Генетическая история человечества

Участники:

Эльза Хуснутдинова – доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент АН Башкортостана

Лев Животовский – доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН

Александр Гордон: Доброй ночи. Я вот обратил внимание, что каждому из тех, с кем я разговаривал, близок смысл выражения, что каждый человек носит в себе мир. Разумеется, приятно осознавать этаким вместилищем миров именно себя. Но сегодня мы поговорим о том, что, действительно, каждый человек и всё человечество в целом носит в себе мир, и даже миры, реально существовавшие, мало того, необходимо существовавшие для нашей жизни сегодня.

Лев Животовский: Сегодня мы будем говорить о генетической истории и об эволюционной истории человека. И в начале пару общих слов об эволюции вообще. Мы помним со школы, что эволюция живых существ представляется в виде дерева с мощным стволом, которое росло, потом появлялись ветви большие, от этих ветвей меньшие ветви, потом веточки и так далее. И вот на сегодня мы имеем такую пышную крону, одна из многочисленных веточек которой и есть человек. Мы не были свидетелями эволюции. Мы не знаем, как это эволюционное дерево росло, и поэтому, изучая его, мы как бы проецируем в обратную сторону наши знания существующих сейчас видов. Мы строим так называемые филогенетические деревья, основываясь на близости или несхожести ныне существующих видов по морфологическим признакам, физиологическим особенностям, по каким-то анатомическим строениям, ну и, конечно, основываясь на археологических находках. Близкие по морфофизиологическим признакам организмы мы группируем в одни ветви, другие сходные организмы в другие ветви, а потом, как бы ретроспективно идём назад во времени и строим филогенетическое древо. Его мы и трактуем как эволюционное дерево. Достижение генетики заключается в том, что генетика помогает нам в описании такого эволюционного дерева и в понимании эволюции. Дело в том, что эволюция – это, прежде всего, изменение ДНК, не полностью, но во многом. Это такие точковые изменения. Известно, что ДНК состоит из последовательности нуклеотидов, где один нуклеотид может быть заменён на другой. Таковы элементарные изменения. Группа ДНК образует хромосомы, хромосомы могут изменяться: какая-то часть, скажем, исчезать или, наоборот, добавляться, хромосомы могут сливаться. Вот так, генетически, идёт преобразование наследственной информации, и поэтому генетика уже внесла своё слово в новое понимание того, как эволюция происходит. Правильно ли, что филогенетическое древо построено по морфологическим и физиологическим признакам? Действительно, оказалось, что соответствие очень большое, поэтому далёкие виды на этом филогенетическом древе далеки друг от друга и по генетическим признакам – по ДНК. Если мы, скажем, возьмём человека и сравним его, допустим, с червём, то, окажется, что по ДНК они очень далеки друг от друга. А, скажем, если сравним с кошкой или собакой, то выясниться, что мы гораздо более близки по ДНК друг к другу. Мы и на филогенетическом древе близки. Если мы пойдём по этому филогенетическому древу дальше, то в классе млекопитающих мы доберёмся до веточки приматов. На этой веточке приматов мы увидим, что есть обезьяны низшие и есть обезьяны высшие. А вот веточка – человек, и если мы пойдём по этой веточке, то увидим, что даже чисто зрительное сходство увеличивается. Оказывается, что по ДНК мы становимся всё больше и больше похожи. Насколько похожи? Генетика позволяет ответить на этот вопрос. Если мы возьмём ДНК шимпанзе и ДНК человека и сопоставим их друг с другом, то, окажется, что мы близки не только внешне, а мы близки и по ДНК. В среднем, мы отличаемся только одним из ста нуклеотидов. То есть, если мы возьмём длинную цепочку из нуклеотидов, то, скажем, тысяча нуклеотидов у нас и у шимпанзе будут идентичны, а тысяча первая будет отличаться. Или, например, если десять похожи, то одиннадцатый будет отличаться. В среднем каждый сотый нуклеотид отличается, значит, мы на 99 процентов генетически тождественны шимпанзе, то есть очень близки.

