Кузен чи предок?
Неандертальців уперше визначили як особливу групу гомінідів 150 років тому, у 1856 році, після того як знайшли останки декількох особин у долині Неандер (німецькою Neander Thai), неподалік від Дюссельдорфа. Кумедно, що долина одержала свою назву на честь богослова і поета Йоахима Ноймана, який взяв собі грецький псевдонім Неандер — „нова людина".
Пізніше подібні знахідки в Європі і Західній Азії показали, що неандерталець як вид з'явився близько 400 000 років тому і зник близько 30 000 років тому. Типові неандертальці різко відрізнялися від сучасної людини, кроманьйонця. Характерні риси їхнього вигляду — масивний кістяк, виступаюча середня частина лиця, могутні надбрівні дуги, скошене підборіддя — добре відомі навіть неспеціалістам завдяки художнім і літературним реконструкціям. Неандертальці вміли поводитися з вогнем, вірили в загробне життя — у всякому разі, ховаючи своїх мерців забезпечували їх запасом їжі, а також виготовляли музичні інструменти і прикраси. Правда, моду на прикраси, як думають учені, вони перейняли в Homo sapiens.
Дотепер немає прямих доказів, що кроманьйонці зустрічалися з неандертальцями, але, безперечно, їхні ареали перекривалися в часі і просторі. Наші прямі предки почали розселятися з Африки в Європу 40 000 - 50 000 років тому і, мабуть, витіснили неандертальців — із застосуванням сили або просто відібравши харчові ресурси. Утім, з цією думкою згодні не всі. Одні припускають, що другий вид Homo не витримав різкого потеплення наприкінці льодовикового періоду, інші — що він не вимер у точному сенсі слова, а був асимільований людиною розумною.
Ця версія приваблює багатьох. Палеоантропологи ретельно вивчають останки, що відносяться до найпізнішого часу існування неандертальців, і часом знаходять екземпляри, схожі на міжвидові гібриди. Такі дані легко заперечити: де докази, що перед нами не тендітний неандерталець або аномально здоровенний носатий кроманьйонець... Але професіонали й аматори продовжують складати гіпотези, шукати в сучасних людей риси неандертальців або доводити, що рудий колір волосся і конопатість деякі сапієнси успадкували саме від них. Остання гіпотеза — зовсім не жарт: якщо неандертальці раніше за нас переселилися в холодну Європу, то і посвітліти вони повинні були раніше, щоб краще засвоювати ультрафіолет. От тільки невідомо, чи справді вони були рудими.
Так все-таки: чи праві ті, хто вважає їх нашими предками, або між нами ніколи не було нічого, крім байдужності, яка переходить в агресію, як і повинно бути між конкуруючими видами? Слово надали генетикам.
Тато чи мама?
У 1997 році було секвеніровано ділянку мітохондріальної ДНК (мтДНК) зі зразка, знайденого в долині Неандер. (Нагадаємо: мітохондріальна ДНК чудова тим, що передається потомству тільки по материнській лінії, батьківська мтДНК не успадковується.) Потім відразу кілька наукових колективів досліджували мтДНК із 11 фрагментів кісток неандертальців, які жили в різних європейських країнах. З'ясувалося, що обмін мтДНК між сучасною людиною і неандертальцем навряд чи мав місце: так багато розходжень могло нагромадитися тільки при незалежній еволюції двох видів протягом півмільйона років.
Чи значить це, що неандерталець не був нашим предком? По материнській лінії — не був. Відповідно до різних популяційних моделей, внесок неандертальців у геном сучасної людини складає від 25% (чверть!) до 0,1% генів. Останній результат був отриманий із мтДНК, — утім, він може і не відбивати справжньої картини, хоча б через передбачувану нерівномірність внеску в наш геном неандертальців і неандерталок. Не в образу предкам і родичам буде сказано, легше представити кроманьйонську жінку з неандертальським чоловіком, ніж неандерталку з кроманьйонцем.
