Эволюция человека. Книга 3. Кости, гены и культура - Елена Наймарк

Первые указания на частичную генетическую несовместимость сапиенсов с денисовцами были получены в 2012 году – сразу после того, как удалось с высоким покрытием прочесть денисовский геном (Denisova 3, см. раздел “Геном денисовского человека: от «черновика» к «чистовику»” в главе 4). Дальнейшее развитие эта тема получила в 2014 году, когда был прочтен с высоким покрытием геном алтайского неандертальца (Denisova 5, см. раздел “Геном алтайского неандертальца” в главе 3).

Спеша использовать новые возможности, открывшиеся в связи с появлением качественного неандертальского генома, Сванте Пэабо, Дэвид Райх и их коллеги просканировали геномы 1004 современных людей в поисках неандертальских примесей (Sankararaman et al., 2014). Для этого пришлось разработать специальную компьютерную программу, оценивающую вероятность неандертальского происхождения для любого выбранного участка генома.

Использовалось несколько подходов. Можно анализировать отдельные нуклеотидные позиции. Берем четыре генома: шимпанзе, неандертальца и двух современных людей (например, африканца и европейца). Затем выбираем такие нуклеотидные позиции, в которых у шимпанзе и одного из современных людей стоит один нуклеотид (скорее всего, это исходный, “примитивный” аллель, раз он есть у шимпанзе), а у неандертальца и второго современного человека – другой (это, скорее всего, “продвинутый” аллель, то есть производный, возникший позже). Найдя все такие позиции, смотрим, у каких современных популяций больше общих с неандертальцами продвинутых аллелей. Оказалось, что у всех внеафриканских сапиенсов доля таких аллелей резко повышена по сравнению с африканцами. Именно на этом наблюдении изначально и был основан вывод, что предки внеафриканского человечества после своего выхода из Африки, но до широкого расселения по Евразии гибридизовались с неандертальцами (книга 1, глава 5, раздел “Геном неандертальца”).

Есть и другие подходы. Можно оценивать не отдельные нуклеотиды, а целые участки ДНК. Если, например, у современного китайца или француза сходство того или иного фрагмента ДНК с неандертальским аналогом больше, чем с африканским, то это довод в пользу неандертальского происхождения фрагмента.

Программа учитывала и другие данные, такие как длина участка, предположительно унаследованного от неандертальцев. Дело в том, что за 50–60 тыс. лет, прошедших с момента гибридизации, неандертальские участки ДНК, проникшие в генофонд внеафриканских сапиенсов, должны были благодаря кроссинговеру искрошиться на кусочки с вполне определенным распределением длин.

В итоге удалось составить реестр неандертальских вкраплений в 1004 современных геномах. Это дало много новой информации и о самом неандертальском генетическом наследии, и о его эволюционной судьбе.

Во-первых, подтвердился вывод, что у азиатов чуть больше неандертальских примесей, чем у европейцев (Wall et al., 2013).

Во-вторых, оказалось, что неандертальские примеси распределены по геномам внеафриканских сапиенсов довольно неравномерно. В некоторых участках хромосом азиатов и европейцев неандертальский вклад достигает 62–64 %, тогда как в других он полностью отсутствует.

Ученые попытались найти какие-то общие особенности у тех участков генома, где доля неандертальских примесей особенно высока. Ведь это, скорее всего, указывает на действие положительного отбора, поддержавшего те заимствованные у неандертальцев аллели, что оказались для сапиенсов полезными. Выяснилось, что сапиенсам пригодились некоторые неандертальские гены, влияющие на строение волос и кожи. Это могло быть связано с адаптацией теплолюбивых выходцев из Африки к местным более прохладным условиям. Кроме того, отбор в популяциях сапиенсов поддержал ряд неандертальских генов, связанных с иммунной системой.

Это ожидаемые результаты, логичные и не слишком удивительные.

Главное достижение состояло в том, что ученые обнаружили четкие указания на частичную репродуктивную несовместимость неандертальцев и сапиенсов. Судя по всему, бо́льшая часть привнесенного неандертальского генетического материала оказалась для сапиенсов не полезной, а вредной. Чужеродные гены не вписались в сапиентный генетический контекст и снизили приспособленность гибридного потомства. Естественный отбор в последующие эпохи постепенно отбраковывал эти неудачные заимствования. По расчетам ученых, сразу после гибридизации доля неандертальских генов у внеафриканских сапиенсов составляла от 3 до 6 % (Fu et al., 2016). К настоящему времени она снизилась под действием очищающего отбора примерно до 2 %. У азиатов это “очищение” протекало медленнее – вероятно, из-за различий в численности популяций. Генетики предполагают, что в глубокой древности предки современных европейцев были многочисленнее, чем предки современных азиатов, а в больших популяциях очищающий отбор работает эффективнее. Впрочем, не исключена вероятность повторных эпизодов гибридизации предков азиатов с неандертальцами.

Пониженную приспособленность гибридов называют еще частичной постзиготической репродуктивной изоляцией. Имеется в виду, что после успешного оплодотворения (поэтому “постзиготическая”) получившийся гибридный потомок имеет не нулевые (поэтому “частичная”), но все же пониженные шансы оставить здоровое потомство. Это затрудняет обмен генами между двумя популяциями, даже если их представители скрещиваются друг с другом вполне охотно. Формирование частичной презиготической изоляции – ключевой этап видообразования. Иногда даже удается найти конкретные конфликтующие друг с другом гены, вносящие значительный вклад в пониженную приспособленность гибридов. Их называют генами видообразования (Марков, Наймарк, 2014).

На чем же основан вывод о частичной репродуктивной несовместимости неандертальцев и сапиенсов?

Во-первых, у современных европейцев, азиатов и коренных американцев доля сохранившихся неандертальских фрагментов оказалась максимальной в самых ненужных участках генома, то есть там, где меньше всего работающих генов и регуляторных последовательностей. А в самых важных участках генома, наоборот, неандертальских примесей меньше всего. Такая картина в точности соответствует тому, чего следует ожидать при скрещивании популяций, разделенных постзиготическим репродуктивным барьером.

Из некоторых участков генома неандертальские заимствования были вычищены отбором полностью. Один из таких участков, где у современных людей вообще нет неандертальских примесей, включает знаменитый ген FOXP2, повреждения которого приводят к проблемам с речью (книга 1, глава 4, раздел “Изменения белков”). Этот ген многофункционален, и, конечно же, с ним “не все так однозначно”. Тем не менее есть серьезные основания полагать, что в ходе антропогенеза он менялся под действием отбора (может быть, еще на стадии гейдельбергских людей или раньше) и что отбор этот был связан не с чем иным, как с развитием членораздельной речи.

Белок, кодируемый геном FOXP2, у неандертальцев был таким же, как у нас (и не таким, как у шимпанзе и других обезьян). Но вот в регуляторной области этого гена у сапиенсов закрепилась мутация, которой не было у неандертальцев. Это повлияло на что-то важное, судя по тому, как тщательно вычистил отбор неандертальские аллели из данного участка генома внеафриканских сапиенсов. Поэтому вполне возможно, что неандертальцы действительно владели речью (как уже говорилось в первой книге, в главе 4). Но вот то, как (или что) они говорили, кажется, плохо сочеталось с представлениями сапиенсов о прекрасном.