А теперь давайте перейдём, собственно, к человеку. Вот возьмём разных людей, будь то аборигены Америки или Океании, или возьмём человека из Европы и сравним их. Кажется, что они очень разные. Нам кажется, что мы очень разные, но на самом деле мы очень похожи. Давайте вспомним фильм «Мимино»: там есть два главных героя, которые абсолютно разные, один из них грузин, другой – армянин. Они входят в лифт, и туда же входит делегация японцев. Потом все они вместе выходят из лифта, и один японец говорит другому: «Ну, надо же, эти русские все на одно лицо, их не отличить». Если хотя бы чуть-чуть взглянуть на нас со стороны, то выяснится, что мы очень похожи, хотя нам кажется, что мы принципиально разные. А какую объективную характеристику нам может дать взгляд со стороны? Это анализ ДНК. И вот если мы сравним ДНК от разных людей, то увидим, что мы отличаемся друг от друга только на одну десятую процента. То есть, только каждый тысячный нуклеотид у нас разный, а 999, в среднем, одинаковые. И более того, если мы посмотрим по ДНК на все генетическое разнообразие у людей, у самых разных представителей, то окажется, что этих различий гораздо меньше, чем различий между особями шимпанзе в одном и том же стаде.

А.Г. То есть, у шимпанзе больший набор нуклеотидов?

Л.Ж. Они отличаются друг от друга сильнее, чем мы, люди, друг от друга. То есть люди действительно очень похожи.

А.Г. Ну, тогда, извините, есть вопрос. А кто больше различается между собой, представители одной расы или разных рас?

Л.Ж. Мы чуть позже об этом поговорим, но различия не такие уж сильные, как, скажем, это могло бы показаться по ДНК. Мы не очень отличаемся друг от друга: все люди генетические братья и сёстры. Такая близость и в то же время какое-то различие возможны потому, что наши ДНК содержат, примерно, три миллиарда нуклеотидов. Каждый тысячный составляет разницу, так что получается, что где-то три миллиона нуклеотидов у нас разные. Правда, большинство из них, скорее всего, падает на молчащие участки ДНК, а гены у нас, в принципе, во многом одинаковые. Если мы возьмём молекулу гемоглобина, а это важная молекула, потому что она переносит кислород из лёгких в клетки организма, и если мы сравним всех людей, то окажется, что у нас абсолютно одинаковые молекулы гемоглобина. Малейшее изменение, например не та аминокислота, а она кодируется набором нуклеотидов, и это уже заболевание. Почти идентичен гемоглобин у нас и у гориллы, допустим, буквально единичное различие. То есть мы действительно очень схожи. Так вот, люди ещё более схожи между собой. Но тогда откуда взялось это, так сказать, маленькое различие, и достаточно ли его, чтобы выявить какие-то эволюционные события в пределах рода «гомо сапиенс», к которому мы все принадлежим?

