Жизнь, которую мы создали. Как пятьдесят тысяч лет рукотворных инноваций усовершенствовали и преобразили природу

Вероятно, в позднем плейстоцене денисовцы были широко распространены. Большинство ископаемых свидетельств их существования найдено в Денисовой пещере: четыре зуба и множество обломков костей, которые были приписаны денисовцам на основании исследований ДНК и белков. Однако в 2019 году последовательности белков, выделенные из челюстной кости возрастом 160 000 лет, которая была найдена в пещере на Тибетском плато, дали первые осязаемые свидетельства, что денисовцы жили и за пределами Алтайских гор. Но еще до того, как эти находки описали и классифицировали, геномные данные современных людей показали, что денисовцы (то есть, возможно, не денисовцы как таковые, а гоминины, связанные с денисовцами) были широко распространены. Сегодня примерно в 5 % геномов уроженцев Океании можно распознать примеси гоминин, похожих на денисовцев, и ученые считают, что эти примеси появились, когда современные люди распространились из нынешней Папуа – Новой Гвинеи.

Второй удар по ископаемым находкам был нанесен спустя несколько лет. Рабочая группа под руководством Маттиаса Мейера, тоже из команды Паабо, выделила древнюю ДНК из кости гоминины возрастом 420 000 лет, найденной в системе пещер под названием Сима де лос Уэсос в горах Атапуэрка в Испании. Гоминины из Сима де лос Уэсос оставили нам 28 почти полных скелетов, чья таксономическая принадлежность всегда являлась предметом споров. Хуан-Луис Арсуага, палеоантрополог из Мадридского университета Комплутенсе, десятилетиями искал и изучал эти останки и был убежден, что они принадлежат ранним неандертальцам. Другие же исследователи утверждали, будто скелеты обладают диагностическими чертами Homo heidelbergensis. Но когда группа Мейера сопоставила митохондриальный геном и части ядерного генома одного из этих скелетов, результаты показали, что заблуждались все. С точки зрения митохондрий особь из Сима де лос Уэсос больше напоминала денисовцев, чем поздних неандертальцев. А вот ядерный геном был типично неандертальским.

Что же там случилось?!

Вероятно – хотя это всего лишь гипотеза, – митохондриальная ДНК, обнаруженная у поздних неандертальцев, происходила из ненеандертальской линии. В 2017 году ученые обнаружили на стоянке Джебель-Ирхуд в Марокко останки современных людей, возраст которых оценивается примерно в 315 000 лет. Если современные люди к тому времени уже колонизировали ареалы настолько далеко к северу, они, возможно, заходили и дальше и, вероятно, по пути встречались и скрещивались с неандертальцами. Популяции неандертальцев в то время были невелики, и в итоге стало возможным, что часть неандертальского генома, например, митохондриальная ДНК, оказалась замещена ДНК ранних современных людей. Такой гипотетический сценарий объяснил бы, почему у неандертальца из Сима де лос Уэсос не такая митохондриальная последовательность, как у более поздних неандертальцев: у неандертальца из Сима де лос Уэсос была версия «оригинальной» неандертальской митохондриальной ДНК, а у более поздних неандертальцев – версия митохондриальной ДНК, которая возникла в ходе эволюции в линии, которая вела к современным людям, а затем попала в неандертальскую популяцию после скрещивания с этими ранними современными людьми. Если так, то из этого следует, что наша линия за последние несколько сотен тысяч лет покидала Африку не один раз, а несколько.

Итак, подведем итоги этой истории – в аспекте древней ДНК.

