Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом
Дэвид Райх
Американский генетик Дэвид Райх – один из главных революционеров в области изучения древней ДНК, которая для понимания истории человечества оказалась не менее важной, чем археология, лингвистика и письменные источники.
В своей книге Райх наглядно показывает, сколько скрытой информации о нашем далеком прошлом содержит человеческий геном и как радикально геномная революция меняет наши устоявшиеся представления о современных людях. Миграции наших предков, их отношения с конкурирующими видами, распространение культур – все это предстает в совершенно ином свете с учетом данных по ДНК ископаемых останков. Анализ научных открытий и исследований ведет к провокационной мысли: по всей видимости, различия между нынешними популяциями – биологическая реальность, однако с привычными стереотипами она не имеет ничего общего. Вопрос, кто же мы такие и откуда взялись, приходится ставить заново. Ответ еще в процессе формирования, но шаблоны уже трещат по швам.
Дэвид Райх
Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом
Сету и Лии
© 2018 by David Reich and Eugenie Reich
© Е. Наймарк, перевод на русский язык, 2020
© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2020
© ООО “Издательство АСТ”, 2020
Издательство CORPUS ®
Благодарности
Сначала самое главное. Эта книга появилась в результате года интенсивной совместной работы с Юджени Райх, моей женой. Мы вместе перерабатывали материалы, готовили первые черновые варианты глав, обговаривали детали – и книга мало-помалу обретала свои очертания. И без нее этой книги бы точно не было.
Готовую целую книгу придирчиво выправляли Бриджет Алекс, Питер Белвуд, Сэмюел Фентон-Уиттет, Генри Льюис Гейтс-младший, Йонатан Град, Иосиф Лазаридис, Дэниел Либерман, Шоп Маллик, Эррол Макдональд, Лата Менон, Ник Паттерсон, Молли Пржеворски, Джульет Сэмюел, Клиффорд Тейбин, Дэниел Райх, Това Райх, Уолтер Райх, Роберт Вайнберг и Мэтью Сприггс, за что я им искренне признателен.
Я также благодарю Дэвида Энтони, Офера Бар-Йосефа, Кэролайн Бэрстед, Дебору Болник, Доркас Браун, Кэтрин Брансон, Цяомэй Фу, Дэвида Голдстейна, Александра Кима, Карлеса Лалуеса-Фокса, Иэна Мэтьесона, Эрика Лэндера, Марка Липсона, Скотта Макичерна, Ричарда Мидоу, Дэвида Мелтцера, Прию Мурджани, Джона Новембра, Сванте Пэабо, Пьера Паламару, Элефтерию Палкопулу, Мэри Прендергаст, Ребекку Райх, Колина Ренфрю, Надин Роланд, Дэниела Росаса, Понтуса Скоглунда, Чуаньчао Вана и Майкла Уитцела. Моя благодарность и тем, кто вычитывал отдельные главы, убирая огрехи: Стенли Эмброузу, Грэму Купу, Дориану Фуллеру, Эадеону Харни, Линде Хейвуд, Ёсуке Каифу, Кристиану Кристиансену, Мишель Ли, Дэниелу Либерману, Майклу Маккормику, Майклу Петралье, Джозефу Пикреллу, Штефану Шиффельсу, Бет Шапиро и Бенсу Виоле.
Отдельной благодарности заслуживают Гарвардская медицинская школа, Медицинский институт Говарда Хьюза и Национальный научный фонд, которые щедро спонсировали мою работу по этому проекту вдобавок к основному моему исследованию.
И наконец, спасибо тем, кто постоянно подталкивал меня к написанию книги. Я годами сопротивлялся самой идее, потому что не хотел отвлекаться от своей науки и потому что в научном мире генетики валютой служат статьи, а не книги. Но по мере того, как в круг моего профессионального общения вливались археологи, антропологи, историки, лингвисты и многие другие, кому не терпелось поучаствовать в революционных исследованиях древней ДНК, мнение мое изменилось. Конечно, из-за потраченного на книгу времени я не написал каких-то статей и не провел каких-то исследований. Но я надеюсь, что у прочитавших ее появится новое видение человека: кто он, собственно, такой.
