Когда в 1987 г. журналист Роджер Льюин назвал общего материнского предка всех ныне живущих людей “митохондриальной Евой”, он напомнил всем историю сотворения мира – женщину, которая была матерью всех нас и потомки которой рассеялись по всей Земле. Это название захватило коллективное воображение и до сих пор используется не только общественностью, но и многими учеными для обозначения нашего общего материнского предка.
Однако оно скорее вводит в заблуждение, чем помогает. Оно создало ошибочное впечатление, что все наши ДНК происходят только от двух предков.
Вдохновившись этим вопросом, Национальное географическое общество в 2005 году реализовало “Генографический проект”, в рамках которого были собраны данные о митохондриальной ДНК и Y-хромосоме около миллиона человек, принадлежащих к различным этническим группам. Однако проект устарел еще до своего начала. Он носил в основном развлекательный характер и не дал никаких интересных для науки результатов.
С самого начала было ясно, что большая часть информации о прошлом человека, содержащаяся в данных митохондриальной ДНК и Y-хромосомы, уже известна и что гораздо более богатая история заложена во всем геноме. Дело заключается в том, что геном содержит истории множества разнообразных предков – десятков тысяч независимых генеалогических линий, а не только тех двух, чьи истории можно проследить по Y-хромосоме и митохондриальной ДНК.
Чтобы понять это, необходимо осознать, что помимо митохондриальной ДНК геном представляет собой не одну непрерывную последовательность от одного предка, а мозаику. Сорок шесть плиток мозаики – это хромосомы – длинные участки ДНК, которые физически разделены в клетке. Геном состоит из двадцати трех хромосом, а поскольку человек несет в себе два генома, по одному от каждого родителя, их общее число равно сорока шести.
Но сами хромосомы представляют собой мозаику из еще более мелких плиток. Например, первая треть хромосомы, которую женщина передает своей яйцеклетке, может быть получена от отца, а последние две трети – от матери. При производстве яйцеклеток у женщин образуется в среднем около сорока пяти новых сплайсов, а у мужчин – около двадцати шести сплайсов при производстве спермы, т.е. всего около семидесяти одного нового сплайса на поколение. Таким образом, по мере того как мы прослеживаем каждое поколение в прошлое, геном человека формируется из постоянно растущего числа склеенных вместе наследственных фрагментов.
Это означает, что наши геномы содержат в себе множество предков. Геном любого человека состоит из 47 участков ДНК, соответствующих хромосомам, переданным от матери и отца, и митохондриальной ДНК. В одном поколении геном человека состоит примерно из 118 (47 плюс 71) участков ДНК, переданных его родителями. Через два поколения количество наследственных участков ДНК возрастает примерно до 189 (47 плюс 71 плюс еще 71), переданных четырьмя бабушками и дедушками. Если заглянуть еще дальше в прошлое, то дополнительное увеличение количества наследственных участков ДНК с каждым поколением быстро сменяется удвоением числа предков.
Например, десять поколений назад число наследственных участков ДНК составляет около 757, а число предков – 1024, что означает, что у каждого человека есть несколько сотен предков, от которых он не получил ни одной ДНК. В двадцати поколениях прошлого количество предков почти в тысячу раз превышает количество наследственных участков ДНК в геноме человека, поэтому можно с уверенностью сказать, что каждый из нас не унаследовал никакой ДНК от подавляющего большинства своих реальных предков.
Эти расчеты означают, что генеалогия человека, восстановленная по историческим документам, не совпадет с его генетической наследственностью. Библия и хроники королевских семей фиксируют, кто от кого произошел на протяжении десятков поколений. Однако даже если эти генеалогии точны, королева Англии Елизавета II почти наверняка не унаследовала ДНК Вильгельма Нормандского, завоевавшего Англию в 1066 г. и считающегося ее предком двадцать четыре поколения назад.
Это не означает, что королева Елизавета II не унаследовала ДНК от предков столь далекого прошлого, просто предполагается, что из 16 777 216 ее всех генеалогических предков разной степени родства только около 1 751 человек в ее ДНК какую-либо информацию. Это настолько малая доля, что единственная возможность для Уильяма быть ее генетическим предком – это если он был ее предком по тысячам различных генеалогических линий, что представляется крайне маловероятным даже с учетом высокого уровня инбридинга в британской королевской семье.
Углубляясь в прошлое, геном человека рассыпается на все большее количество наследственных участков ДНК, распределенных по все большему числу предков. Если проследить последние пятьдесят тысяч лет, то наш геном распадается на более чем сто тысяч наследственных участков ДНК, что превышает число людей, живших в любой популяции в то время, поэтому мы наследуем ДНК от тех наших предков, у которых осталось значительное число потомков в столь отдаленные времена.
Однако существует предел информации, которую дает сравнение последовательностей геномов о глубине времени. В каждом месте генома, если мы проследим нашу родословную достаточно далеко в прошлое, мы достигнем точки, где все происходят от одного и того же предка, за которой становится невозможным получить какую-либо информацию о еще более древних временах путем сравнения последовательностей ДНК людей, живущих сегодня.