Неандерталець — найближчий до нас вид, тому його геном може стати безцінним джерелом „приміток" до нашого власного. Дотепер ми не знали більш близьких родичів, ніж шимпанзе (від яких нас відрізняють приблизно 35 мільйонів нуклеотидів із трьох мільярдів). У найближчому майбутньому дані по геномах інших мавп, таких, як орангутанги і макаки, допоможуть обчислити, що відрізняє нас і шимпанзе від інших приматів. А порівняння з геномом неандертальця, ймовірно, дозволить ідентифікувати генетичні зміни, які відбувалися в останні сто тисяч років, — ті самі, котрі сформували вигляд і поведінку Homo sapiens.
Як не переплутати нас з ними?
Улітку 2006 року стартував проект, задачею якого було досліджувати геном неандертальця — не тільки мтДНК, але і ядерний геном. Серед авторів статті в листопадовому номері (2009) «Nature», де розповідалося про перші результати, були співробітники Інституту еволюційної антропології Макса Планка в Лейпцизі, зокрема Сванте Пеебо, той самий, хто отсеквенував мтДНК із Неандерталя. Саме він — ініціатор проекту «Геном неандертальця».
Неандертальську ДНК читали в „454 Life Science Corp." (Коннектикут, США) методом 454-секвенування або піросеквенування. Метод чудовий тим, що по простоті й ефективності багаторазово перевершує раніше відомі: з його допомогою можна читати одиничні молекули ДНК практично без підготовки.
Виділити ДНК зі скам'янілостей, вік яких обчислюється десятками тисяч років, можливо, але нелегко. Крім природної деградації біомолекул є й інша серйозна проблема — зразки часто бувають забруднені сучасною органікою. А якщо врахувати, що ДНК неандертальців дуже схоже на нашу, першою і головною задачею було відповісти на запитання: чию ДНК читаємо?
Більше 70 кісток і зубів неандертальців протестували на цілісність біомолекул: виділили з них і дослідили амінокислоти. Високий рівень рацемізації амінокислот означав, що придатної ДНК у такому зразку, швидше за все, не виявиться. У підсумку відібрали шість найбільш багатообіцяючих зразків, по 100-200 мг кожного, і стали перевіряти, сучасна в них ДНК чи неандертальська. Для цього провели полімеразні ланцюгові реакції двох коротких фрагментів мтДНК (63 і 119 нуклеотидів), які заздалегідь відрізняються в сучасних людей і неандертальців: зробили багато копій цих ділянок, а потім відсеквенували їх.
Найбільш багатообіцяючим виявився зразок, який був знайдений у 1980 році в печері Віндія (Хорватія). Його вік, встановлений за допомогою радіовуглецевого аналізу, склав 38 310+2 130 років до наших днів. У цьому зразку майже не було домішок сучасної мтДНК, а від неандертальської містилося досить багато. Логічно було припустити, такі ж справи і з ядерною ДНК. Цей зразок і використали в подальшій роботі.
Не мати він нам
Нагадаємо, у чому полягає суть методу 454-секвенування. Безліч однониткових фрагментів ДНК ампліфікують, тобто багаторазово копіюють у краплях емульсії і потім секвенують в комірках сот. Кожен черговий нуклеотид заявляє про себе спалахом флуоресценції, яку фіксує комп'ютер; таким методом можна прочитати 25 мільйонів "букв" ДНК за чверть години.
Переваги методу зрозумілі. По-перше, ДНК не довелося клонувати у бактеріях, а при цьому велика частина матеріалу втратилася б. По-друге, коли шматочки ДНК копіюються окремо, кожен у своїй краплі, усі копіюються однаково добре: немає конкуренції між матрицями. По-третє, довжина кожного шматочка ДНК, який читається по цій методиці, 100-200 нуклеотидів, перевищує середню довжину фрагментів, що зберігаються у викопних останках. По-четверте, сама можливість секвенувати одночасно сотні тисяч ниток ДНК дуже важлива: адже багато які з них занесені у взірець іншими організмами, наприклад ґрунтовими бактеріями.
Таким способом було прочитано більше 250 000 фрагментів ДНК із кісток неандертальця. Зрозуміло, далеко не всі з них належали неандертальцю. Визначити хазяїна не вдалося для 79% фрагментів, а велику частину інших занесли в останки істоти на зразок актиноміцетів. Всього 6,2% (15 701 фрагмент) були визначені як ділянки геномів приматів. Але і це був успіх.
