Гомо сапиенс и геном

Кандидат биологических наук Игорь Лалаянц

Прямохождение — плюсы и минусы

Помню своё удивление, когда на страницах любимого журнала, в статье Б. Медникова, впервые столкнулся с прямо-таки „еретической“ мыслью не о преимуществах, а о недостатках прямохождения для всей биологии и физиологии современного человека („Наука и жизнь“ № 11, 1974 г.). Подобное мнение было необычно и противоречило всем „парадигмам“, усвоенным в школе и университете, но звучало чрезвычайно убедительно.

Прямохождение обычно рассматривается как признак антропогенеза, однако первыми на задние конечности встали птицы (из современных — пингвины). Известно, что Платон назвал человека „двуногим без перьев“. Аристотель, опровергая сие утверждение, продемонстрировал ощипанного петуха. Природа „пробовала“ поднять на задние лапы и другие свои творения, пример тому — прямоходящие кенгуру.

Сравнение скелетов неандертальца и современного человека.

У человека прямохождение стало причиной сужения таза, иначе рычаговые нагрузки вели бы к перелому шейки бедра. И в результате оказалось, что у женщины окружность малого таза в среднем на 14–17 процентов меньше, чем окружность головы плода, растущего в её утробе. Решение проблемы было половинчатым и с ущербом для обеих сторон. Ребёнок рождается с несформированным черепом — все знают о двух родничках у младенцев, — да к тому же преждевременно, после чего целый год не может встать на ноги. У будущей же матери на время беременности выключается экспрессия гена женского полового гормона эстрогена. Следует помнить, что одна из основных функций половых гормонов — это укрепление костей. Выключение синтеза эстрогена ведёт к тому, что у беременных женщин начинается остеопороз (снижение плотности кости), который в пожилом возрасте может стать причиной перелома шейки бедра. Преждевременные роды вынужденно растягивают период грудного вскармливания. Это требует больших грудных желёз, что нередко оборачивается развитием рака.

Заметим в скобках, что столь же „благоприятным“ признаком, как и прямохождение, является утеря волосяного покрова. Кожа наша становится голой в результате появления особого гена, который подавляет развитие волосяных мешочков. Но голая кожа более подвержена раку, что усугубляется также и снижением синтеза чёрного пигмента меланина при миграции на север, в Европу.

И таких примеров из биологии человека множество. Взять хотя бы сердечные заболевания: не обусловлено ли их возникновение тем, что сердцу приходится чуть ли не половину объёма крови гнать вертикально вверх?

Правда, все эти эволюционные „преимущества“ со знаком „минус“ оправдываются высвобождением верхних конечностей, которые начинают терять в массе; при этом пальцы обретают способность к более мелким и тонким движениям, что сказывается на развитии двигательных участков коры мозга. И всё же надо признать, что прямохождение было необходимым, но не определяющим этапом становления современного человека.

«Мы хотели бы предложить…»

Так начиналось письмо никому тогда не известных Ф. Крика и Дж. Уотсона редактору журнала „Nature“, опубликованное в апреле 1953 года. Речь шла о двухцепочечной структуре ДНК. О ней сейчас знают все, а в то время едва ли в мире набралось бы десяток человек, которые серьёзно занимались этим биополимером. Однако мало кто помнит, что Уотсон и Крик выступили против авторитета нобелевского лауреата Л. Полинга, незадолго до этого опубликовавшего статью о трёхцепочечности ДНК.

Сейчас-то мы знаем, что у Полинга был просто загрязнённый препарат ДНК, но суть даже не в этом. Для Полинга ДНК являлась просто „каркасом“, к которому крепились белковые гены. Уотсон же и Крик считали, что двухцепочечность может объяснить и генетические свойства ДНК. Мало кто им сразу поверил, недаром Нобелевскую премию им дали только после того, как наградили биохимиков, которые выделили фермент синтеза ДНК и смогли наладить этот самый синтез в пробирке.

И вот, спустя почти полвека, в феврале 2001 года в журналах „Nature“ и „Science“ опубликована расшифровка генома человека. Вряд ли „патриархи“ генетики могли надеяться дожить до своего вселенского триумфа!

Геном поразил всех своей „бедностью“: у мыши и человека оказалось чуть больше генов, чем у риса (35 и 25 тысяч соответственно). Двести генов мы „делим“ с кишечной палочкой, у нас по генам больше сходства с дрозофилой, нежели с почвенным червячком — излюбленными объектами генетиков. Мы на 90 процентов совпадаем по генам с мышью и чуть более чем на один процент отличаемся от шимпанзе. От последних нас отделяет утеря нескольких важных генов, обеспечивающих иммунную защиту от бактериальных и вирусных инфекций, а также от паразитов. Зато отсутствие этих генов сняло ограничения на развитие мозга.

Такова ситуация, которая складывается при беглом взгляде на геном. Обращает на себя внимание высокая степень „гомогенности“ наших генов, если сравнивать их с генами шимпанзе. Хотя расшифровщики генома говорят, что „все мы немного африканцы“, имея в виду африканские корни нашего генома, всё же генетическая вариабельность шимпанзе в четыре раза выше: 0,1 процента в среднем у людей и 0,4 процента у обезьян.