По генетическим данным получается, что примерно 460 000 лет назад и, вероятно, в Африке популяция предков как современных людей, так и неандертальцев разошлась на две линии. Одна осталась в Африке и эволюционировала в современных людей, а другая, очевидно, распространилась на север, в Европу, где эволюционировала в первых протонеандертальцев. В какой-то момент, больше 420 000 лет назад (возраст костей из Сима де лос Уэсос), протонеандертальская линия разветвилась надвое. Одна ветвь осталась и эволюционировала в западных неандертальцев, а другая распространилась на восток и эволюционировала в денисовцев (их даже можно называть восточными неандертальцами). После раскола неандертальцев и денисовцев, но раньше, чем 125 000 лет назад (когда жил тот неандерталец из Германии, у которого нашли митохондриальную последовательность, больше похожую на нашу), современные люди, вероятно, мигрировали из Африки – значительно раньше, чем показывают ископаемые находки, – скрестились с западными неандертальцами, а затем исчезли. Во всяком случае, некоторые западные неандертальцы унаследовали от этих ранних современных людей митохондриальную ДНК. Потом неандертальцы-носители митохондриальной ДНК ранних современных людей распространились на восток, где повстречали денисовцев и скрестились с ними. В какой-то момент – не ранее 70 000 лет назад – современные люди вновь двинулись из Африки в Европу, и на сей раз им сопутствовал более стойкий успех. Там они снова встретились и скрестились с неандертальцами. Затем современные люди расселились на восток; по дороге они скрещивались с денисовцами и неандертальцами и постепенно вытеснили их окончательно.

Почему же в нашей эволюционной истории было столько сексуальных игрищ? Ответ на первый взгляд прост: никто никому ничего не запрещал – так, следовательно, почему бы и нет? Обмену генами между популяциями, которые встречались друг с другом, ничто не мешало, вот он и… происходил. Причем отсутствие репродуктивного барьера, вероятно, было полезно с точки зрения эволюции. Популяции, которые уже давно обжились в том или ином месте, скорее всего обладали самыми разными механизмами приспособления к здешней жизни – от иммунитета к местным патогенам до адаптации к местному климату и рациону. Скрещивание с дальними эволюционными родственниками позволило нашим предкам унаследовать гены, которые помогали им выживать и даже процветать в новой обстановке. Если скрещивание и передача генов давали эволюционное преимущество в сравнительно недавние времена, можно ли предположить, что обмен генами между видами был полезен на протяжении всей эволюционной истории? Археологические данные подтверждают, что популяции Homo erectus существовали в эпоху раннего и среднего плейстоцена почти по всей Азии. При встрече с кем-то из этих ранних гоминин распространявшиеся неандертальцы и денисовцы, вероятно, видели в них потенциальных брачных партнеров. Некоторые ученые даже считают возможным, что денисовцы – это гибрид неандертальцев, продвигавшихся на восток, и местных Homo erectus. Археологические данные отчасти подтверждают такую гипотезу. Два из зубов, найденных в Денисовой пещере, содержат ДНК, похожую на денисовскую, и необычайно крупны для неандертальца – около полутора сантиметров в поперечнике. Эти архаические на вид зубы хорошо подходили для рациона, отличавшегося от диеты поздних гоминин и предполагавшего пережевывание грубой пищи наподобие травы. Данные ДНК можно истолковать как подтверждение этой гипотезы. Современные люди, распространявшиеся в Океанию, повстречали не неких южных денисовцев, от которых не сохранилось никаких археологических данных, а или последних из Homo erectus, или, возможно, какую-то еще не описанную линию либо гибрид, и скрестились с ними. Это могло бы объяснить, почему денисовцы (по такому сценарию – неандертальцы, среди предков которых были Homo erectus) и современные жители Океании (современные люди, среди предков которых были и неандертальцы, и денисовцы) обладают схожей архаической наследственностью, отличающейся, однако, от генетики современных людей из других частей света.

Все это, разумеется, догадки, основанные исключительно на том, как именно я и другие ученые толкуем доступные на сегодня данные. Какая-нибудь следующая окаменелость или расшифровка древнего генома, несомненно, заставят нас опять стереть и переписать заново историю человека как вида. Бесспорно лишь одно: в деталях мы пока не разобрались.

А тем временем в Африке

Одновременно с тем, как в Евразии процветали и все шире распространялись денисовцы и неандертальцы, в Африке эволюционировали несколько линий Homo. Судя по доступным на сегодня данным, наша собственная линия Homo sapiens, вероятно, возникла в ходе эволюции более 350 000 лет назад, и по крайней мере первую сотню тысяч лет после этого в Африке сосуществовали как минимум две линии Homo: мы и Homo naledi, гоминины с относительно маленьким телом и маленьким мозгом, обнаруженные в 2015 году в системе пещер «Восходящая звезда» в Южной Африке. Где именно в Южной Африке появились Homo sapiens, нам неизвестно, однако уже 100 000–200 000 лет назад по всему континенту были рассеяны останки нашей линии, которые мы сегодня и находим. Геномные данные ныне живущих людей указывают, что самые ранние популяции людей были маленькими и в основном изолированными друг от друга, но обмен ДНК периодически все-таки происходил, – по мере того как популяции росли или сокращались вместе с ареалами обитания.

