Все мы немного неандертальцы. За что в этом году дали Нобелевскую премию по физиологии или медицине
В 2010 году мы узнали, что десятки тысяч лет назад рядом с нами жили денисовцы — представители другого вида людей, о существовании которого до тех пор никто даже не догадывался. Приблизительно тогда же выяснилось, что наши далекие предки — такие же люди, как мы, скрещивались с неандертальцами — другим видом людей, вымершим примерно 30 тысяч лет назад. Именно поэтому все современное население Земли за исключением обитателей Африки имеет в своем геноме несколько процентов неандертальских генов.
Эти открытия стали возможны благодаря работам шведского исследователя Сванте Паабо, который в этом году стал лауреатом Нобелевской премии по физиологии или медицине.
Настоящие европейцы
Сегодня на планете живет один вид людей — Homo sapiens, или человек разумный. Мы часто воспринимаем это как должное. Но так было не всегда. Еще примерно 30 тысяч лет назад в Европе одновременно с нами жил другой вид людей — неандертальцы.
Об их существовании мы впервые узнали в 1856 году, когда в долине Неандерталь в Германии были найдены останки одного из таких людей. Потом другие их остатки неоднократно находили в разных местах Европы и Азии, в том числе и в Украине.
Благодаря этому мы знаем, что их анатомия несколько отличалась от нашей. Например, они были более крепкими, имели более широкую грудную клетку бочкообразной формы и более широкие тазы. Многие другие особенности позволяют специалисту даже по фрагментам скелета установить, что он принадлежал именно неандертальцу, а не древнему представителю другого вида — например Homo sapiens.
Об образе жизни этих людей и даже об их мировоззрении археологи многое узнают благодаря материальным останкам, таким как каменные орудия труда, оружие и кости животных, на которых они охотились.
Мы точно знаем, что неандертальцы — это коренное население Европы. Их предки пришли сюда из Африки и здесь эволюционировали в неандертальцев несколько сотен тысяч лет назад.
Встреча двух человечеств
Около 300 тысяч лет назад, когда эти люди уже господствовали в Европе, в Африке в результате эволюции возникли анатомически современные люди. Этим осторожным термином ученые обозначают людей, которые по строению скелета не отличались от нас с вами. Приблизительно 70 тысяч лет назад часть из них покинули Африку и через Ближний Восток попали в Европу, где встретили здешнее коренное население — неандертальцев.
Неандертальцы как вид исчезли с лица Земли примерно 30 тысяч лет назад, хотя, возможно, отдельные небольшие группы продержались немного дольше. Это означает, что на протяжении нескольких десятков тысяч лет два вида людей — неандертальцы и Homo sapiens жили бок о бок. Естественно возникает вопрос: взаимодействовали ли они и, если да, то как складывались их отношения?
Нынешний нобелевский лауреат благодаря исследованию генов современных людей и их исчезнувших родственников смог совершенно по-новому взглянуть на этот вопрос и сделать открытия, без преувеличения меняющие наш взгляд на самих себя и собственную историю.
Прочесть геном за 10 лет
Нет никаких сомнений в том, что строение тела неандертальцев и их материальная культура были не такими, как у наших прямых предков, живших рядом с ними. Но отличались ли их гены и насколько сильно, если да?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать две вещи — геном современного человека и геном неандертальцев, последние из которых жили несколько десятков тысяч лет назад. Найти ответ на первый вопрос, кажется, относительно несложно: нужно взять образец ДНК кого-то из современных людей и с помощью известных методов «прочитать», то есть установить последовательность четырех «букв», которыми записаны все инструкции о том, как устроен и построен наш организм. Но решение этой задачи в конце XX века нуждалось в организации одного из крупнейших научных проектов современности — Human Genome Project и более 10 лет исследований. В конце концов эта задача была решена.
Но аналогичная задача по расшифровке генома ископаемого человека казалась ученым несравнимо более сложной, если вообще решаемой. Тому было, по меньшей мере, несколько серьезных причин.
Ископаемая ДНК: разрушена и загрязнена
Во-первых, со временем молекула ДНК разрушается. Она состоит из четырех различных химических «кирпичиков», или «букв», которые в определенной последовательности соединены в длинные цепи. В одной молекуле могут быть тысячи или миллионы таких «букв». После смерти организма большие цепи со временем распадаются на все меньшие, и очень сложно понять, в каком порядке они были соединены. Это словно текст, написанный буквами на бумаге, нарезанной на кусочки по несколько слов на каждом, и теперь нужно его восстановить.
Еще одна большая проблема — загрязнение чужеродной ДНК. Это означает, что во фрагменте человеческой кости, тысячи лет пролежавшем в земле, есть не только обломки собственной ДНК, но и ДНК живущих (или когда-то живших) там бактерий. Кроме того, там может быть ДНК других людей, например исследователей, которые выкопали эту кость или работали с ней в лаборатории или музее на протяжении многих десятков лет. Исследователь, желающий «прочитать» ДНК ископаемых людей, должен изобрести специальные методы, чтобы «очистить» смесь и «собрать» нужные фрагменты вместе.
Что там в «клеточных электростанциях»?