В то же время наибольшее различие в генетических пулах наблюдается именно у африканцев. У представителей всех остальных рас и народов вариабельность генома намного ниже, чем на Чёрном континенте. Можно также сказать, что геном африканцев — наиболее древний. Недаром вот уже пятнадцать лет молекулярные биологи говорят, что Адам и Ева жили когда-то в Африке.

Кения уполномочена заявить

Антропология в силу многих причин не часто радует нас эпохальными находками в выжженной нещадным африканским солнцем саванне. Американский исследователь Дон Джохансон прославился в 1974 году открытием знаменитой Люси в Эфиопии. Возраст Люси, названной в честь героини одной из битловских песен, определен в 3,5 миллиона лет. Это был австралопитек (Australopithecus afarensis). Четверть века Джохансон уверял всех, что именно от Люси произошёл человеческий род.

Так мог выглядеть австралопитек, один из возможных предков человека, живший около трёх миллионов лет назад. Рисунок З. Буриана.

Однако не все были с этим согласны. В марте 2001 года в Вашингтоне состоялась пресс-конференция, на которой выступила антрополог из Кении Мив Лики, кстати, представительница целой семьи известных антропологов. Это событие было приурочено к выходу в свет журнала „Nature“ со статьей Лики и её коллег о находке Kenyanthropus platyops, или кенийского человека „плосколицего“, приблизительно ровесника Люси. Кенийская находка настолько отличалась от других, что исследователи присудили ей ранг нового человеческого рода.

У кениантропа более плоское лицо, чем у Люси и, главное, более мелкие зубы. Это свидетельствует о том, что в отличие от Люси, которая ела траву, корневища и даже ветки, платиопсы питались более мягкими плодами и ягодами, а также насекомыми.

Открытие кениантропа согласуется с находками французских и кенийских учёных, о которых они сообщили в начале декабря 2000 года. В кенийских холмах Туген, что примерно в 250 км к северо-востоку от Найроби, были найдены левая бедренная кость и массивное правое плечо. Структура костей показывает, что существо одновременно и ходило по земле, и лазало по деревьям. Но самое главное — это фрагмент челюсти и сохранившиеся зубы: маленькие клыки и коренные, что говорит о довольно „щадящей“ диете из фруктов и мягких овощей. Возраст этого древнейшего человека, которого назвали „оррорин“, оценивается в 6 миллионов лет.

Согласно модели вытеснения, все современные люди — европейцы, азиаты, американцы — потомки относительно небольшой группы, вышедшей из Африки примерно 100 тысяч лет назад и вытеснившей представителей всех прежних волн расселения. Сторонники мультирегиональной теории происхождения анатомически современного человека считают, что существовало генетическое взаимопроникновение между представителями разных волн расселения из Африки (по последним данным, предполагается, что таких волн было три: первая — 1,8–1,6 миллиона лет назад, вторая — 800–400 тыс. лет назад и третья — около 100 тысяч лет назад).

Мив Лики, выступая на пресс-конференции, сказала, что теперь вместо одного кандидата в будущие люди, а именно Люси, учёные имеют как минимум двух. С тем, что африканских видов, от которых могли бы произойти люди, было более одного, согласился и Джохансон.

Однако среди антропологов помимо сторонников появления человека в Африке есть и мультирегионалисты, или полицентристы, которые считают, что вторым центром происхождения и эволюции человека и его предков была Азия. В качестве доказательства своей правоты они приводят останки пекинского и яванского человека, с которых в общем-то научная антропология и стартовала в начале прошлого века. Правда, датировки тех останков весьма размыты (череп яванской девушки оценивают в 300–800 тысяч лет), да к тому же все азиатские представители рода человеческого относятся к более ранней, чем Homo sapiens, стадии развития, получившей название Homo erectus (человек прямоходящий). В Европе представителем прямоходящего был неандерталец.

Но не только костями и черепами жива антропология в век генома, и разрешить споры было суждено молекулярной биологии.

Адам и Ева в файлах ДНК

Впервые о молекулярном подходе заговорили ещё в середине прошлого века. Именно тогда учёные обратили внимание на неравномерное распределение носителей различных групп крови. Было сделано предположение, что группа крови В, особенно распространённая в Азии, защищает своих носителей от таких страшных болезней, как чума и холера.

В 60-е годы была сделана попытка оценить возраст человека как вида по белкам сыворотки крови (альбуминам), сравнивая их с таковыми у шимпанзе. Никто не знал эволюционного возраста ветви шимпанзе, скорости молекулярных изменений на уровне аминокислотных последовательностей белков и многого другого. Тем не менее чисто фенотипический результат поразил тогдашние умы: человек эволюционирует как вид вот уже на протяжении как минимум 5 миллионов лет! По крайней мере именно тогда произошло расщепление ветвей обезьяньих предков и обезьяноподобных предков человека.

