Наука и технологии 4 октября 2022

Любовь гоминидов не знала границ

Лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2022 год стал шведский ученый Сванте Паабо. Так были оценены его революционные работы в области изучения геномов вымерших гоминидов и эволюции современного человека. Его главными достижениями принято считать секвенирование генома неандертальца и идентификацию еще одной ветви гоминидов — денисовцев

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2022 года присуждена Сванте Паабо «за открытия, касающиеся геномов вымерших гоминидов и эволюции человека»

nobelprize.org

Исследования Сванте Паабо породили новую научную дисциплину — палеогеномику. Сравнение геномов современных людей и вымерших гоминидов, позволяет делать выводы о том, как происходила их эволюция.

До относительно недавнего времени мы не предполагали, как мы связаны с вымершими гоминидами. Считается, что Homo sapiens проживали в Африке примерно 300 тысяч лет назад, а их миграция за пределы континента произошла примерно 70 тысяч лет назад. А ближайшие к нам гоминидные родственники — неандертальцы — в это время уже проживали за пределами Африки: они заселили Европу и Западную Азию примерно 400 тысяч лет назад. Однако вымерли они примерно 30 тысяч лет назад, соответственно, несколько десятков тысяч лет и наши предки, и неандертальцы бродили по просторам как минимум Европы одновременно. И эти пересечения были не в пользу неандертальцев. Тем не менее нельзя сказать, что между ними существовала только конкуренция и борьба за лидерство. Была и любовь. Геномы не врут.

Еще несколько десятков лет назад казалось почти невозможным выявить хотя бы некие смутные истории наших взаимоотношений с помощью геномной информации. Однако наука не стоит на месте, а почти фанатическое упорство исследователей вроде Сванте Паабо приносит свои плоды.

Открытия Паабо предоставили важную информацию о том, как был заселен мир в то время, когда Homo sapiens мигрировал из Африки и распространился по всему миру. Неандертальцы жили на западе, а денисовцы на востоке на Евразийском континенте. Скрещивание произошло, когда Homo sapiens распространился по континенту, оставив следы, которые остались в нашей ДНК

nobelprize.org

Неблагодарная работа

Еще не вступив на стезю ученого, Сванте был очарован возможностями изучения геномов. Обучаясь в Уппсальском университете он, помимо положенной работы, связанной c отношениями вирусов и иммунной системы, занимался собственным проектом по выделению ДНК из египетских мумий. Ему удалось клонировать целую библиотеку ДНК из образца возрастом 2400 лет. Дальнейшие исследования предполагали сравнения с генами современного человека. Однако довольно скоро Паабо понял, что исследование древней ДНК — архисложная задача, поскольку она, как правило, значительно загрязнена более современными следами человека или бактерий, и на тот момент отделить одно от другого было весьма проблематично. Ряд известных ученых заявляли, что изучение древних геномов — неблагодарная работа именно из-за этих проблем. Проблемы сохранности древних ДНК связаны и с их местонахождением. В частности, древние африканские геномы практически не сохраняют кусочки ДНК, которые можно было бы изучать, и это до сих пор считается проблемой. Однако ученые с воодушевлением относились к находкам из более северных широт, где могла быть обеспечена более надежная сохранность фрагментов ДНК.

Древние африканские геномы практически не сохраняют кусочки ДНК, которые можно было бы изучать. И это до сих пор считается проблемой. Однако ученые с воодушевлением относились к находкам из более северных широт, где могла быть обеспечена более надежная сохранность фрагментов ДНК

Паабо решил сосредоточиться на изучении методов геномных исследований и их совершенствовании. Некоторое время он занимался этим в Университете Цюриха, а затем перебрался в Калифорнийский университет в Беркли и стал там постдокторантом известнейшего на тот момент генетика Аллана Уилсона.