Параллельно шел и другой процесс. Находки на стоянках по всей Африке показывают, что около 300 000 лет назад, в период среднего палеолита, модели поведения наших предков начали меняться, все более усложняясь. На древней стоянке раннего современного человека в Джебель-Ирхуд в Марокко, датируемой примерно 315 000 лет назад, камни раскаляли на огне, чтобы легче было делать сколы и формировать орудия. Около 100 000 лет назад Homo sapiens на севере, востоке и юге Африки изготавливали бусы из ракушек, а то и из скорлупы страусиных яиц и делали красители, чтобы расписывать их затейливыми геометрическими узорами. В период же позднего палеолита ранние Homo sapiens вводили в свой быт всяческие другие новшества – рыбную ловлю, ловушки на мелких животных, перевозку на дальние расстояния материалов, например, обсидиана, и сложные орудия, в том числе метательное оружие. Все это явно свидетельствует об усложнении технологий, поведения и культуры.

Как же возникло такое сложное поведение, которое иногда называют поведенческой современностью, и насколько быстро это произошло? До недавних пор многие палеоантропологи считали, что современное поведение в нашем нынешнем понимании возникло мгновенно – возможно, в результате какого-то одного генетического изменения. Но более древние и полные археологические находки со всего Африканского континента свидетельствуют о другом. Сегодня большинство из тех, кто работает в этой области, полагает, что поведенческая современность развивалась в ходе эволюции постепенно, на протяжении сотен тысяч, если не миллионов лет, по мере того, как инновации вызывали культурные и технологические перемены, которые, в свою очередь, опять рождали инновации. Археологические находки и в самом деле показывают резкий рост темпов технического прогресса в последние 50 000–100 000 лет, и сейчас ученые пытаются выяснить, какую роль в нашем окончательном превращении в современных людей со сложным поведением сыграли рост популяций, перемещения на дальние расстояния и наладившийся в результате этого культурный обмен, а также генетика.

ДНК неандертальцев и денисовцев могла бы дать ответы на некоторые из этих вопросов… или по крайней мере подсказать, на что следует обратить внимание в наших собственных геномах. Мы знаем, что у большинства живущих ныне людей от одного до пяти процентов наследственности восходит к нашим вымершим архаическим родственникам. При этом у всех нас присутствуют разные фрагменты их архаической ДНК – то есть разные люди унаследовали различные ее фрагменты. Более того: если собрать все фрагменты архаических геномов, циркулирующие сегодня в нашей популяции, то мы получим почти 93 % геномов неандертальца и денисовца.

А как же оставшиеся 7 %? Вот тут дело приобретает и вовсе интересный оборот.

Гены, которые делают нас людьми

У ребенка, один из родителей которого неандерталец, а другой – современный человек, было бы по одной полной копии генома каждого родителя. В сперматозоидах или яйцеклетках этого ребенка (в зависимости от пола) эти геномы должны были бы разбиться и затем «рекомбинировать» примерно один раз на каждую хромосому, создав новые хромосомы, представляющие собой сочетание двух генетических наследий ребенка. Каждый сперматозоид или яйцеклетка этого ребенка будет содержать геном, на 50 % неандертальский и на 50 % человеческий. Если затем этот ребенок найдет себе брачного партнера среди современных людей, у их потомства будет одна копия генома на 50 % неандертальского и на 50 % человеческого (копия, полученная от родителя-гибрида) и другая копия – на 100 % человеческая. Эти геномы рекомбинируют, и в сперматозоиде или яйцеклетке этого ребенка будет уже в среднем около 25 % неандертальского генома. Предположим, такое разбавление происходит на протяжении поколений, причем неандертальская ДНК больше не добавляется. Сегодня у многих из нас в геномах есть небольшая доля архаической ДНК, и вполне вероятно, что мы унаследовали архаическую ДНК от обоих родителей. К тому времени, когда наши предки (как люди, так и неандертальцы и денисовцы) повстречались и стали обмениваться ДНК, эволюционные пути, по которым они развивались, не пересекались уже сотни тысяч лет. В дальнейшем во фрагментах ДНК возникли мутации, и некоторые из них сыграли важную роль, сделав ту или иную линию уникальной. Когда линии спаривались и их геномы рекомбинировали, иногда рождались дети, у которых не было важных, специфических для конкретной линии мутаций. Если у ребенка, рожденного матерью-человеком, отсутствовала важная мутация, специфическая для людей (ибо он унаследовал эту часть генома от архаического отца), то в популяции поведенчески сложных людей такой ребенок не выжил бы и наверняка бы не оставил потомства. С течением времени «негодные» фрагменты ДНК (те участки, без человеческой версии которых человек не мог выжить) отбраковывались естественным отбором и устранялись из человеческого генофонда. Эти фрагменты ДНК и составляют те самые 7 % архаического генома, которых нет у современных людей. И именно эту область нашего генома нам следует изучать, чтобы понять, чем мы отличаемся от своих архаических предков.