Дослідників у першу чергу зацікавила мтДНК. Її порівняння з ДНК 311 сучасних людей з різних країн підтвердило раніше отримані дані: неандертальської мтДНК у нас знову не виявилося. Відмінностей у неандертальців виявилося навіть занадто багато, начебто вони пройшли більш довгий еволюційний шлях, ніж ми, — очевидно, через помилки при секвенуванні. Щоб розібратися з цим, автори роботи скопіювали ділянки ДНК, усередині яких у неандертальця були заміни в порівнянні з "узагальненою" ДНК сучасної людини. Ці ділянки клонували і секвенували ще раз, причому 14 відмінностей з 34 довелося забрати. Після цього розрахунковий еволюційний шлях неандертальця зрівнявся з відомими даними, а виходить, метод корекції виявився ефективним. Нічого не поробиш: коли читаєш погано збережений текст у єдиному екземплярі, завжди є ризик, що якась буква прочитається неправильно! У двох третинах точок, що залишилися, неандертальська ДНК відрізнялася від людської, але збігалася з ДНК шимпанзе — схоже ці відмінності були справжніми.
За результатами дослідження мтДНК час розбіжності видів Н.sapiens і H.neanderthalensis був оцінений в 461 — 825 тис. років.
Дерево, з якого ми злізли
Всі інші фрагменти ДНК неандертальця показали гомологію з ядерними генами людини. Приблизно для 0,04% нашого геному найшлася відповідність з геномом неандертальця — для початку непогано! Прочитано було більш 1 млн. нуклеотидів із усіх хромосом, у тому числі статевих — X і Y. (Звідси ясно, що хорватський неандерталець був чоловіком.) А тепер кілька слів про те, як з букв ДНК витягають відомості про шляхи еволюції.
Фрагменти ДНК неандертальця порівняли з відповідними ділянками в геномах сучасної людини і шимпанзе — це називається „трьохвимірний елайнмент". Кожен нуклеотид віднесли до однієї з п'яти груп:
- збігається у всіх трьох видів (736 941 нуклеотид);
- збігається в людини і неандертальця, відрізняється в шимпанзе (10 167);
- збігається в людини і шимпанзе, відрізняється в неандертальця (3 447);
- збігається в неандертальця і шимпанзе, відрізняється в людини (434);
- розрізняється у всіх трьох видів (51).
Отже, нам відома кількість замін, що відбулася після того, як розійшлися наші шляхи із шимпанзе — або в шимпанзе, або в загального предка неандертальців і людини (p+h), число замін у людини (s) на її власному еволюційному шляху і таке ж число для неандертальця (n). (Латинські букви узяті від латинських назв груп: Pan, Homo, H.sapiens, H.neandertalensis.) Зважаючи на те, що темп мутацій постійний, неважко обчислити довжину еволюційних шляхів.
Порівняно велике число відмінностей у ДНК неандертальця від людської і шимпанзе списали на ушкодження і помилки сиквенса: не міг неандерталець за відведений йому час нагромадити стільки мутацій! Тому надалі число відмінностей у нього вважали рівним нашому, а для розрахунків використовували тільки збіги в ДНК неандертальця з ДНК шимпанзе і людини. Крім того, важливо було врахувати, що помилки сиквенса могли породити і помилкові збіги з ДНК людини або шимпанзе. Після введення виправлень за допомогою математичних методів усі числа трохи змінилися. У підсумку, якщо ми приймемо, що наші шляхи із шимпанзе розійшлися 6,5 мільйона років тому, тоді з неандертальцем — 516 000 років тому. Візьмемо довірчий інтервал 95% і отримаємо 465 000 - 569 000 років.
