Что такое ДНК-атлас древнего человечества и для чего он нужен

До настоящего момента революция древней ДНК фокусировалась в основном на Европе. Из 551 опубликованного до 2017 года полного древнего генома почти 90% происходили из Западной Евразии. Отчасти так получилось потому, что технологии анализа древней ДНК изобрели в Европе, отчасти потому, что европейским археологам лучше известны собственные владения, чем чьи-то еще, так что именно с их территорий материал собирался дольше и тщательнее. Однако революция древней ДНК ширится, она уже коснулась истории населения за пределами Западной Евразии — замечательные открытия относятся к заселению Америк и дальних островов Тихого океана. Со всеми последними усовершенствованиями методик теперь можно читать древнюю ДНК из местонахождений теплого и даже тропического климата. Поэтому я не сомневаюсь, что в следующее десятилетие мы получим данные по Центральной, Южной и Восточной Азии, а также по Африке и все они будут в равной мере удивительными. Итогом этих усилий станет атлас ДНК древнего человечества, собранный по хорошо представленным во времени и пространстве материалам. Этот атлас по своей значимости для человечества встанет, я думаю, на одну доску с первыми географическими картами нашей планеты, которые появились в XV веке, а затем постоянно совершенствовались до XIX века. Ясно, что атлас не ответит на все вопросы, касающиеся истории человечества, но он придаст структуру историческим знаниям, составит отправную точку, с которой мы будем начинать анализ новых местонахождений.

По мере создания атласа нас практически наверняка захлестнет волна крупных открытий. Большая часть изученных образцов древней ДНК имеет возраст древнее 4 тысяч лет, а интервал моложе 4 тысяч лет едва затронут исследованиями. При этом мы знаем, что этот период — время становления стратифицированного сообщества, империй, распространения письменности — был исключительно насыщен событиями. Данные по древней ДНК из Западной Евразии сейчас напоминают скоростное шоссе в состоянии ремонта, уходящее в никуда и пока не соединяющее популяции прошлого с настоящими. Но если добавить ДНК из более близкого к нам периода, это существенно прояснит сложенную другими дисциплинами историческую картину.

Чтобы перекинуть этот четырехтысячелетний мост из настоящего к древнейшим временам, мало просто собрать побольше данных по ДНК недостающего интервала. Нужно еще доработать статистические методы ее исследования, потому что имеющиеся пригодны лишь для древнейших времен. В особенности это касается теста четырех популяций, основанного на оценке пропорции наследий сильно разошедшихся популяций, когда пропорции наследий работают как различимые вешки, как маркировочные красители. Но европейское население — главная арена революции древней ДНК — 4 тысячи лет назад уже было как следует перемешано и похоже по своему наследию на нынешнее. Например, в Англии 45 столетий назад и позже, как мы знаем, жили люди культуры широкогорлых колоколовидных кубков, и у них в наследии было намешано примерно то же, что и у современных британцев. Однако из этого не следует, что нынешние британцы являются потомками «народа чаш». В действительности население Британии менялось с приходом на острова все новых и новых волн мигрантов, при этом все мигранты несли то же наследие «народа чаш». И чтобы выявлять поздние мигрантные события, необходимы более чувствительные методы статистики.

Такие методы сейчас появляются: специалисты по статистической генетике как раз разрабатывают новый класс приемов для отслеживания смешений и миграций у популяций с очень сходным ансамблем древнего наследия. Секрет в том, что упор делается не на общее историческое прошлое, а на общее настоящее. Когда имеется достаточно большая выборка, мы можем в парах индивидов выявить сегменты генома, приобретенные от общих предков не более сорока поколений назад. А значит, мы поймем, что происходило в человеческой истории в этих временных рамках (примерно тысяча лет). Пока выборка древней ДНК небольшая, этот метод не слишком полезен, потому что пары индивидов с крупными одинаковыми кусками ДНК — исключительная редкость. Но с увеличением числа прочтенных древних геномов вырастет в квадрате и число возможных пар. Если сохранятся сегодняшние темпы добавления новых данных по древней ДНК, то в следующие несколько лет каждая лаборатория, оснащенная подобно моей, сможет ожидаемо выдавать тысячи полностью прочтенных древних геномов в год. И тогда мы получим подробные хроники истории человечества за последнее тысячелетие.

Как мощно может работать эта методика, демонстрирует пример исследования 2015 года «Люди Британских островов». В ходе проекта было собрано более двух тысяч биологических образцов нынешних британцев, чьи бабушки и дедушки родились в одном округе (то есть в пределах 80 километров друг от друга). Исследование показало, что британское население по общим меркам очень гомогенно. То есть генетические различия (оцененные классическими приемами) между двумя любыми популяциями Британии в 100 раз меньше, чем между популяциями европейцев и восточноазиатов. Однако, несмотря на гомогенность, авторы смогли разделить британское население на 17 отчетливых кластеров именно по повышенному уровню недавнего родства. Расположив эти кластеры на карте, они получили замечательное генетическое структурирование. Оно хорошо просматривается, несмотря на то, что в течение последнего тысячелетия люди постоянно перемещались из одной деревни в другую, что как нельзя более способствововало перемешиванию. Границы кластеров совпадают с границей между Девоном и Корнуоллом на юго-западе, с Оркнейскими островами на севере от побережья Шотландии. Крупный кластер покрывает Ирландское море, отражая миграцию шотландских протестантов в Северную Ирландию в течение последних нескольких столетий. В Северной Ирландии расположены два отчетливых, мало перекрывающихся кластера — это группы католиков и протестантов, разделенные религией и сотнями лет ненависти из-за британского правления. И если с современными образцами получились такие неплохие результаты, то с древними образцами должно получиться еще лучше. У меня в лаборатории уже имеются данные ДНК более трехсот древних бриттов. Стоит их присовокупить к материалам по современным британцам (а они доступны благодаря проекту «Люди Британских островов»), и у нас будет тот самый мостик между прошлым и настоящим, пусть и на маленьком участке мира.

