Ймовірно, вона виникла ще до поділу предкової ліній людини і шимпанзе (5-7 млн років тому) і безперервно підтримувалася в частині предкової популяції людини і шимпанзе. Можливо, ця мутація збереглася тільки у бушменів тому, що їх численні предки в певний момент історії заселяли значну частину африканського континенту. Згодом вони були витіснені на південь племенами, що говорять на банту. На це вказують і результати вивчення кісткових останків людей, знайдених в Африці, - вони подібні за типом з сучасними представниками койсанських групи.

Цікаво, що популяційні відмінності по Y-хромосомі опинилися в кілька разів вище, ніж по мтДНК. Це говорить про те, що перемішування генетичного матеріалу по жіночій лінії більш інтенсивно, тобто рівень міграції жінок майже на порядок вище, ніж у чоловіків [4]. І хоча ці дані на перший погляд можуть здатися дивними (подорожі завжди вважалися прерогативою чоловіків), їх можна пояснити характерною для більшості людських суспільств патрилокальний (відходом дружини в будинок чоловіка). Шлюбні міграції жінок залишили більш помітний слід на генетичній карті людства, ніж далекі походи Чингізхана або Аттіли [5].

Дослідження ДНК неандертальців

У 1997 р. генетик С. Пебо зумів прочитати фрагмент мтДНК, що виділена з останків неандертальця, знайденого в 1856 р. в Фельдгоферовской печері поблизу Дюссельдорфа в Німеччині [6]. Ця печера знаходиться в долині Неандерталь (Neander Tal). У 1863 р. англійський антрополог і анатом У. Кінг запропонував для знахідки назву Homo neanderthalensis *. Влітку 2000 р. з'явилося повідомлення іншої групи вчених про дослідження другого зразка неандертальської мтДНК з останків скелета дитини, знайденого в печері Мезмайская на Північному Кавказі [7]. Під другому випадку останки точно датовані радіовуглецевим методом - їм 29 тис. років. Це - представник однієї з останніх що жили на Землі груп неандертальців.

* Цікаво, що назва долини, дане на честь композитора XVII ст. Йоахіма Ноймана (Neumann - нова людина -- по-грецьки Neander), означає «нова людина».

Неандертальці - група гомінідів, предки яких вийшли з Африки раніше, ніж предки сучасних людей. Неандертальці населяли Європу і Західної Азії в період від 300 тис. до 28 тис. років тому. Якийсь час вони співіснували з людиною сучасного анатомічного типу, що розселилися в Європі близько 40 тис. років тому. Раніше на основі морфологічного порівняння неандертальців з людиною сучасного типу було запропоновано три гіпотези: неандертальці - прямі предки людини; вони внесли певний генетичний внесок у генофонд Homo sapiens; вони представляли незалежну гілку, яку повністю витіснив людина сучасного типу.
                 Місця знахідок останків неандертальців.    Відзначено положення печер Фельдгофер і Мезмай     

Результати молекулярно-генетичних досліджень свідчать на користь третіх гіпотези. Обидві неандертальських мтДНК мають загальні відмінності від мтДНК людей, що виходять за межі внутрішньовидового різноманітності H.sapiens. Це говорить про те, що неандертальці - генетично окрема, хоч і близькоспоріднених людині гілку. За кількістю відмінностей між їх мтДНК час існування останнього загального предка людини, і неандертальця оцінюється в 500 тис. років. Палеонтологи вважають, що предки неандертальців з'явилися в Європі близько 300 тис. років тому, тобто генетичні лінії, що ведуть до людини і неандертальцю, розділилися раніше цієї дати, як показують датування по мтДНК.

Таким чином, неандерталець еволюціонував у Європі одночасно з предком сучасної людини в Африці. Відомо, що в Європі 40-50 тис. років тому розселився людина сучасного типу, а неандертальці вимерли 28 тис. років тому. Невідомо, якою є зв'язок цих подій - програв неандерталець у конкуренції з людиною або вимер з інших причин.

Хвилі міграцій і заселення континентів

Вважається, що циклічні зміни клімату, що відбувалися з інтервалом у десятки тисяч років, відігравали істотну роль в еволюції і поширення всіх видів, у тому числі й людини. У періоди похолодання наростала маса континентальних льодовиків, населені природно-кліматичні зони зсувалися на південь, рівень моря та озер знижувався на сотні метрів, збільшувалася площа пустель, с'ежіваться тропічні ліси. З настанням льодовика в Європі скорочувалися жилі зони і чисельність тварин, суцільне "море" життя розпадалося на окремі "озера".

У періоди потепління підвищувалися чисельність і різноманітність живих форм, види розселялися на придатні для життя території - з Африки в Азію та Європу через Суецький перешийок і в Європі - на звільнені з-під льодовика території. Таким чином, контакти африканської та євразійської біоти визначалися глобальними циклами потепління-похолодання. Ці коливання приводили до значних змін флори та фауни всього Земної кулі.
.