С этой точки зрения общий предок в каждой точке генома подобен черной дыре в астрофизике, из которой не может вырваться никакая информация. Для митохондриальной ДНК эта черная дыра возникает около 160 000 лет назад – дата создания “митохондриальной Евы”. Для подавляющего большинства остальных частей генома “черная дыра” находится между пятью миллионами и одним миллионом лет назад, то есть, остальные части генома могут дать информацию о гораздо более древнем времени, чем то, которое доступно при анализе митохондриальной ДНК. После этого все погружается во мрак.
Возможности прослеживания этого множества линий для раскрытия прошлого необычайно велики. Когда я думаю о геноме, я представляю его не как нечто современное, а как глубоко укорененный во времени гобелен нитей, состоящих из линий происхождения и последовательностей ДНК, копируемых от родителей к детям, уходящих в далекое прошлое. Возвращаясь назад, нити проходят через все большее число предков, предоставляя информацию о численности и субструктуре популяции в каждом поколении.
Например, когда говорят, что афроамериканец имеет 80% западноафриканских и 20% европейских предков, это означает, что около пятисот лет назад, до миграций и смешений населения, вызванных европейским колониализмом, 80% предков этого человека, вероятно, проживали в Западной Африке, а остальные – в Европе. Но такие утверждения подобны стоп-кадрам в кино, фиксирующим лишь какой-то один момент в прошлом. Не менее обоснованной является и точка зрения, согласно которой сто тысяч лет назад подавляющее большинство линий предков афроамериканцев, как и всех современных людей, находилось в Африке.
История, рассказанная множеством людей в наших геномах
В 2001 г. геном человека был впервые секвенирован – это означает, что было прочитано подавляющее большинство его химических “букв”. Около 70% генома было получено от одного человека – афроамериканца, но некоторые гены были получены от других людей. К 2006 году компании разработали и начали продавать роботов, которые снижали стоимость считывания букв ДНК более чем в десять тысяч раз, а вскоре и в сто тысяч раз, что сделало экономически выгодным картирование геномов гораздо большего числа людей.
Таким образом, стало возможным сравнивать последовательности не только из нескольких изолированных участков, таких как митохондриальная ДНК, но и из всего генома. Что позволило реконструировать десятки тысяч линий предков каждого человека. Это произвело революцию в изучении прошлого. Ученые смогли собрать на порядки больше данных и проверить, совпадает ли история нашего вида, предложенная целым геномом, с историей, рассказанной митохондриальной ДНК и Y-хромосомой.
В 2011 г. в работе Хенга Ли и Ричарда Дурбина было показано, что идея о том, что геном одного человека содержит информацию о множестве предков, является не просто теоретическим допущением, а реальностью. Чтобы расшифровать глубокую историю популяции на основе ДНК одного человека, Ли и Дурбин использовали тот факт, что каждый человек фактически несет в себе не один, а два генома: один от отца, другой от матери. Таким образом, можно подсчитать количество мутаций, разделяющих геном, полученный человеком от матери, и геном, полученный им от отца, и определить, когда у них был общий предок.
Изучив диапазон дат, когда жили эти предки, – нанеся на график возраст ста тысяч Адамов и Ев, – Ли и Дурбин установили размер наследственной популяции в разное время. В небольшой популяции существует значительная вероятность того, что две случайно выбранные геномные последовательности происходят от одной и той же родительской геномной последовательности, поскольку носители этих последовательностей имеют общих родителей. А в большой популяции этот шанс гораздо ниже. Таким образом, время, когда численность популяции была низкой, можно определить по тем периодам в прошлом, когда непропорционально большая часть линий имеет признаки общих предков.
Уолт Уитмен в стихотворении “Песнь о себе” писал: “Противоречу ли я себе? / Очень хорошо, тогда я сам себе противоречу, / (Я велик, я заключаю в себе множества)”. С таким же успехом стихи Уитмена можно отнести и к эксперименту Ли и Дурбина, показавшем, что в одном человеке заключена история целой популяции, о чем свидетельствует множество предков, чья история записана в геноме этого человека.
Неожиданным результатом исследования Ли и Дурбина стало доказательство того, что после разделения неафриканского и африканского населения в общей истории неафриканцев существовал длительный период, когда популяции были небольшими, о чем свидетельствуют данные о множестве общих предков, распределенных на десятки тысяч лет. Общность “узкого места” среди неафриканцев, когда небольшое число предков дало начало большому числу современных потомков, не является новым открытием. Но до появления работы Ли и Дурбина не было достоверной информации о продолжительности этого события, и считалось, что оно могло продолжаться в течение нескольких поколений – например, пока небольшая группа людей пересекала Сахару по направлению в Северную Африку или из Африки в Азию.
Но данные Ли и Дурбина, свидетельствуют о гораздо более длительном периоде малочисленности популяции, что трудно совместить с идеей безостановочной экспансии людей как в Африке, так и за ее пределами около 50 тыс. лет назад.
Так что, наша история не так проста. Это не победная история доминирующей группы, которая сразу же добилась успеха, где бы она ни появилась, как мы думали раньше.
Читайте также: Пришельцы как мы: митохондриальная тайна указывает на странное происхождение человечества