В середине 1980-х был открыт революционный метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), что означало прогресс в области геномного анализа. Уилсон и Паабо впервые применили метод ПЦР для анализа древних фрагментов ДНК. Прогрессивный метод тут же обозначил и проблемы: ученые все время находили в больших количествах загрязнения ДНК микробов и современных людей. Паабо спроектировал специальные чистые помещения, чтобы хотя бы частично решить задачу и минимизировать риск контаминации. К тому же он постоянно подчеркивал необходимость воспроизведения результатов другими лабораториями. В течение долгих лет Паабо и его группа описывали технологические сложности работы с древней ДНК и искали методы извлечения наиболее чистой древней геномной информации.

Дистальная фаланга кисти, найденная в Денисовой пещере

nobelprize.org

В 1990 году, работая в Мюнхенском университете, Паабо занялся амбициозным проектом по изучению генома неандертальца. Именно в Германии в середине XIX века были найдены останки неандертальца в пещере Фельдхофер в долине, которую прозвали неандертальской. Паабо повезло, что руководство Археологического музея Бонна милостиво «бросило ему кость», вернее кусочек кости, для исследования. Полученная генетическая последовательность митохондриальной ДНК содержала 61 нуклеотид. Большинство клонов этой последовательности содержали варианты, которые не встречались у современных людей. Сравнения с геномами людей и шимпанзе и моделирование филогенетического древа показало, что современный генофонд мтДНК происходит из Африки и общий предок неандертальца и современного человека жил там от 550 до 690 тысяч лет назад. Однако мтДНК наследуется только по материнской линии и дает лишь ограниченную картину эволюционной истории. Поэтому Паабо и его коллегам нужно было больше экспонатов, желательно с сохраненными фрагментами ядерной ДНК. В известняковых пещерах Хорватии были найдены останки неандертальцев, Паабо удалось получить из Института палеонтологии и геологии целых 15 образцов. Анализ показал, что возраст одного из них — 42 тысячи лет. Группа занялась их изучением. Анализ образцов показал, что эти люди произошли из очень небольшой популяции.

Неандертальцы пересекались и с денисовцами. На Алтае геном останков молодой женщины показал, что ее родителями были представители двух древнейших ветвей гоминид — неандертальцев и денисовцев

Перебравшись в Институт эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, Паабо занялся изучением ядерного генома неандертальцев. Его команда проверила более 70 образцов костей и зубов неандертальцев из разных мест Европы и Западной Азии. Первый миллион нуклеотидов, полученный новым методом высокопроизводительного секвенирования, был опубликован в 2006 году. Однако ученые отметили, что полученные данные были сильно загрязнены ДНК современного человека, что потребовало кропотливой работы по усовершенствованию технологий. Паабо продолжал изучать всё новые образцы не только из Германии и Хорватии, но также из Испании и Мезмайской пещеры Кавказа. Исследования показывали, что неандертальцы были в равной степени близки как к европейцам, так и к выходцам из Восточной Азии. Дальше всех неандертальцы были от африканцев, что могло объясняться их более ранним уходом с континента и последующим сосуществованием с другими гоминидами, в том числе сапиенсами.

Архаичные геномы предлагают захватывающие новые возможности для выявления важнейших генетических особенностей, которые отличают современных людей от неандертальцев и денисовцев

nobelprize.org

Неандертальцы выбирали кроманьонок

Однако не только с нашими предками пересекались неандертальцы. Археологические раскопки показали, что архаичные гоминиды жили на юге Сибири, куда могли заселиться более 125 тысяч лет назад. В 2008 году Паабо получил в свое распоряжение фрагмент скелета из Денисовской пещеры на Алтае, откуда можно было извлечь ДНК. Полученная последовательность была изучена в сравнении с геномами современного человека, неандертальца, шимпанзе и бонобо. Анализ показал, что мтДНК неизвестного гоминида гораздо больше отличалась от ДНК современного человека, чем от ДНК неандертальца. В 2010 году филогенетический анализ подтвердил, что был обнаружен уникальный гоминид, которого прозвали денисовцем. Последовательности ДНК неандертальцев и денисовцев разошлись примерно 640 тысяч лет назад, а с ДНК современных африканцев — более 800 тысяч лет назад.