Шляхи та час розселення людей, встановлені при аналізі основних
материнських та батьківських (показано кольором) генетичних ліній

Дослідження генетичної розмаїтості сучасних людей показали, що воно значно нижче, ніж, наприклад, у шимпанзе, наших найближчих родичів у світі тварин. Це означає, що людина як вид значно пізніше шимпанзе пройшов через "пляшкове горлечко" - різке падіння чисельності популяції, і/або це падіння для людини було набагато істотніше, ніж для шимпанзе.

Різні групи генетиків прийшли до висновку, що протягом останнього мільйона років чисельність популяції прямих предків людини коливалася від 40 до 100 тис. У період проходження "пляшкового горлечка", близько 130 тис. років тому, значно знизилося генетично різноманітність предків людини, оскільки їх загальна чисельність скоротилася до 10 тис. індивідів і носії багатьох генетичних варіантів зникли [10]. Для порівняння - чисельність що нині живуть шимпанзе (а цей вид знаходиться під загрозою зникнення) складає 100??? 200 тис. особин.

Схематичне представлення популяційної історії людини, і неандертальця на основі аналізу мтДНК і палеонтологічних даних. Лінії мтДНК сучасних людей сходяться в точці (точка коалесценції), що відповідає зниженню чисельності популяції ( "пляшковому шийки") і відокремлює людини сучасного анатомічного типу від архаїчних африканських гомінідів. Поділ генетичних ліній (точка коалесценції) передує поділу популяцій. Кольором показані передбачувані коливання чисельності популяцій, встановлені за рівнем різноманітності ДНК сучасних людей.

Порівняльний аналіз мтДНК різних популяцій сучасних людей дозволив припустити, що ще до виходу з Африки, близько 60-70 тис. років тому (коли також спостерігалося зниження чисельності, хоча і не таке значне), предкової популяція розділилася принаймні на три групи, що дали початок африканської, монголоїдної і європеоїдної рас [8]. У вітчизняній літературі їх позначають як екваторіальна, азіатсько-американська та євразійська раси, що більш точно відображає їх сучасне географічне поширення.

Частина расових ознак, можливо, виникла пізніше як адаптація до умов проживання. Це стосується принаймні до кольору шкіри -- одному з найбільш значущих для більшості людей расових ознак. Ступінь пігментації у людини генетично задана і, ймовірно, у кожній популяції відповідає географічній широті проживання. Пігментація забезпечує захист від сонячного опромінення, але не повинна перешкоджати утворенню, наприклад, деяких вітамінів, що запобігають рахіт і необхідних для нормальної плодючості [12].

На основі генетичних даних поступово прояснюється картина заселення Азії, Європи та Америки. У нещодавно опублікованих роботах визначені частоти давніх типів мтДНК та Y-хромосом, принесених до Європи 40-50 тис. років тому першими поселенцями, а також інших, що поширилися пізніше, у тому числі й тих, які відображають експансію землеробських племен з Близького Сходу 9 тис. років тому. І тут генетичні дослідження пролили світло на ще одне питання, також викликав протягом багатьох років гарячі суперечки.

Як поширюється культура? Переймають чи люди традиції, технології та ідеї від представників іншої культури (концепція культурної дифузії); або ідеї та технології подорожують по світу тільки разом зі своїми носіями, і зміна культури відбувається одночасно зі зміною населення (концепція деміческой дифузії)?

Донедавна переважала концепція деміческой дифузії. Вважалося, що хлібороби, що прийшли в Європу з Малої Азії близько 10 тис. років тому, внесли основну частку в генофонд сучасних європейців, витіснивши що проживали в Європі палеолітичні популяції [9]. Однак опубліковані в минулому році, але вже загальновизнані роботи [10, 11] показали, що генетична частка мігрантів-хліборобів складає в сучасному населенні Європи не більше 10-20%. Це означає, що відносно невелике число землеробів принесло в палеолітичних Європу технічні новації, і в результаті на всій європейській території змінився тип господарства і культури.

Генетична різноманітність народів Росії

У Росії вивчення генетичного розмаїття видів має дуже давню традицію, що сходить до робіт 20-х років минулого століття засновників вітчизняної генетики А. С. Серебровського і С. С. Четверикова. Найбільший загальний рейтинг популяційно-генетичних досліджень людини 80-90-х років -- п'ятитомне видання "Генофонд і Генографія народонаселення" під загальною редакцією професора Ю. Г. Ричкова з Інституту загальної генетики РАН (Ричков та ін, 2000). Його праці, виконані в рамках фундаментальних наукових програм РАН, РФФМ, а також програми "Пріоритетні напрями генетики", і зараз лежать в основі принципів добору матеріалу для сучасних досліджень і формування вихідних гіпотез. Ряд лабораторій, учасників російської програми "Геном людини "(у тому числі і наша лабораторія), вивчає генетичну різноманітність народів європейської частини Росії [12].