Введение
Я писал эту книгу в память о провидце Луке Кавалли-Сфорца, основателе науки о генетике нашего прошлого. Меня учил один из его студентов, и потому я причисляю себя к его школе, где генетика видится призмой, в которой преломляется история нашего вида.
Поворотной точкой в карьере Кавалли-Сфорца стала в 1994 году публикация The History and Geography of Human Genes
, где он соединил все, что было известно из археологии, лингвистики, истории и генетики, в суперсюжет о мировом человечестве, как оно двигалось к нам современным. В его книге предлагался общий взгляд на наше далекое прошлое. Но в то время были доступны лишь малые крохи данных по генетике, они не шли ни в какое сравнение с материалами из археологии и лингвистики, от чего обрисованный сюжет серьезно страдал. Генетические данные иногда служили подтверждением уже известных закономерностей, но выявить нечто действительно новое эти обрывочные сведения еще не могли. На самом деле все то новое, что выявил Кавалли-Сфорца, не подтвердилось, оказалось неверным. Но нужно понимать, что два десятилетия назад все мы, от Кавалли-Сфорца до студентов вроде меня, работали в “средневековой” генетике.
В 1960-х Кавалли-Сфорца сделал грандиозное заявление, определившее его карьеру. Он сказал, что в принципе возможно реконструировать глобальные миграции прошлого на основе генетических различий нынешних людей
.
И так мало-помалу, от задачи к задаче, в течение пяти десятилетий Кавалли-Сфорца продвигался вперед к доказательству своего утверждения. В начале этой работы технологии изучения молекулярной изменчивости у людей были ничтожны, для исследований были доступны разве что белки групп крови, А, В и 0, которые в обязательном порядке тестировались при переливаниях донорской крови. К 1990-м годам Кавалли-Сфорца с коллегами собрали материал по изменчивости более сотни белков крови в различных популяциях. И на основе этих данных они уверенно выявили кластеры сходства: эти кластеры соответствовали населению континентов, то есть белки крови одного европейца были больше похожи на белки других европейцев, белки восточного азиата – на других восточных азиатов, а африканца – на африканцев. В 1990-х Кавалли-Сфорца поднялся на новый уровень – от белков перешел непосредственно к последовательности ДНК, к генетическому коду. У тысячи людей из пятидесяти популяций по всей планете они проанализировали информацию по вариабельности нуклеотидов в тысяче позиций в геноме
. И когда они велели компьютеру на основе этих данных разделить индивидов на 5 групп (информация о географической принадлежности индивидов, понятно, не вводилась), то результаты замечательно совпали с интуитивно принятыми, глубокими древними подразделениями человечества (западные евразийцы, восточные азиаты, индейцы, новогвинейцы и африканцы).
Особое внимание Кавалли-Сфорца уделял вопросу, как подобные генетические группировки по нынешним людям соотносятся с историей популяций. Так, из информации по группам крови Кавалли-Сфорца с коллегами вычленили те комбинации биологической изменчивости, по которым группы разделялись наиболее четко. А потом эти комбинации наложили на карту Западной Евразии. И увидели, что наибольший уровень изменчивости приходится на Ближний Восток, уменьшаясь постепенно с юга на север по направлению к Европе
. И что это, как не генетический след миграции фермеров в Европу с Ближнего Востока, известной по данным археологии, – но след, видимый даже спустя девять тысячелетий? Снижение уровня изменчивости, по мнению Кавалли-Сфорца, говорит о том, что прибывшие в Европу первые фермеры смешивались с местными охотниками-собирателями, вбирая все больше и больше местного наследия; этот процесс он назвал “демографической диффузией”
. До последнего времени многие археологи рассматривали модель “демографической диффузии” как наглядный пример слияния двух дисциплин – археологии и генетики.