Эльза Хуснутдинова: Ну, действительно, откуда у нас такие различия и кто вообще наш предок? Этот извечный вопрос и до сих пор остаётся очень спорным. До последнего времени палеоантропологи считали, что древнейшим предком современного человека является афарский австралопитек, который жил, примерно, 3-4 миллиона лет назад. И к этому же виду относится знаменитая Люси, костные останки которой были найдены в 70-х годах в Эфиопии. Ну, и в последнее время палеоантропологи считают, что древнейшим прародителем современного человека является другой вид австралопитека, а именно австралопитек рамидус. Костные останки австралопитека рамидуса тоже были найдены в Эфиопии, а возраст этих костных останков составляет уже где-то четыре с половиной миллиона лет. Первый представитель рода гомо появился где-то два миллиона лет назад, и это был человек умелый. Костные останки этого гомо хабилис были обнаружены в Африке. Потом человека умелого заменил гомо эректус, или человек прямоходящий. Считается, что человек прямоходящий жил где-то миллион семьсот тысяч лет назад, а костные останки гомо эректус были найдены и в Африке, и в Азии. К этому виду относится, например, всем известный финантроп, или пекинский человек, а также питекантроп, или яванский человек. В то же время были найдены костные останки, возраст которых составляет 250 тысяч лет. То есть считается, что эти люди очень долго жили. А первый представитель вида гомо сапиенс, к которому мы принадлежим, появился где-то 500 тысяч лет назад, и его назвали архаичный гомо сапиенс. Костные останки архаичного гомо сапиенса были обнаружены и в Африке, и в Европе, и в Азии. И поэтому возникает вопрос: где же точно возник предок современного человека? Где же возник современный человек? В настоящее время существуют две основные конкурирующие гипотезы: это мультирегиональная гипотеза и монофилетическая гипотеза. Согласно мультирегиональной гипотезе, люди разных рас имеют различное происхождение. Данная гипотеза основана на представлении о параллельной, непрерывной эволюции местных континентальных разновидностей у гомо эректус, что, в конечном итоге, через стадию архаичных людей привело к возникновению современных рас человека. Считается, что все предковые популяции составляли единую популяционную систему и обменивались между собой генами. А согласно другой гипотезе, монофилетической, все люди имеют общее происхождение. Утверждается, что современный человек разумный и архаичный гомо сапиенс это совершенно разные виды. То есть считается, что появление современного человека это результат возникновения новой эволюционной линии. В принципе, сторонники обеих этих гипотез расходятся в одном, а именно в уточнении места происхождения человека. Большинство палеоантропологов считают, что человек произошёл в Африке, но в то же время их мнения расходятся по вопросу о времени возникновения современного человека. Согласно мультирегиональной гипотезе, современный человек возник где-то миллион семьсот тысяч лет назад, а согласно монофилетической гипотезе, человек это новый вид и появился совсем недавно, около 500 тысяч лет назад. Но, в конце концов, антропологи и археологи не смогли поставить убедительную точку в этом полувековом споре. Коренной перелом в ход этой дискуссии внесли молекулярные генетики, благодаря открытию полиморфизма ДНК. Для восстановления истории происхождения человека, молекулярные генетики проводят исследования различий между геномами представителей разных рас и народов. Путём сравнения двух родственных генетических текстов и по числу различий между ними, можно датировать время появления последней предковой мутации и тем самым установить время существования общего предка популяции.

Л.Ж. Ну, наверное, сейчас стоит сказать несколько слов о тех генетических признаках и методах, которыми генетики пользуются для того, чтобы изучить эволюцию человека, изучить дивергенцию рас и их распространение на другие континенты. Как получается, что монофилетическая гипотеза возникновения человека в Африке более предпочтительна с точки зрения генетики, чем межрегиональная?

А.Г. Более предпочтительна или исключительно только она имеет под собой основание?

Л.Ж. Ну, вы знаете, все данные, которые сейчас генетики получают, непротиворечиво объясняются монофилетической гипотезой о происхождении человека в Африке. Конечно, отвечая на ваш вопрос, можно заметить, что наука, собственно, ничего не объясняет. Хоть я и являюсь представителем науки, но я сделаю такое философское заключение: наука ничего не объясняет, наука находит факты и описывает их путём построения теорий, гипотез. Поскольку же одни и те же факты могут описываться разными гипотезами, значит, могут быть высказаны сразу несколько гипотез. Новые факты могут опровергнуть одну гипотезу и не укладываться в неё, могут не укладываться во вторую, но при этом может возникнуть третья гипотеза. Наши две основные гипотезы, с вариациями, существуют уже давно, как минимум, с начала 20-го века. Генетические данные, которые мы имеем сейчас, лучше всего ложатся в гипотезу африканского происхождения человека, хотя совершенно не исключено, что какая-то часть мультирегиональной гипотезы может быть тоже справедлива. Какие-то генетические остатки ещё могут находиться, но это дело будущего.

