CC BY
157
а НОВОСТИ НАУКИ
ШУНЬКОВ Михаил Васильевич -доктор исторических наук, заместитель директора и заведующий отделом археологии каменного века Института археологии и этнографии СО РАН (Новосибирск), руководитель научно-исследовательского стационара «Денисова пещера». Автор и соавтор более 300 научных публикаций
Ключевые слова: палеогенетика, митохондриальная ДНК, ядерная ДНК, гоминиды, неандерталец, денисовец. Key words: paleogenetics, mitochondrial DNA, nuclear DNA, hominid, Neanderthal, Denisovan
* Митохондрии - органеллы клетки, ее энергетические «фабрики» - имеют собственную ДНК, которая передается исключительно по материнской линии. Нуклеотидная последовательность этой ДНК намного короче и, соответственно, несет несравнимо меньше информации по сравнению с ДНК клеточного ядра
Родословное древо человечества разрослось
В списке наиболее важных достижений двух прошедших лет по версии «Science» - открытие на основе палеогенетических данных ранее неизвестного науке древнего ископаемого человека. По аналогии с неандертальцем новый вид получил название денисовец по месту обнаружения антропологических остатков - Денисовой пещере на северо-востоке Горного Алтая. Качественный скачок, произошедший в этих исследованиях в 2011 г., связан с тем, что палеогенетикам удалось расшифровать ядерную ДНК денисовцев и более точно установить вклад двух родственных групп гоминидов - неандертальцев и денисовцев - в генофонд современного человечества
Не так давно считалось, что эволюция человечества от ранних гоминидов к Homo sapiens представляет собой относительно прямую «линию». В свете этих представлений неандерталец признавался непосредственным предком человека современного физического типа. Однако широкое развитие палеогенетических исследований в конце прошлого века, основанное на расшифровке митохондриальной ДНК * из костных остатков, привело к тому, что неандертальцев стали считать тупиковой ветвью человечества. Подразумевалось, что будучи самостоятельным и репродуктивно изолированным видом - «альтернативным человечеством», они не могли сыграть какой-либо заметной роли в истории «человека разумного».
Все изменилось в 2010 г., когда на эволюционной арене появилось новое действующее лицо - денисовец, представитель новой группы древних гоминидов, обнаруженных на Горном Алтае. Это открытие послужило стимулом к активизации палеогенетических работ, результатом которых стали поистине революционные открытия в области древней истории человечества. Поскольку новые данные были получены преимущественно при расшифровке не митохондриальной, а ядерной ДНК, удалось значительно увеличить как объем, так и качество полученной палеогенетической информации.
Во-первых, было доказано, что до 4 % генома современного человека «принадлежит» неандертальцам (Green et al., 2010), что является свидетельством возможного скрещивания этих двух видов на определенном эволюционном этапе. Что касается денисовцев, то им «принадлежит» 4—6 % генома современных жителей южного полушария - коренного населения Австралии и островов Меланезии (Reich et al., 2010).
Здесь нужно отметить, что на протяжении различных периодов плейстоцена уровень мирового океана значительно колебался, и весь этот огромный регион время от времени представлял собой сушу - протоматерики Сунда и Сахул. Поэтому в период приблизительно от 70 до 50 тыс. лет назад у человека была возможность передвигаться из Азии в южном направлении и заселить эти территории вплоть до Австралии, что и подтверждают современные генетические данные.
Новосибирские археологи в течение многих лет ведут раскопки плейстоценовых отложений в Денисовой пещере на Горном Алтае - древнейшей палеолитической стоянке в Сибири, где человек впервые появился около 300 тыс. лет назад. Справа - третий верхний моляр, «зуб мудрости» денисовского человека обнаруженный в 11-ом литологическом слое отложений возраста 50—40 тыс. лет
В свете этих новых палеогенетических данных и неандертальцы, и денисовцы получили право считаться предками современного человечества. Но когда же происходил этот так называемый дрейф генов? Что касается денисовцев, то вряд ли носители этого генома пришли на южное побережье Азии непосредственно с Алтая -в генотипе жителей транзитных территорий Восточной и Юго-Восточной Азии их «след» пока не обнаружен. Скорее всего, смешение генетического материала трех видов происходило где-то на территории Западной Азии примерно 100—80 тыс. лет назад, в очередное «пришествие» Homo sapiens со своей исторической африканской родины. И лишь затем человек разумный, уже несущий в себе гены денисовцев и неандертальцев, заселил юго-восток Евразии и Австралию.