Работы с большой выборкой древней ДНК выглядят многообещающе и для оценки численности человеческой популяции в разные моменты прошлого. Для дописьменных эпох эта задача чрезвычайно трудна из-за отсутствия надежных данных. Но она тем не менее важна для понимания не только эволюции и истории, но и экономики и экологии. В популяции в сотни миллионов человек (как у сегодняшних хань) у случайно выбранной пары вряд ли найдутся общие сегменты ДНК, попавшие в геномы в последние сорок поколений, потому что в пределах этого периода выбранная пара наследует свою ДНК от совершенно разных предков. А теперь возьмем компактную популяцию (скажем, население Андаманских островов, составляющее по последней переписи меньше сотни человек): любая пара окажется более или менее близкими родственниками, и это будет видно по множеству общих фрагментов ДНК. Измеряя подобным же образом степень родства в парах англичан, ученые выяснили, что население Англии в последние несколько столетий насчитывало в среднем много миллионов. А сейчас мы с Пьером Паламарой на основе этой методики продемонстрировали, что ранние фермеры Анатолии 8 тысяч лет назад были частью крупной популяции, более многочисленной, чем синхронные им охотники-собиратели юга Швеции, что, в принципе, ожидаемо, потому что сельское хозяйство может прокормить большее население. Я более чем уверен, что примерение этого подхода к древней ДНК даст полноценное представление об изменении численности популяций во времени.

Какие открытия в биологии человека обещает древняя ДНК

В области биологии человека древняя ДНК сулит не меньше открытий, чем в области человеческих миграций и смешений. Правда, если древняя ДНК уже проявила себя как мощный инструмент исследования популяционных сдвигов, то в сфере знаний о биологии человека она несколько поотстала. Ведь здесь необходимо отслеживать изменения частот мутаций во времени, а для этого требуются сотни образцов. На сегодняшний день выборка древней ДНК совсем невелика: единичные образцы на ту или иную культуру или цивилизацию. Именно в этом и кроется основная причина отставания. А если (или, лучше, когда) у нас появятся полногеномные данные тысячи европейских фермеров, живших сразу после неолитической аграрной революции? Тогда мы сможем посмотреть, как действовал на них естественный отбор, затем изучим, как отбор действовал на современных европейцев, и сравним результаты. Из сравнения станет понятно, насколько скорость и природа адаптаций изменились при переходе к сельскому хозяйству. Может быть, мы поймем, насколько темп естественного отбора замедлился в последнее столетие из-за достижений медицины, позволившей людям с неблагоприятными генетическими комбинациями выживать, заводить семью и оставлять потомство. Примеры подобных дефектов включают слабое зрение, которое можно полностью компенсировать очками, бесплодие, которое выправляется медицинским вмешательством, когнитивные проблемы, которые контролируются медикаментозно или с помощью психотерапии. Быть может, выведение всех этих признаков из-под действия естественного отбора приводит к накоплению в популяции ответственных за них мутаций.

Действительно, по древней ДНК можно оценить темпы сдвига частот биологически значимых мутаций и на этой основе отследить эволюцию тех или иных важных признаков. Однако это далеко не все, что может предложить древняя ДНК. Она дает недоступный прежде инструмент для познания фундаментальных принципов действия естественного отбора. Один из важнейших вопросов в эволюции человека — это как идет адаптация: крупными скачками в единичных позициях в геноме (единичные мутации), как в случае пигментации кожи, или же за счет мелких сдвигов в частотах большого числа мутаций, как, например, в регуляции роста. Очень важно понять соотношение двух этих возможностей, но, опираясь лишь на информацию, которую дает мгновенный срез времени, то есть на современность, сделать это весьма непросто. А с древней ДНК трудность оказывается преодолимой, ведь мы сможем выйти за пределы одного временного кадра.

Также крайне интересно изучать с помощью древней ДНК эволюцию патогенов человека. Когда анализируешь ДНК из древних останков, то иногда попадаются и ДНК микроорганизмов, которые были в крови умершего и с большой вероятностью послужили причиной смерти. Таким путем была выявлена древняя ДНК чумной палочки Yersinia pestis и доказано, что именно она вызывала эпидемии Черной смерти в XIV–XVII веках14, Юстинианову чуму в Римской империи в VI–VIII веках15, а также эндемичную чуму в евразийской степи пятитысячелетней давности, унесшую около 7% населения (именно в такой доле степных погребений обнаружен данный патоген). Также по ДНК древних патогенов удалось отследить происхождение и историю проказы, туберкулеза, а для растений — историю паразитов, вызвавших Ирландский картофельный голод. Из образцов древней ДНК, в особенности из фекалий и зубного налета, мы постоянно получаем информацию о внутреннем микробиоме, а значит, узнаем, что за пищу ели наши предки. Но мы только-только начинаем разработки этой новой золотой жилы.