А.Г. Я хочу подвести маленький промежуточный итог. Значит, работы генетиков подтверждают гипотезу Ноева ковчега, а мы знаем, что есть гипотеза канделябра и Ноева ковчега. Всё человечество в его сегодняшнем разнообразии произошло от одной небольшой популяции, которая находилась в Африке. Тем не менее, есть какие-то факты, которые могут воодушевить тех людей, которые предпочитают думать всё-таки больше о канделябре, чем о единой ветке. Дело в том, что в прессе, которая очень легковерна, в последнее время появляются только сообщения о том, что генетики доказали, будто всё человечество происходит от митохондриальной Евы, может быть даже и не понимая значение этого слова, «митохондриальная». Вот я и хочу попытаться разобраться, насколько у нас есть основания делать именно такие заключения, а не какие-то другие.

Л.Ж. Да, при этом, когда произносят такую фразу, слово «митохондриальная» забывают вообще, якобы была одна Ева, и вот от этой одной Евы всё и произошло. Слово «митохондриальная» опускать нельзя, если знать, что такое Ева в данном случае. Но сначала нужно немножечко рассказать о генетических признаках, чтобы понять, что же такое митохондриальная Ева.

Вот у нас есть клетка. Изучаются несколько типов ДНК, которые по-своему могут помочь в распознании эволюции человека. Есть ДНК ядерная, это ДНК хромосом, и есть ДНК внеядерная, это ДНК находящийся в митохондриях. Изучаются и та ДНК, и эта ДНК. В ядерной ДНК важное значение в исследованиях последних лет приобрело изучение Y-хромосомы, потому что она наследуется по отцовской линии и по ней можно проследить миграции мужской части населения. Это внесло очень важный вклад в эволюцию популяции человека. Особенно большой фон такой миграции проявился 500-600 лет назад, когда в плаванье под парусами отправлялись мужчины, которые оставляли генетические следы во всех уголках земного шара. И сейчас, изучая генетические ветви Y-хромосомы, мы можем проследить пути той части генов, которые привнесли мужчины с собой, защищая те или иные земли.

А.Г. Где Колумб наследил, грубо говоря.

Л.Ж. Да. Митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Здесь мы можем проследить миграцию и, вообще, судьбу популяций с материнской стороны. Изучение аутосомных ДНК позволяет сверять комбинативную изменчивость, одновременно привносимую и с отцовской, и с материнской стороны. Ну, а как это возможно методически? Выделяется, скажем, определённый фрагмент ДНК, и с помощью современных методов, скажем, методов цепной реакции, этот фрагментик можно выделить и размножить. Он окаймляется с краёв так называемыми праймерами. И вот мы можем его выделить у одного человека, у второго и третьего.

А.Г. Тот же самый участок.