Знову про дружбу народів
Ефективним розміром популяції генетики називають кількість особин, що передають свої гени наступним поколінням. Цей показник відбиває генетичну різноманітність, тому при наявності „хвиль життя" ефективний розмір розраховується виходячи з мінімального розміру популяції. У сучасної людини ефективний розмір популяції не перевищує 10 000. (Це не означає, що перших людей на Землі було саме стільки, це значить, що інші люди не залишили потомства, яке дожило до епохи генетики.) У шимпанзе, горили і орангутанга ці значення в два — чотири рази більші, а в загального предка людей і шимпанзе воно було ближче до мавпячого, ніж до людського. Дослідження генома неандертальця дали можливість оцінити ефективний розмір популяції загального предка людей і неандертальців. Автори роботи використовували так званий метод Уолла, що дозволив розрахувати і ефективний розмір предкової популяції, і час остаточного розділення наших видів. Якщо коротко, суть методу в тому, що для різних ділянок генома незалежна еволюція почалася в різний час через різну поширеність алелей у популяції, і чим більші ці розходження в часі, тим, мабуть, більшим був розмір популяції.
Дослідники також побудували лінію відповідності між розміром популяції і часом розбіжності двох видів: чим більшою була передбачувана популяція, тим пізніше могли розійтися наші шляхи. Знаючи з незалежних джерел (наприклад, палеонтологічних), коли неандертальці відокремилися від нас, ми можемо зробити припущення про розмір предкової популяції. Якщо вважати час 400 000 років точним, то наших загальних предків було всього три тисячі. Однак розмір предкової групи з ненульовою імовірністю міг варіювати від 12 000 до найменших величин.
Так чи інакше, розмір предкової популяції в гомінід став невеликим ще до відділення неандертальця, тобто це не унікальна властивість сучасної людини. Автори роботи припустили, що такий маленький розмір типовий для роду Homo, і в нашій історії не раз бувало, що вид відроджувався з маленької групи.
Нарешті, останнє, але найбільш інтригуюче. Дослідники давно звернули увагу на так звані SNP (single nucleotide polymorphisms) — однонуклеотидні позиції в геномній ДНК, де в різних людей можуть бути різні нуклеотиди. Саме SNP у першу чергу формують наші індивідуальні відмінності, саме вони найчастіше визначають різницю між двома алельними генами, тому їх давно вивчають. На сьогодні відомі мільйони SNP, а мутують вони повільно, тому ними цікавляться також еволюціоністи. Тепер з'явилася можливість перевірити, у яких з цих точок у неандертальців залишилися нуклеотиди, ідентичні шимпанзе, а в яких з'явилися нові нуклеотиди (припустимо, у загального предка людини і неандертальця). У 30% випадків алелі виявилися новими, і це число занадто велике, якщо немає неврахованих фактів. Але усе стане зрозумілим, якщо ми припустимо, що мав місце потік генів від сучасних людей до неандертальців. До речі, як помітив один з авторів роботи, по Х-хромосомі неандертальця рівень дивергенції вищий, ніж по нестатевих хромосомах. А це може означати, що неандертальці отримували гени Homo sapiens від мужчин-кроманьйонців (не від жінок - інакше це знов-таки позначилося б на мтДНК).
Щоб стверджувати це напевно, потрібно продовжувати дослідження, зокрема не перешкодив би повний сиквек Y-хромосоми неандертальця. Але схоже, що не тільки неандертальські мисливці підстерігали в європейських лісах тендітних жінок нашого виду — мужчини-кроманьйонці теж ганялися за неандерталками не винятково з науковими цілями. В обох випадках діти залишалися в племені матері, так що потоку мітохондріальних генів не спостерігалося. Але до решти генів це, можливо, не відноситься.
Отже, тепер ясно, що проект „геном неандертальця" — це фантастика. Уже зараз можна прикинути, скільки останків неандертальця буде потрібно для проекту. У роботі, про яку йшла мова, була використана приблизно п'ятнадцята частина екстракта зі 100 мг кісткової тканини. Щоб у такий же спосіб прочитати весь геном (вважаючи його рівним 3 мільярдам нуклеотидів буде потрібно приблизно 20 м кістки з достатньо збереженими біомолекулами. Утім, автори методики 454-секвенування обіцяють підвищити її ефективність ще в 10 разів. Можливо ми ознайомимося з повною версією геному неандертальця вже через два роки.