Данная модель, предложенная Кавалли-Сфорца и его соавторами, хоть и притягательна своей логикой, но неверна. Ее пробелы стали очевидны где-то к 2008 году, когда Джон Новембер с коллегами показал, что градиенты, подобные найденным у европейцев, могут возникать и без миграций
. У них получилось, что с помощью методики анализа, которую использовал Кавалли-Сфорца, градиенты изменчивости будут проявляться, по-видимому, не вдоль, а перпендикулярно направлению продвижения фермеров с Ближнего Востока в Европу, тогда как реальные данные свидетельствуют в пользу прямых градиентов
.
Революционным переворотом стала возможность выделять ДНК из древних костей (так называемая революция древней ДНК), и это вбило последний гвоздь в гроб “демографической диффузии”. Из анализа древних ДНК стало понятно, что даже в самых отдаленных частях Европы – Британии, Скандинавии и Иберии – у первых фермеров чрезвычайно мало наследия охотников-собирателей. А самая высокая доля предковой изменчивости фермеров вовсе не у южных европейцев, как это предполагал по группам крови Кавалли-Сфорца, а у населения средиземноморского острова Сардиния к западу от Италии
.
Если посмотреть на карту, которую в качестве примера дает Кавалли-Сфорца, то становится понятно, почему его великое утверждение дало сбой. В современной генетической структуре популяций найдутся отголоски некоторых великих событий человеческого прошлого – тут Кавалли-Сфорца был совершенно прав. Например, низкое генетическое разнообразие неафриканского населения по сравнению с африканцами отражает урезанное разнообразие современных людей[1 - Под термином “современные люди” автор подразумевает людей с современным анатомическим строением и поведением; в большинстве случаев имеются в виду сапиенсы, жившие менее 50 тысяч лет назад. Далее в данном переводе, чтобы избежать путаницы, человечество, существующее в настоящее время, называется нынешним, или сегодняшним, или иными синонимами. (Прим. перев.)], расселявшихся из Африки на Ближний Восток примерно 50 тысяч лет назад. Но по структуре ныне живущих популяций нельзя реконструировать мелкие события прошлого. И дело не в том, что смешение с соседями затирает следы таких событий. Все существенно сложнее: как стало понятно из прочтений древней ДНК, люди, населяющие сегодня те или иные области, практически никогда не происходят от тех, кто жил здесь в прежние времена
. И это обстоятельство ограничивает возможность реконструкции прошлых миграций по данным нынешних популяций.
Рис. 1а. Карта-схема, нарисованная Лукой Кавалли-Сфорца в 1993 г. (наверху даны пояснения), изображающая предполагаемое продвижение фермеров с востока, которое выявляется по разнообразию групп крови у нынешнего населения: самое высокое предковое разнообразие приходится на юго-восточную область в районе Анатолии.
В своем труде The History and Geography of Human Genes Кавалли-Сфорца писал, что он исключал из анализа те популяции, которые с очевидностью являются продуктом крупных миграций, такие как африканцы и европейцы в Северной и Южной Америке, осевшие здесь в течение последних пяти столетий, или же некоторые европейские меньшинства, в частности евреи и цыгане. Он считал, что прошлое было проще, чем настоящее, и что если в известной истории той или иной популяции не было масштабных переселений, то эти популяции – прямые потомки тех, кто жил здесь в далекие прошлые времена. Но прошлое оказалось столь же сложным, как и настоящее, – и это нам показали исследования древней ДНК. Человеческие популяции именно что постоянно перемещались.
Реформаторский вклад Кавалли-Сфорца в науку о генетике древних популяций напоминает историю о Моисее, дальновидном вожатом, чей вклад в будущее был выше и больше, чем любого из его сподвижников, создавших новое миропонимание.