Все эти открытия позволяют говорить о развитии новой модели антропогенеза в противовес теории моноцентризма, согласно которой единственным очагом становления человека современного физического облика являлась Восточная Африка, откуда потом и произошло его расселение по территории Евразии.
Нужно отметить, что теория полицентризма о существовании нескольких очагов формирования человека современного физического облика успешно разрабатывается в течение ряда лет академиком А. П. Деревянко (2011) и его научной школой в Институте археологии и этнографии СО РАН (Новосибирск). Развитию этой теории во многом способствовали результаты уникальных многолетних исследований новосибирских археологов на Алтае, кульминацией которых и стало открытие денисовца. В этом регионе ученым удалось зафиксировать картину постепенного и непрерывного развития человеческой культуры за огромный период времени - как минимум 300 тыс. лет. И судя по археологическим находкам, отражающим уровень материальной и духовной культуры, денисовцы абсолютно ни в чем не уступали людям современного физического облика, жившим в одно и то же время с ними на других территориях.
Нужно сказать, что костных остатков денисовцев пока обнаружено немного - лишь несколько зубов и фаланга пальца. Судя по антропологическим остаткам,
а НОВОСТИ НАУКИ
эта группа в морфологическом плане была архаичнее неандертальцев и на эволюционной лестнице находилась ближе к Homo erectus, человеку прямоходящему. Палеогенетические же данные, полученные из трех костных образцов из Денисовой пещеры, продемонстрировали неожиданно большое генетическое разнообразие - гораздо большее, чем было обнаружено у неандертальцев, обитавших на огромной территории от Западной Европы до Южной Сибири. Эти данные свидетельствуют о том, что денисовцы представляли собой достаточно устойчивую группу, имеющую глубокие древние корни.
Очень важными оказались и результаты палеогенетических исследований костных остатков неандертальцев из пещер Окладникова и Чегырской, соседних с Денисовой, где были обнаружены каменные орудия, типичные именно для этой группы и хорошо известные на Ближнем Востоке и в Западной Европе. В совокупности все эти археологические, антропологические и палеогенетические данные позволили уверенно утверждать, что приблизительно 50—30 тыс. лет назад в северо-западной низкогорной части Алтая, в бассейнах рек Ануй и Чарыш обитали по соседству две разные группы первобытных людей. При этом неандертальцы
Долина р. Ануй, где расположен научно-исследовательский стационар Института археологии и этнографии СО РАН «Денисова пещера», благодаря уникальной совокупности благоприятных для жизни природных условий в течение тысячелетий служила своего рода убежищем для многих видов живых существ, включая человека
пришли сюда примерно 50 тыс. лет назад, скорее всего, с территории современного Узбекистана. А корни культуры, носителями которой были денисовцы, как уже упоминалось, прослеживаются в древнейших горизонтах Денисовой пещеры.
К сожалению, пока невозможно точно установить, когда и как происходило ветвление эволюционного дерева человечества, в котором участвовали денисовцы и неандертальцы. На основе исследования ядерной ДНК можно утверждать только то, что эти группы являются сестринскими, и что сначала от эволюционного ствола отделилась ветвь общих предков этих гомини-дов, а затем произошло их разделение.