Несмотря на то что неандертальцы не только мигрировали по Европе, но и добирались до Сибири, у современных европейцев больше геномной связи с неандертальцами, а у азиатов — с денисовцами. Тем не менее неандертальцы пересекались и с денисовцами. На Алтае геном останков молодой женщины показал, что ее родителями были представители двух древнейших ветвей гоминид — неандертальцев и денисовцев.

Исследования Паабо подтвердили, что по крайней мере две отдельные группы гоминидов населяли Евразию, когда предки современных людей вышли из Африки. Данные также показали, что между всеми ними происходило скрещивание, в результате чего небольшое количество архаичных сегментов генома сохранилось у современных людей.

До Паабо мы, в частности, не подозревали, что наши связи с неандертальцами были романтическими. Причем неандертальские мужчины выбирали кроманьонок., но не наоборот. Денисовские же гены в сравнительно значительном количестве находят, например, у полинезийцев

Геномные исследования Паабо дали старт дальнейшим работам по геномному анализу и заполнению белых пятен эволюционной истории. Эти данные также интересны для изучения того, как развивались геномы различных ветвей, что им давали отдельные генетические особенности и что дают отдельные гены современным людям. В частности, выяснилось, что ген, связанный с лучшим восприятием жизни «на высоте», был позаимствован у денисовцев и присущ современным тибетцам. А от неандертальцев достались некоторые гены, связанные с восприимчивостью инфекций иммунной системой.

Главный научный сотрудник Федерального исследовательского центра биотехнологии Егор Прохорчук отметил, что Паабо — выдающийся ученый. (И, что встречается крайне редко, его отец Суне Бергстрём тоже лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине.) До Паабо мы, в частности, не подозревали, что наши связи с неандертальцами были романтическими. Причем неандертальские мужчины выбирали кроманьонок, но не наоборот. Денисовские же гены в сравнительно значительном количестве находят, например, у полинезийцев. Именно Паабо показал, что среди археологических находок мы видим не просто кости наших предков, а артефакты, которые уточняют нашу эволюционную историю, выводя на ее поле совершенно новых гоминид, таких как денисовцы. Паабо, по словам Прохорчука, не только продемонстрировал замечательную работу по модификации и усовершенствованию появившихся сравнительно недавно технологий геномного анализа — он позволил нам взглянуть в глубь веков с точки зрения геномной информации, дав ученым возможность работать с совершенно разными эволюционными и историческими гипотезами.

Денисовцев открыла палеогенетика

Мы встретились с заведующим кафедрой биологической эволюции биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, доктором биологических наук Александром Марковым и попросили его прокомментировать присуждение премии Сванте Паабо.

Заведующий кафедрой биологической эволюции биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, доктор биологических наук Александр Марков

rus.team

— В чем важность достижений Сванте Паабо для физиологии и медицины? И для теории эволюции, которой вы так активно занимаетесь?

— Те, кто в теме и знают, чем он занимался и что он сделал, давно считали, что пора ему дать Нобелевскую премию. Фактически Паабо создал новую науку, целое новое научное направление — палеогенетику. Это очень увлеченный человек, преданный идее, что можно найти остатки молекул ДНК в древних костях и прочесть геномы давно умерших или даже вымерших организмов. Он шел к реализации этой своей мечты много лет, и по мере развития методологической и технической базы молекулярной биологии эта цель была все ближе и ближе, и наконец появились технологии, которые позволили Паабо эту мечту осуществить. И многие из этих методических подходов он сам и его ученики разработали.