Рис. 1б. Современные полногеномные данные показывают, что первичный градиент наследия фермеров Европы идет не с юго-востока на северо-запад, а фактически перпендикулярно этому вектору – с юго-запада на северо-восток; это результат крупной миграции скотоводов с востока, заместившей наследие первых фермеров.
В Библии сказано: “И не было более у Израиля пророка такого, как Моисей…”[2 - Втор. 34: 10.], но также рассказано, что Моисею не дозволено было достичь Земли обетованной. Он водил своих людей по пустынным землям сорок лет – и вот наконец поднялся на гору Нево и увидел на западе реку Иордан, а за ней обещанную его народу землю. Но сам так и не ступил на нее. Это право было дано лишь его последователям.
Так же и с генетикой прошлых времен. Кавалли-Сфорца увидел широчайшие возможности генетики для расшифровки истории человечества, когда никто и не помышлял об этом, но его дальновидение обогнало технологии, необходимые для воплощения его идей. Однако теперь все иначе. У нас в сотни тысяч раз больше данных и вдобавок богатейшая коллекция древней ДНК, а это более прямой источник информации о перемещениях популяций, чем археология и лингвистика.
В 2010 году были опубликованы первые пять ископаемых человеческих геномов: геномы неандертальцев
, геном древнего денисовца
и гренландца, жившего примерно 4 тысячи лет назад
. В течение следующих лет были обнародованы данные по геномам еще пяти древних людей, а за ними в 2014 году последовал целый букет данных по геномам 38 индивидов. В 2015 году полногеномный анализ древних людей вышел на этап сверхускорения. В трех статьях предлагались данные по 66
, 100
и 83
древним образцам! К августу 2017 года в моей лаборатории прочли полные геномы трех тысяч древних индивидов, но и в других лабораториях работа тоже кипела. Теперь информация поступает с такой скоростью, что за время от прочтения ДНК в образце до его публикации общее количество данных по меньшей мере удваивается.
Рис. 2. Чтение древней ДНК в лабораториях ускорилось теперь настолько, что за время между производством соответствующих данных и их публикацией общая информация по древней ДНК увеличивается больше чем вдвое.
Подавляющая часть методологии прочтения древней ДНК была разработана Сванте Пэабо и его группой в Институте эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, Германия, применительно к очень древним образцам, таким как неандертальцы и денисовцы.
Сам я занимался адаптированием этих методов к анализу большого числа образцов сравнительно недавнего возраста, до нескольких тысяч лет (что все-таки тоже немало). Я начал специализироваться в этой области в 2007 году (как правило, процесс такого обучения занимает 7 лет) в лаборатории Сванте Пэабо, работая над проектами неандертальского и денисовского геномов. В 2013 году Пэабо помог мне создать мою собственную лабораторию по древней ДНК – первую в США, которая занималась прочтением ископаемых человеческих геномов. Помогала мне в этом Надин Роланд, которая, прежде чем прийти ко мне, тоже обучалась в лаборатории Пэабо. Мы хотели поставить на поток прочтение индивидуальных древних последовательностей, то есть на основе разработанных в Европе технологий создать геномную фабрику в американском стиле.
Мы с Роланд понимали, что методики, отработанные Маттиасом Мейером и Цяомэй Фу в лаборатории Пэабо, могут стать основой для крупномасштабного анализа древней ДНК. Ведь Мейер и Фу занимались изобретательством, потому что деваться было некуда: они должны были выделить ДНК из костей возрастом примерно 40 тысяч лет (это были ранние современные люди из пещеры Тяньюань в Китае)
. Дело в том, что когда Мейер и Фу получили экстракт ДНК из костей ног тяньюаньца, то выяснилось, что там лишь 0,02 % ДНК самого тяньюаньца, а остальная ДНК от бактерий, поселившихся в костях после его смерти. Так что прямое секвенирование виделось чересчур дорогим предприятием, даже на оборудовании, которое появилось после 2006 года и удешевило прочтение геномов в сотню тысяч раз. Решение этой проблемы Мейер и Фу позаимствовали со страничек руководства по медицинской генетике. Медикам бывают нужны лишь интересные для тех или иных задач 2 % из всего генома, их научились выделять, отбрасывая остальные 98 %. Так же и тут: Мейер и Фу выбраковывали ненужные 98 %, а крошечную часть человеческой ДНК оставляли.