Эти уникальные изделия культуры ранней стадии верхнего палеолита (ожерелье, иглы и браслет) свидетельствуют, что в алтайском регионе эпоха верхнего палеолита началась раньше, чем в Европе
Безусловно, дальнейшие подобные палеогенетические исследования, все более приобретающие интеграционный характер, принесут еще немало неожиданных открытий. Сегодня в этой области работают большие интернациональные исследовательские коллективы. Один из самых результативных возглавляет профессор С. Паабо, заведующий департаментом эволюционной палеогенетики в Институте эволюционной антропологии общества им. Макса Планка (Лейпциг, Германия). Именно эта группа, объединяющая десятки ученых из крупных научных учреждений Европы и Америки, расшифровала геном неандертальца и провела палеогенетическую «реконструкцию» алтайских антропологических остатков.
Среди последних достижений в области антропологической палеогенетики - результаты исследований американских ученых из Стэнфордского университета, посвященные выявлению архаичных аллелей (вариантов) генов в геноме современного человека (Abi-Rached etal, 2011). Эта группа ученых выдвинула предположение, что наши архаичные предки оказали серьезное влияние на формирование нашей иммунной системы. Другими словами, благодаря смешению генного материала неандертальцев, денисов-цев и Homo sapiens человек современного физического облика в конечном итоге оказался более «защищенным» от воздействий негативных факторов среды. Эти результаты, хотя и нуждаются в дополнительном обосновании, свидетельствуют, что раскрывающие тайну нашего происхождения палеогенетические исследования имеют не только огромное фундаментальное значение, но и возможное практическое приложение в сфере современной медицины.
Литература
Деревянко А. П. Родословная человечества: теории и факты // Наука из первых рук. 2010. № 4 (34). С. 20-37.
Деревянко А. П., Шуньков М. В. Человек алтайский?//Наука из первых рук. 2010. № 2 (32). С. 8-10.
Шуньков М.В. Денисова пещера -все меняется, ничто не исчезает // Наука из первых рук. 2010. № 4 (34). С. 38-57.
Laurent Abi-Rached, et al. The Shaping of Modern Human Immune Systems by Multiregional Admixture with Archaic Humans // Science. 2011. Vol. 334. P. 89-94.
В публикации использованы фотографии С. Зеленского (ИАЭТ СО РАН, Новосибирск)
а НОВОСТИ НАУКИ
ПИЛИПЕНКО Александр Сергеевич -кандидат биологических наук, научный сотрудник межинститутского научно-исследовательского сектора молекулярной палеогенетики Института цитологии и генетики СО РаН (Новосибирск).
Автор и соавтор более 30 научных работ
38
Ключевые слова: древняя ДНК, палеогенетика, палеогеномика. Key words: ancient DNA, paleogenetics, paleogenomics
Древняя ДНК «заговорила»
На третье место в списке научных итогов первого десятилетия нашего века эксперты «Science» поместили успехи использования молекулярно-генетических методов в археологии и палеонтологии. Развитие новых методов расшифровки ДНК, позволивших получать информацию о строении генома даже у ископаемых организмов, живших десятки и тысячи лет назад, породило небывалый прогресс в этих достаточно традиционных областях знания
Палеогенетика - современная область исследований, находящаяся на стыке археологии и молекулярной генетики, - в последние годы стала активно развиваться благодаря все более широкому применению высокопроизводительных методов секвенирования (расшифровки) ДНК.
Развитию этого научного направления до недавних пор мешал ряд нерешенных проблем, главная из которых была связана с возможным загрязнением древнего генетического материала современной ДНК. Сегодняшние технологии секвенирования ДНК позволяют эффективно решать эту проблему, так как с их помощью можно получить информацию о степени деградирования древней ДНК, которая служит самым надежным критерием ее аутентичности. Так, уже разработана система оценки достоверности данных, учитывающая такие признаки древности ДНК, как преобладание относительно коротких фрагментов, химическая деградация нуклеотидов, а также характер распределения химически модифицированных оснований ДНК по длине секвенированных фрагментов (в частности, их концентрацию на концах молекул) (Krause et al.).