На сегодня секвенированы десятки тысяч человеческих геномов и несколько хорошо сохранившихся архаических. Поэтому стало возможным составить перечень фрагментов человеческого генома, в которых никто (вернее сказать, почти никто) из современных людей не унаследовал архаической ДНК, – то есть те самые 7 %. Следующий шаг – рассортировать этот перечень на фрагменты ДНК, утраченные случайно, и фрагменты ДНК, отбракованные естественным отбором, – поскольку они несовместимы с тем, чтобы быть человеком. Это сложный шаг, в особенности потому, что ученые до сих пор не до конца понимают, что, собственно, делают разные части генома. Мы знаем, как искать ген и как распознавать фрагменты генома, которые контролируют, какие гены включаются, а какие отключаются. Но мы пока находимся в процессе изучения того, какую роль играют, например, взаимодействия между генами, расстояние между ними и другие элементы генома, возможно, исполняющие важные, но еще не описанные функции.

И мы в своей исследовательской группе, и наши коллеги из других групп начали с поисков тех частей генома, которые лучше всего понятны ученым, – с генов. На уровне гена мутации могут оказывать разное воздействие – одни более сильное, другие менее. Например, мутации, меняющие последовательность заданного белка, вызовут функциональные изменения с большей вероятностью, чем мутации, не влияющие на белок. Мы можем измерить воздействие мутации, оценив, насколько она распространена среди ныне живущих людей. Если у всех или у большинства людей есть некая мутация в некоем участке ДНК и ни у кого не сохранилось архаической версии, велика вероятность, что эта мутация каким-то образом пошла на пользу ранним людям.

Недавно мы с Эдом Грином и Натаном Шефером применили этот подход – выделили участки ДНК, в которых архаической ДНК нет ни у кого из ныне живущих людей и где у большинства из нас есть общая мутация, возникшая в ходе эволюции после того, как люди обособились от своих архаических родственников. Стремясь выявить так называемый специфически-человеческий геном, мы обнаружили, что такой геном составляет всего полтора процента нашей ДНК. Не семь процентов, а гораздо меньше. Теперь мы с коллегами более пристально изучаем гены этих полутора процентов генома в поисках подсказок, которые помогут нам понять, что делает нас людьми.

Один из генов специфически-человеческой части нашего генома – нейроонкологический вентральный антиген 1 (NOVA1). Ген NOVA1 называют мастер-регулятором: он контролирует разрезание и сшивание продуктов множества генов, позволяющие создавать на их основе разные белки^[10]. Любопытно, что NOVA1 активен в основном во время раннего развития мозга, а у тех, кто родился с новыми мутациями своего гена NOVA1, часто бывают неврологические болезни.