Л.Ж. Да, этими же праймерами. Различие между разными людьми может быть либо в длине этого фрагмента, за счёт того, что когда-то произошла вставка или, наоборот, делеция, т.е. уменьшение этого размера. Или, скажем, размер может не измениться, но за счёт мутации может измениться состав этого фрагмента ДНК, когда один нуклеотид заменится на другой. Это тоже мутационное, эволюционное событие, и поэтому, скажем, если мы имеем различие по длине фрагмента, то следует уже после цепной реакции фрагментики пропустить через так называемый гель. Гель – это такое плотное желе, и оно представляет собой решётку, через которую фрагменты ДНК проходят и, если это короткий фрагмент, легко преодолевают её. Дальше они продвигаются под действием электрического поля, приложенного к этому гелю. Длинный фрагмент продвигается дольше и как бы застывает. В конце, после этого процесса электрофореза ДНК, мы видим две полоски у данного человека по данному фрагменту. Это значит, что вот этот фрагментик он получил от одного родителя, а другой фрагментик от другого родителя. Это и есть его генотип по данному локусу, месту, элементу. У другого человека эти фрагментики могут быть другой длины, и поэтому мы видим его отличие от первого. У третьего человека оба фрагмента могут быть одинаковой длины. Мы видим, что одни фрагменты отличаются, а какие-то могут совпадать и вот, изучая много фрагментов, мы можем много таких различий найти по размеру фрагмента. Как правило, это происходит, когда мы изучаем ядерные ДНК, но не только. А вот, скажем, когда мы изучаем митохондриальную ДНК, там используются тоже разные методы и в том числе методы, основанные на сопоставлении состава ДНК. Скажем, фрагмент такой-то может быть одинаковой длины, но вот нуклеотидный состав у него разный. В таком случае проводят секвенирование и смотрят, как они отличаются друг от друга. Вот такими методами современная генетика может изучать тысячи фрагментов ДНК. И хотя по одним параметрам многие люди могут быть одинаковые, под другим они могут отличаться. Такой генотипический портрет человека можно получить по очень многим характеристикам.

А.Г. Но информация будет тем достовернее, чем больше маркёров?

Л.Ж. Конечно. Когда мы устанавливаем личность по отпечаткам пальцев, даже если это человек уникальный, практически стопроцентно мы можем его идентифицировать, если у нас есть все десять пальцев, хорошо отпечатанные. Когда мы изучаем узоры только на одном пальце или только часть узора, у нас больше возможности спутать и ошибиться. Также и с ДНК, когда мы набираем много фрагментов, мы имеем большую индивидуализацию. Современные исследования вводят в программы своих анализов тысячи таких фрагментов, и это используется, скажем, при выявлении болезней. Когда смотрят, как болезнь возникла и как в родословной или в популяции она себя ведёт, то обращают внимание на то, как сопряжённые фрагменты меняются. Таким образом, можно картировать, то есть найти то место на хромосоме, где находится ген, который поломался, который вызывает болезнь, а как лечить дальше это уже, так сказать, следующий этап. В эволюционных исследованиях мы также можем изучить множество фрагментов.

А.Г. Но вот имея такую генетическую картину современного человечества, какой метод мы можем применить для того, чтобы пойти эволюционно назад, чтобы понять, как эти все индивидуумы сходятся в одном этносе?

Л.Ж. Исторически первое исследование такого рода было проведено с использованием митохондриальных ДНК. Учёные взяли выборку от аборигенов Африки, Азии, Европы, Америки и в этой, поначалу небольшой выборке, сравнивая митохондриальные ДНК разных индивидов друг с другом, обнаружили, что разнообразие митохондриальных ДНК выше всего в Африке. А поскольку мы знаем, что мутационные события могут изменять тип митохондриальной ДНК и мы знаем, как он может меняться, то, следовательно, мы можем сказать, какие типы от каких могли произойти мутационно. А зная тонко мутационный процесс, мы можем определить, когда это могло произойти.

А.Г. Грубо говоря, у тех людей, у которых брали анализ ДНК в Африке и обнаружили гораздо большую вариативность, было больше времени на то, чтобы накопить эти изменения.

Л.Ж. Правильно. Более того, там нашли такие типы митохондриальных ДНК, а потом и по другим маркёрам тоже, по Y-хромосоме и по аутосомным, которые были опознаны как древние. Остальные типы митохондриальных ДНК, на других континентах, были менее разнообразны, и видно, что часть из них возникла уже потом, когда человечество мигрировало из Африки. И вот на картинке мы можем видеть митохондриальное дерево, растущее прямо из Африки. Это та самая первая картинка, полученная по митохондриальной ДНК, которая подтверждала именно гипотезу африканского происхождения.

А.Г. Строго говоря, можно утверждать, что генетикам удалось доказать происхождение женщины в Африке?