Сами технологические процедуры, которые проводятся в процессе высокопроизводительного секвенирования, намного менее подвержены влиянию загрязнения современным генетическим материалом, чем высокочувствительные варианты метода ПЦР, используемые в традиционном палеогенетическом исследовании. Поэтому полученные результаты способны убедить даже отчаянных скептиков. Это открывает новые перспективы для исследований ДНК древних микроорганизмов и архаичного человека.
Любое палеогенетическое исследование носит деструктивный характер -для получения образца ДНК требуется разрушить определенное количество палеоматериала (например, костной ткани). А эти источники древней ДНК, как правило, сами по себе обладают высокой научной ценностью. Поэтому перед исследователем всегда стоит задача получения максимально возможного объема информации (в данном случае - максимально возможного количества информативных генетических маркеров) при минимальной степени разрушения исходного образца. Раньше экстракция ДНК из нескольких сотен миллиграммов костного порошка позволяла получать информацию о структуре лишь небольшого фрагмента митохондриальной ДНК или ограниченного числа коротких локусов в ядерной ДНК. Однако теперь на основе анализа нескольких десятков миллиграммов исходного палеоматериала можно получить несопоставимо больший объем информации, вплоть до расшифровки полного генома организма, останки которого подвергаются исследованию.
Возможность проведения полногеномного исследования древнего организма как бы уравнивает информативность молекулярно-генетического
анализа древних и современных образцов ДНК, которая на сегодня ограничена лишь уровнем развития молекулярной генетики, т. е. уровнем знаний об устройстве и функционировании генома самого организма.
Конечно, в реальных условиях исследователи по-прежнему будут сталкиваться с плохой сохранностью ДНК в останках, чрезмерным уровнем внешнего загрязнения и другими проблемами. Для большинства отечественных исследовательских коллективов немалым препятствием на пути использования новых методов послужит и высокая стоимость эксплуатации приборов, препятствующая проведению серийных анализов.
Тем не менее потенциальная информативность палеогенетических исследований с использованием методов высокопроизводительного секвенирования ДНК многократно возрастает. Так, можно смело говорить о рождении новой области палеогенетики - палеогеномики, изучающей структуру геномов вымерших организмов. В этом отношении особенно впечатляющими выглядят перспективы исследования организмов эпохи плейстоцена, от вымерших видов животных и растений до представителей рода Homo.
Ярким примером достижений в этой области служит открытие на Алтае нового вида ископаемого человека, сосуществовавшего с человеком современного типа, а также установление вклада неандертальцев и денисовцев в генофонд современного человечества. Эти открытия позволяют по-новому взглянуть на концепцию одного из наиболее интригующих эволюционных феноменов - происхождения
В Межинститутском научно-исследовательском секторе молекулярной палеогенетики СО РАН работы с палеоматериалами проводятся по строгим международным стандартам
человека. В этом направлении предстоит еще многое сделать. В том числе в рамках перспективной программы совместных исследований новосибирских Института цитологии и генетики СО РАН и Института археологии и этнографии СО РАН, которая будет реализована в ближайшие годы, планируется оценить вклад этих видов гоминид в формирование генофонда древнего и современного населения.
Использование высокопроизводительных методов секвенирования ДНК будет способствовать прогрессу и в исследованиях более поздних периодов человеческой истории, от эпохи неолита до средневековья. Стимул для развития получит ряд таких актуальных работ, как реконструкция расо- и этно-генетических процессов, процессов доместикации животных и растений, возникновения и распространения патологий человека и т. д.
Возможность реального совмещения преимуществ палеогенетики, т. е. возможности непосредственного изучения геномов древних организмов и современной молекулярной генетики с ее технологиями массового анализа большого числа информативных генетических маркеров, позволит археологии подняться на новую ступень в реконструкции прошлого человека и среды его обитания.
Литература
Kirsanow K., Burger J. Ancient human DNA // Annals of Anatomy. 2012. V. 194. P. 121-132.
Pilipenko A. S., Molodin V. I. Paleogenetic analysis in archeological studies//Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2011. V. 1. P 51-72.