Учёные не поверили таким оценкам, хотя имели уже в своём распоряжении черепа возрастом в два миллиона лет. Протеиновые данные отмели как курьёзный „артефакт“.И всё же окончательное слово было именно за молекулярной биологией. Сначала по митохондриальной ДНК определили возраст Евы, жившей в Африке 160–200 тысяч лет назад, потом те же рамки получили и для Адама по мужской половой хромосоме Y. Возраст Адама был, правда, несколько меньше, но всё же в диапазоне 100 тысяч лет.

Для объяснения современных методов доступа к эволюционным файлам ДНК нужна отдельная статья, поэтому пусть читатель поверит автору на слово. Можно только пояснить, что ДНК митохондрий (органелл, в которых вырабатывается главная энергетическая „валюта“ клетки — АТФ) передаётся только по материнской линии, а Y-хромосома, естественно, по отцовской.

За полтора десятилетия, завершившие ХХ век, тонкость и разрешающая способность молекулярного анализа возросли неизмеримо. И новые данные, полученные учёными, позволяют детально говорить о последних шагах антропогенеза. В декабре 2000 года в „Nature“ была опубликована статья, в которой сравнивалась полная митохондриальная ДНК (16,5 тысячи букв ген-кода) 53 добровольцев из 14 основных языковых групп мира. Анализ протоколов ДНК позволил выделить четыре основные ветви расселения наших предков. При этом три из них — наиболее „старые“ — уходят корнями в Африку, а последняя включает в себя как африканцев, так и „выселенцев“ с Чёрного континента. Авторы статьи датировали „исход“ из Африки всего лишь 52 тысячами лет (плюс-минус 28 тысяч). Само же возникновение современного человека датируется 130 тысячами лет, что примерно совпадает с первоначально определённым возрастом молекулярной Евы.

Практически те же результаты получены и при сравнивании последовательностей ДНК из Y-хромосомы, опубликованные в „Nature Genetics“ в 2001 году. При этом были выделены 167 особых маркёров, которые соответствуют географии проживания 1062 человек и отражают волны миграции по всему миру. В частности, для японцев в силу географической и исторической изоляции характерна особая группа маркёров, которой нет ни у кого больше.

Как показывают генетические исследования, расселение анатомически современного человека началось из Африки примерно 100 тысяч лет назад. На карте показаны основные пути миграции.

Анализ показал, что наиболее древней ветвью генеалогического древа является эфиопская, где нашли Люси. Исход из Африки авторы датируют 35–89 тысячами лет. После жителей Эфиопии наиболее древними являются жители Сардинии и Европы с её басками. Кстати, как показывает другая работа, именно баски заселили юго-западную Ирландию — частота конкретной ДНК-„сигнатуры“ достигает на западном побережье Ирландии и в Стране басков 98 и 89 процентов соответственно!

Затем шло расселение по азиатскому побережью Индийского и Тихого океанов. При этом индейцы Америки оказались „старее“ индийцев, а самые молодые — южноафриканцы и жители Японии и Тайваня.

Ещё одно сообщение пришло в конце апреля 2001 года из Гарварда (США), где в Институте Уайтхед, в котором, кстати, проводятся основные работы по Y-хромосоме (именно в нём был открыт ген мужского пола SRY — „секс-регион Y“), сравнили 300 хромосом шведов, жителей Центральной Европы и Нигерии. Результаты очень определённые: современные европейцы произошли около 25 тысяч лет назад от небольшой — всего лишь в несколько сотен человек — группы, вышедшей из Африки.

Кстати, китайцы тоже оказались родом с Чёрного континента. Журнал „Science“ в мае 2001 года опубликовал данные исследования китайского учёного Ли Иня, профессора популяционной генетики Шанхайского университета. Образцы крови для исследования маркёров мужской половой Y-хромосомы были взяты у 12 127 мужчин из 163 популяций восточной Азии: Ирана, Китая, Новой Гвинеи и Сибири. Анализ образцов, который Ли Инь проводил совместно с Питером Андерхиллом из Стэнфордского университета (США), показал, что предки современных восточных азиатов жили около 100 тысяч лет назад в Африке.

Различные представители семейства гоминид (вероятные предки и близкие родственники современного человека). Большая часть связей между ветвями эволюционного дерева пока под вопросом.

Алан Темплтон из Университета имени Вашингтона в Сент-Луисе (США) сравнивал ДНК людей из десяти генетических областей мира, при этом он использовал для анализа не только митохондрии и Y-хромосомы, но также X-хромосомы и ещё шесть других хромосом. На основе этих данных в своей статье в журнале „Nature“ в марте 2002 года он делает вывод, что в истории человека было как минимум три волны миграции из Африки. Вслед за выходом Homo erectus 1,7 миллиона лет назад последовала ещё одна волна, 400–800 тысяч лет назад. И только затем, около 100 тысяч лет назад, произошёл исход из Африки анатомически современного человека. Имелось также относительно недавнее (несколько десятков тысяч лет назад) обратное движение из Азии в Африку, а также генетическое взаимопроникновение различных групп.

Новые методы изучения ДНК-эволюции