Лінії мтДНК, що потрапили до Європи в епоху палеоліту близько 40-50 тис. років тому, зараз складають значну частину мтДНК людей, що населяють території від північного заходу Європи до Уральських гір. Найбільш чіткі розбіжності, виявлені між окремими лініями мтДНК, вказують на їх монголоїдної або європеоїдної походження. Ми обстежили російських і більшість народів Волзького басейну та Уралу. З'ясувалося, що у всіх народів, крім башкирів, по материнській лінії переважає європеоїдну компонент. Градієнт його падіння проходить приблизно з заходу на схід і не корелює з мовою цих народів. У росіян (населення Рязанської, Курської і Калузької областей), які говорять на мові індоєвропейської групи, 97-98% материнських ліній - європеоїдної, а частка монголоїдного компонента становить 2-3%. Європеоїдну лінії переважають також у народів фінно-угорської мовної групи (мари, удмурти, комі) - від 80 до 94%, і у тюркоговорящіх народів, що проживають в цьому регіоні. Так, 85% татар по материнській лінії європеоїдної, а чувашів 90%. Лише у їхніх східних сусідів, башкирів, монголоїдні лінії становлять 65%. Отже, сучасна межа розселення європеоїдів і монголоїдів географічно проходить приблизно по Уралу, а популяційно-генетично - між башкирами, що мешкають по обидва боки Уральського хребта, і їхніми західними сусідами - татарами. Повторимо, що частка європеоїдну і монголоїдні ліній не корелює з мовою, якою розмовляють ці народи.

Материнські генетичні лінії у народів Волго-Уральського регіону. Частка європеоїдну ліній мтДНК (кольоровий сектор) падає при просування з заходу на схід, а частка монголоїдні (білий сектор) зростає. Досліджені етнічні групи відносяться до різних мовних сім'ям: індоєвропейської (зі слов'янських мов, що відносяться до цієї родини, наведені російські), уральської (фінно-угорські мови; вказані білим шрифтом) і алтайської (тюркські мови; підкреслені)

Наші дослідження показують і різноманітні деталі формування окремих народів. Наприклад, монголоїдні лінії мтДНК у народів Волго-Уральського регіону мають різне походження: одні з них з'явилися, ймовірно, з Сибіру, а інші - з Центральної Азії. Поєднання виявлених нами генетичних ліній утворює мозаїку, яка характеризує кожен з цих народів.

Проектів з вивчення генетичної різноманітності людей стає все більше. Вони дають відомості, важливі для охорони здоров'я, а також для реконструкції історичних подій. Зараз відомо, що багато мутації не нейтральні, швидкість їх накопичення може бути різною для різних ділянок ДНК і на різних етапах еволюції. Тому абсолютні датування, отримані на основі молекулярних методів, можуть досить сильно відрізнятися в залежності від використовуваної системи аналізу, і повинні уточнюватися в міру розвитку експериментальних методів і теоретичних інструментів дослідження.

На закінчення можна припустити, що склалися, до теперішнього часу уявлення про послідовність еволюційних і міграційних подій в історії людини як виду навряд чи сильно зміняться. Це, однак, не виключає сюрпризів при виявленні деталей формування та взаємодії різних популяцій, що приводили до виникнення і зміні мов і культур. Такі дослідження допоможуть не тільки краще зрозуміти причини, що визначили сучасну структуру народонаселення Землі, але і передбачити тенденції цих процесів, що може бути вкрай важливим для побудови стабільних і збалансованих відносин між народами в майбутньому.

Література

1. Cann R.L., Stoneking M., Wilson A.C.// Nature. 1987. V.325. № 6099. P.31-36.

2. Zhivotovsky L.A.// Mol. Biol. Evol. 2001 (in press).

3. Viglant L., Stoneking M., Harpending H. et al.// Science. 1991. V.253. P.1303-1307.

4. Seielstad M.T., Minch E., Cavalli-Sforza L.L.// Nat. Genet. 1998. V.20. P.278-280.

5. Stoneking M.// Nat. Genet. 1998. V.20. P.219-220.

6. Krings M., Stone A., Schmitz R.W. et al.// Cell. 1997. V. 90. № 1. P.19-30.

7. Ovchinnikov I.V., Gotherstrom A., Romanova G.P. et al.// Nature. 2000. V.404. № 6777. P.490-493.

8. Lahr M.M., Foley R.A.// Yearbook of physical anthropology. 1998. V.41. P.137-176.

9. Cavalli-Sforza L.L. Genes, peoples, and languages. N.Y., 2000.

10. Richards M., Macaulay V., Hickey E. et al.// Am. J. Hum. Genet. 2000. V.67. P.1251-1276.

11. Underhill P., Cavalli-Sforza L.L., Oefner P.J.// Nat. Genet. 2000. V.26. P.358-361.

12. Orekhov V., Poltoraus A., Zhivotovsky L.A. et al.// FEBS Lett. 1999. V.445. № 1. P.197-201.