В 90-х годах прошлого века Сванте Паабо поставил задачу «прочитать» так называемую митохондриальную ДНК неандертальца. Это небольшая часть генетического материала человека или другого животного, которая, в отличие от основной ДНК, содержится не в ядре клетки, в митохондриях. Эти «органы» клетки часто называют «клеточными электростанциями» из-за их функций. Для нас важно, что в каждой отдельной клетке есть сотни или тысячи митохондрий с одинаковой ДНК и две копии ядерной, или главной ДНК — родительская и материнская. Чем больше копий, тем больше шансов, что некоторые из них лучше сохранились со временем. Поэтому легче «прочитать» именно митохондриальную ДНК из ископаемых костей.
Где мы расстались с неандертальцами
Для своего исследования Сванте Паабо смог достать небольшой фрагмент кости именно того самого «первого» неандертальца, которого нашли в Германии в середине XIX века, и жившего около 40 тысяч лет назад. Последовательность его митохондриальной ДНК, которую ему удалось прочесть, исследователь сравнил с аналогичной ДНК современных людей из разных уголков мира.
Первый вывод заключался в том, что у современных людей и неандертальцев эта ДНК разная. Это означает, что пути наших с ними предков разошлись и дали начало двум видам, которые в дальнейшем развивались независимо. За это время в их митохондриальных генах накопились изменения, которые выявил Сванте Паабо. Поскольку ученым известна скорость, с которой такие изменения накапливаются, можно рассчитать когда именно жил последний общий предок неандертальцев и современных людей. По расчетам Паабо это было где-то между 550 и 690 тысячами лет назад.
После этого успеха исследователь принялся за расшифровку ядерного генома неандертальцев. Эта задача гораздо сложнее предыдущей с технической точки зрения, но ответ на нее дает несравненно больше информации об этих людях. Ведь именно в ядерной ДНК содержится львиная доля всей генетической информации организма.
На память от исчезнувших
В 2010-м Паабо вместе с коллегами опубликовал первый расшифрованный ядерный геном неандертальца — сделал то, что еще недавно многим казалось почти невозможным. Теперь расчеты показали, что наши эволюционные пути с неандертальцами разошлись около 800 тысяч лет назад.
Но настоящей сенсацией стали результаты сравнения генома неандертальцев с геномами современных людей из разных частей света. Оказалось, что неандертальцы генетически значительно ближе к современным жителям Европы и Азии, чем к африканскому населению.
Самое простое объяснение этого удивительного факта состоит в том, что дальние предки тех, кто сегодня населяет Евразийский континент, скрещивались с неандертальцами. Потому в наших геномах есть один либо несколько процентов генов неандертальцев. В Африке такого скрещивания не происходило, потому что там неандертальцев просто не было.
Выходит что утверждение о том, что неандертальцы вымерли, не совсем корректно. Мы и являемся неандертальцами, правда, всего на один процент или немного больше.
Трудно представить, чтобы Паабо мог совершить другое открытие, которое могло бы если не превзойти, то хотя бы сравниться с этим. Но он смог.
Денисовцы, которых не ждали
Денисова пещера, расположенная в Алтайском крае Российской Федерации, давно известна археологам благодаря тому, что древние люди на протяжении десятков тысяч лет оставили в ней много материальных следов. В 2008 году там нашли совсем небольшой фрагмент кости человеческого пальца и Паабо решил исследовать его ДНК.
Результаты, опубликованные также в 2010 году, снова стали настоящей сенсацией. Оказалось, что эта ДНК отличалась от неандертальской и еще больше — от ДНК современного человека. Таким образом, кость принадлежала человеку вымершего вида, о существовании которого ученые до сих пор даже не подозревали. Этих людей назвали денисовцами. Они также жили бок о бок с неандертальцами и современными людьми и также скрещивались с ними.
В доказательство этого позже исследователи нашли в Денисовой пещере кость человека, у которого отец был денисовцем, а мать — неандерталкой. А в генах современного населения многих тихоокеанских островов и других регионов мира обнаружено до 6% генов денисовцев. Следовательно, они потомки далеких связей их предков с вымершим видом людей.
Генетический «телескоп Джеймс Уэбб»
Ученые исследовали наши гены задолго до того, как мы узнали, какими были гены наших вымерших родственников. Ведь такие исследования, безусловно, очень важны как для фундаментальной, так и для прикладной науки. Они позволяют понять природу многих заболеваний, создать методы диагностики и лечения этих болезней.
Благодаря исследованиям Паабо, его коллег и последователей теперь мы точно знаем, что некоторые из наших генов мы унаследовали от неандертальцев или денисовцев, и они играют важную роль в нашем организме. Например, некоторые неандертальские гены у нас отвечают за иммунную реакцию на различные инфекции. А один из денисовских генов помогает жителям Тибета лучше адаптироваться к условиям высокогорья. Но это знание вряд ли что-то меняет в прикладном плане — важно, есть ли у нас конкретные варианты генов и как они работают, а не их происхождение.
В то же время подходы к исследованию древних геномов, которые изобрел Сванте Паабо, открывают такие возможности для исследования далекого прошлого человечества, о которых всего несколько лет назад мы едва ли могли мечтать. И они уже изменили наши представления о нас самих и нашей далекой истории.
В прошлом году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена двум американским ученым — Дэвиду Джулиусу и Ардему Патапутяну. Благодаря их исследованиям человечество узнало, как мы отличаем теплое от холодного и способны ощущать прикосновение. Считается, что результаты их исследований могут привести к созданию лекарств против различных болезней, в том числе и от хронической боли.