И у этой новой науки множество разных приложений, в том числе практических. Сейчас мы даже не можем всё предвидеть и расписать конкретно, для какого практического дела нужна палеогенетика. Это целый мир. Но вот один маленький частный пример: благодаря открытиям Паабо мы узнали массу подробностей про вымерших наших предков и наших родственников — кроманьонцев, неандертальцев, денисовцев. Собственно, денисовцы как особый вид или подвид людей были открыты исключительно благодаря палеогенетике, а вовсе не физической антропологии. И после того, как в палеогенетике получили геномы целого ряда наших предков — и древних сапиенсов, и неандертальцев, и денисовцев, и некоторых других — мы теперь совсем на другом уровне знаний можем судить о происхождении различных особенностей современных людей, которые важны в том числе с медицинской точки зрения.

Например, известно, что люди получили в результате скрещивания с неандертальцами целый ряд генетических вариантов, которые так или иначе влияют на наше здоровье, на иммунную систему, на риски различных заболеваний. И даже один неандертальский фрагмент генома, как было показано, значимо влияет на шанс заболеть тяжелой формой ковида. То есть мы теперь знаем, что было скрещивание с неандертальцами, мы теперь не то чтобы прямо точно, до конца, но на много порядков лучше понимаем происхождение неандертальцев и денисовцев. И вообще родословную наших предков мы понимаем сейчас на много порядков лучше, чем могли когда-либо ее понять, опираясь только на археологию, антропологию и так далее. Нам открылся целый новый мир, открылось невероятное окно в прошлое и человека, и других видов животных.

— Кроманьонцы, денисовцы и неандертальцы — это разные ветви человеческого рода, отделявшиеся друг от друга последовательно в ходе истории?

— Да.

— А есть принципиальные отличия между ними? В общем представлении это какие-то грубые лица, мощные торсы… Условно говоря, мы же тоже отличаемся генетически, скажем, от китайцев, но вроде не принципиально. Отличия друг от друга этих древних людей напоминает такие расовые отличия или они более важные или большие?

— По генетике эти отличия как минимум на порядок больше. Скажем, немец от китайца отличается как минимум в десять, а то и в пятьдесят раз меньше, чем современный человек от неадертальца. Если о том, как выглядели неандертальцы, мы можем судить по сохранившимся костям, то о внешности денисовцев мы судим пока в основном по палеогенетическим данным. И для этого тоже существуют очень интересные методики, которые по древним геномам и с использованием имеющихся баз данных о том, как те или иные мутации влияют на строение скелета современных людей, позволяют осторожно предполагать, чем отличался скелет денисовца от нашего.

Но если говорить о принципиальных вещах, то, наверное, надо речь должна идти о том, как у них работал мозг, как работало мышление, ведь это нас больше всего интересует. Пока мы не можем с помощью палеогенетики реконструировать такие особенности неандертальцев и денисовцев, но тем не менее мы можем сказать определенно, что после расхождения этих трех ветвей отбор поддерживал в разошедшихся линиях разные генетические варианты и действительно шел отбор по генам, функции которых связаны с развитием и работой мозга. То есть мы можем достаточно уверенно сказать, что мозги у наших прямых предков, у неандертальцев и у денисовцев, работали в значительной степени по-разному. Как именно по-разному, сказать пока нельзя, но то, что мозговые, когнитивные функции различались, это, в общем, уже вполне очевидно.

— И это в каком-то смысле помогло нашим предкам выжить, в отличие от денисовцев и неандертальцев?

— Да, определенно. Поскольку мы знаем, что из трех этих видов выжил один, а остальные сохранились только в виде маленьких примесей в наших геномах. Это были не совсем чуждые нам существа, это все-таки были тоже люди, с которыми можно было скрещиваться, от которых можно было иметь совместное потомство, но тем не менее они вымерли, а наш вид заселил всю Землю. И это один из ключевых вопросов палеоантропологии: в чем заключалось конкурентное преимущество именно сапиенсов по сравнению с неандертальцами и денисовцами.