Л.Ж. Да, по митохондриальным ДНК. Но потом они изучали Y-хромосомы, и оказалось, что и мужчины происходят из Африки. Они встретились и познакомились всё-таки в Африке.

А.Г. И когда это великое событие случилось?

Э.Х. Благодаря исследованиям митохондриальной ДНК, можно установить не только то, что человек произошёл из Африки, но и когда, то есть установить время его происхождения. Время появления митохондриальной праматери человечества было установлено благодаря сравнительному изучению митохондриальной ДНК шимпанзе и современного человека. То есть зная время разделения двух ветвей шимпанзе и современного человека, а это, примерно, 5-7 миллионов лет, зная темп мутационной дивергенции, это где-то 2-4 процента за миллион лет.

А.Г. А он этот темп постоянный или он зависит от внешних условий?

Э.Х. Конечно, он считается постоянным, хотя для разных участков генома он может быть разный. Сейчас мы говорим только об одном участке митохондриальной ДНК. И вот зная все показатели, было вычислено время существования последней предковой последовательности митохондриальной ДНК. Считается, что прошло 185 тысяч или 200 тысяч лет.

А.Г. Вот здесь, извините, у меня вопрос, который я не могу не задать, потому что начинают мозги плавиться. Когда мы говорим о митохондриальной Еве, мы же не имеем в виду особь?

Э.Х. Нет, конечно. Мы говорим о митохондриальной ДНК.

А.Г. Да, то есть это возникновение путём эволюции целой популяции особей со сходными признаками, которые в процессе отбора закреплялись и о которых мы можем судить, когда и где они появились. Это важно, потому что когда говорят о Еве и предполагают Адама, это древо вдруг превращается в один листик. Начинают утверждать, что вот от какого-то конкретного предка в первом поколении произошёл какой-то другой и от него уже пошло всё человечество. Вот этот период превращения одного предка в другого предка, более близкого к нам, каков он?

Э.Х. Считается, что митохондриальная Ева жила в период резкого сокращения численности наших предков, где-то до десяти тысяч особей. То есть, именно это время прохождения через бутылочное горлышко, через сокращение, является временем появления гомо сапиенс, как биологического вида. То есть, это, примерно, 10-20 тысяч.

А.Г. Вариативность была резко снижена из-за сокращения популяции.

Э.Х. В связи с изменением климата. Это уже не раз происходило в истории человечества.

А.Г. То есть, грубо говоря, если бы произошло другое генетическое событие, мы бы сейчас говорили с вами на совершенно на другом языке, если вообще имели способность говорить. Понятно?

Э.Х. Кроме того, изучая митохондриальную ДНК различных представителей, то есть разных популяций, было высказано предположение, что ещё до выхода из Африки предковая популяция разделилась на три группы, давшие начало трём современным расам – африканской, европеоидной и монголоидной. И считается, что это произошло где-то 60-70 тысяч лет назад.

А.Г. Тут есть некое совмещение двух теорий. От одного предка в Африке, но три ветви, которые дали три расы.

Э.Х. Дополнительные сведения о происхождении человека были получены при сравнении генетических текстов митохондриальной ДНК неандертальцев и современного человека. Учёным удалось прочитать генетических тексты митохондриальной ДНК костных останков двух неандертальцев. Костные останки первого неандертальца были найдены в Фельдховерской пещере в Германии. Чуть позже был прочитан генетический текст митохондриальной ДНК неандертальского ребёнка, который был найден на Северном Кавказе в Межмайской пещере. И вот при сравнении митохондриальной ДНК современного человека и неандертальца были найдены очень большие различия. Так, например, митохондриальная ДНК неандертальца отличается от митохондриальной ДНК современного человека, примерно, по 27 позициям из 370. То есть, мы берём какой-то участок ДНК, например, 400 пар нуклеотидов, и вот 27 нуклеотидов отличаются из этих 370.