У всех ныне живущих людей наличествует вариант NOVA1, отличающийся от версии, которую обнаруживают у всех других позвоночных, в том числе у неандертальцев и денисовцев. Разница невелика: наш вариант содержит всего одну мутацию. Но поскольку она общая у всех людей, это надежное свидетельство в пользу того, что наш вариант NOVA1 ведет себя иначе, чем аналогичный ген у наших архаических родственников. Чтобы понять, что же делает эта мутация, мы с Эдом Грином объединились с лабораторией Элиссона Муотри в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Клебер Трухильо, постдок, работающий у Элиссона, отредактировал клетки человека так, чтобы их геномы включали архаический вариант NOVA1, а затем преобразовал эти клетки в мозгоподобные органоиды, которые выросли в чашках Петри в его лаборатории. По мере роста органоидов Клебер отслеживал изменения в размерах, форме и мобильности клеток и отправлял эти данные нам, чтобы мы могли анализировать, какие белки при этом вырабатываются. Клебер обнаружил, что органоиды с архаическим вариантом NOVA1 росли медленнее, чем нередактированные. Поверхность органоидов с архаическим вариантом была необычно пухлой по сравнению с гораздо более ровной поверхностью органоидов, выращенных из клеток с человеческим вариантом NOVA1. Когда студенты Эдвард Райс и Натан Шефер, работавшие в наших с Эдом лабораториях, проанализировали эти данные, оказалось, что вариант NOVA1 в том или ином органоиде влиял на разрезание и сшивание продуктов сотен генов. Причем многие гены, прошедшие этот процесс, влияют на важнейшие функции в процессе развития мозга, в частности, на рост и размножение нервных клеток и на формирование синаптических связей. Это, безусловно, интересный, но все же лишь первый завершенный эксперимент в данной области, и пока мы больше ничего не узнали. А дальнейшие исследования, в том числе и наши, должны выявить, насколько распространены эти различия в разных человеческих клеточных линиях и какую, собственно, роль они играют в физическом и когнитивном развитии человека. Хотя это и не дает ответа на вопрос, что делает нас людьми, но все же сулит многообещающие перспективы.

Полтора процента наших геномов, которые принадлежат нам и только нам, вероятно, содержат много интересных и важных указаний на то, чем мы отличаемся от архаических родственников. Очень многие гены в специфически-человеческих областях генома так или иначе участвуют в развитии мозга. Есть и такие, которые влияют на наш рацион и пищеварение, иммунную систему, циркадные ритмы и десятки других жизненно важных функций. Но вернемся ненадолго к тем 93 % нашего генома, которые люди вполне могли унаследовать не только от других людей, но и от наших архаических родственников. Об этой части генома нужно сказать две важные вещи.

Во-первых, при изучении закономерностей наследования ДНК в популяциях по всему миру становится очевидно, что иногда людям полезнее наследовать именно архаический вариант того или иного гена. Например, современные жители высокогорного Тибета гораздо чаще тех, кто живет не так высоко, обладают вариантом гена под названием «эндотелиальный белок домена PAS1» – EPAS1, – который возник в ходе эволюции у архаических людей, родственных денисовцам. Архаический вариант EPAS1 влияет на выработку красных кровяных клеток таким образом, что это помогает жить в условиях, когда воздух беден кислородом. То есть предки ныне живущих тибетцев, унаследовавшие архаическую версию EPAS1, лучше выживали в своей высокогорной среде, чем те, кто наследовал человеческую версию.

Ген EPAS1 – далеко не единственный пример того, как полезна бывает современному человеку архаическая ДНК. В нескольких популяциях современных людей распространены архаические варианты генов, связанные с иммунитетом, – предположительно потому, что архаические варианты этих генов давали своим носителям преимущество при контакте с местными патогенами. В некоторых популяциях часто встречаются и архаические варианты генов, связанных с метаболизмом, а также с пигментацией кожи и волос. Скажем, частотность голубых глаз в некоторых европейских популяциях приписывают ДНК, которую человеческая популяция получила от неандертальцев.

Во-вторых, не может не удивлять то обстоятельство, что от геномов наших архаических родственников сохранилось так много, причем сохранились и мутации, возникшие в ходе эволюции у неандертальцев и денисовцев, когда они приспосабливались к своим условиям обитания. Палеонтологи частенько твердят, будто неандертальцы были одним из первых видов, которые вымерли из-за нас, людей, после того, как мы превратились в Homo sapiens с его поведенческой сложностью. Однако наши геномы говорят, что это слишком упрощенное представление. Наши предки не просто победили неандертальцев в конкуренции, но еще и использовали их, чтобы усовершенствоваться. И исчезновение неандертальцев стало лишь предвестником грядущих событий.