Мы знаем генетические различия, которые, скорее всего, играли важную роль, но вот конкретно сказать, в чем состоит функциональная роль этих отличий, нельзя, хотя есть кое-какие косвенные указания на это. Есть такой известный ген речи, журналисты его так называют, потому что мутации в этом гене у людей приводят к нарушению и полному отсутствию дара речи: такие люди только мычат и не могут ни понимать, ни говорить. То есть нормальная работа этого гена необходима для речи, и при этом этот ген подвергался отбору в линии общих предков сапиенсов, неандертальцев и денисовцев. И после расхождения какая-то важная замена произошла у предков сапиенсов, которой не было у неандертальцев и денисовцев, и это было настолько важно, что, когда уже потом происходила гибридизация наших предков с неандертальцами, именно из этого участка генома, включающего ген Фокс 102, были полностью вычищены неандертальские примеси.

Это значит, что тот вариант гена Фокс 102, который был у неандертальцев, для наших прямых предков сапиенсов был каким-то образом неприемлемым, отбор его категорически выбраковывал. И это позволяет предположить, что с одной стороны, видимо, какой-то дар речи, какой-то язык у неандертальцев был, потому что две значимые замены — общие, они произошли от общих предков, но что-то связанное с речью с какой-то вероятностью у неандертальцев отличалось от наших генов. Нашим предкам неандертальский вариант был очень вреден, и отбор работал против него.

Кроме того, палеогенетика намекает нам на то, что у неандертальцев эффективная численность популяции была ниже, чем у древних сапиенсов. И, тоже судя по палеогенетическим данным, неандертальцы жили маленькими сплоченными группами, которые враждовали друг с другом, в которых мужчины, видимо, оставались в своей родной группе, а молодые женщины мигрировали в другие группы, но в остальном группы враждовали и даже могли убивать и есть друг друга. И по таким же косвенным намекам палеогенетическим, похоже, сапиенсы лучше, чем неандертальцы, умели формировать более сложные социальные сети, связывающее между собой разрозненные группки охотников-собирателей, то есть, грубо говоря, если у неандертальцев были изолированные враждующие маленькие группы, то у сапиенсов эти группы охотников-собирателей умели объединяться в какие-то более крупные системы типа племен.

— То есть они были более приспособлены к социальной жизни?

— Да. И это отчасти было связано с генетическими различиями, влияющими на мозговую активность, отчасти с культурными, но культура тоже развивалась на базе возможностей мозга, которые определяются генами. И многие антропологи осторожно склоняются к гипотезе, что основное и главное конкурентное преимущество сапиенсов заключалось именно в такой — улучшенной — социальности, благодаря чему разрозненные группы могли что-то делать сообща.

— Я прочел про Паабо, что он нашел (или кто-то нашел, а он уже изучал) палец. И по нему определил, что это особая разновидность людей. А еще какие-то находки были денисовских останков?

— Они есть, правда не очень многочисленные, но сейчас уже гораздо больше, чем один палец. Еще несколько зубов, есть нижняя челюсть, найденная в Тибете, на большой высоте, из нее ДНК, правда, выделить не смогли. Но на базе палеогенетики развилась теперь еще наука палеопротеоника, из этой челюсти удалось выделить фрагменты белков, коллагенов, и уже по этим белкам сумели показать, что эта челюсть принадлежала денисовцу. То есть доказанный ареал денисовцев вышел за пределы Денисовой пещеры. Там есть еще ряд находок костей — теперь, когда мы уже чуть больше знаем о морфологии денисовцев, мы можем с какой-то вероятностью предполагать, что это тоже денисовцы. То есть похоже на то, что денисовцы были широко распространены в Восточной и в Юго-Восточной Азии. В частности, в одной работе удалось доказать, что, по-видимому, они добирались аж до новой Гвинеи. И там жили какое-то время вместе с сапиенсами и скрещивались.

— Но это значит, что они могли пользоваться какими-то средствами передвижения, пусть и простейшими, чтобы по морю плыть?

— Определенно да. До Новой Гвинеи надо было плыть. То есть культура у них была среднепалеолитическая, но достаточно высокоразвитая. И наверное, какие-то плоты, по крайней мере, они были в состоянии использовать.

Интервью взял Александр Механик

Темы: Наука и технологии