Методы выделения ДНК, разработанные Мейером и Фу, стали фундаментом революции древней ДНК и ее успеха. В 1990-х молекулярные биологи научились использовать технику лазерного травления электронных схем в своих задачах: прикреплять к стеклянным или кремниевым пластинам миллионы нужных, прицельно выбранных кусочков ДНК. Эти кусочки ДНК можно затем снимать с пластины специальными молекулярными ножницами (ферментами) в водный раствор. С помощью этого метода Мейер и Фу синтезировали пятидесятидвухбуквенные фрагменты ДНК, которые перекрывали друг дружку концами, подобно черепице на крыше. Получилась почти полная последовательность 21-й человеческой хромосомы. Затем они использовали свойство ДНК спариваться с двойниковыми последовательностями: спаривая искусственно синтезированную “наживку” с кусочками ДНК в растворе, они выловили из экстрактов схожие с “наживкой” фрагменты ДНК. В улове, как выяснилось, находились в основном фрагменты ДНК тяньюаньца. Именно они и были нужны для исследования. Их анализ показал, что тяньюанец был представителем ранних современных людей, той их части, которая привела к современным восточным азиатам. В геноме этого человека оказалось не так уж много следов архаичных линий, сотни тысяч лет назад отделившихся от ветви современного человека. Это противоречило прежним утверждениям, основанным на сравнении формы скелетов
.
Все эти технологии мы с Роланд приспособили для чтения полных геномов. Вместе с коллегами из Германии мы синтезировали пятидесятидвухбуквенные фрагменты ДНК, покрывающие в сумме более миллиона нуклеотидных позиций; и это те позиции, в которых, как мы знаем, у людей имеются те или иные вариации. С помощью этой “наживки” мы выискивали интересующую нас человеческую ДНК в древних образцах, количество которой в некоторых случаях в сотни раз меньше по сравнению с микробной ДНК. Помимо того, нам удалось на порядок увеличить эффективность поисковых действий: мы просто решили, что весь геном читать не обязательно, а обязательны только информативные фрагменты с вариабельными позициями. Весь процесс автоматизировали с помощью подключения роботов, и в итоге один человек мог за несколько дней проанализировать более девяноста образцов. Наши лаборанты растирали образцы древних костей, готовили из них порошок, из которого затем делали вытяжки ДНК и препараты, пригодные для секвенирования. Но вся эта лаборантская работа являлась лишь начальным этапом. За ним следовала не менее хитроумная задача – рассортировать миллиарды кусочков ДНК по принадлежности к тому или иному индивиду, проанализировать информацию и выявить фрагменты с признаками загрязнений, а оставшиеся фрагменты скомпоновать в удобную базу данных. И все это выполняли компьютерные программы, которые разработал Шоп Маллик, пришедший в мою лабораторию за шесть лет до старта проекта; он постоянно настраивал эти программы в соответствии с новыми методическими приемами и новыми данными – новыми и по качеству, и по масштабу.
Результаты оказались даже лучше, чем мы могли надеяться. Стоимость прочтения генома упала до пяти сотен долларов за образец. А это в десятки раз меньше, чем обычное, в лоб, полногеномное секвенирование. И, что важнее, наш метод позволял считывать значительную часть ДНК-последовательности примерно у половины скелетных образцов, поступавших к нам для изучения, хотя, естественно, вероятность успеха сильно зависела от сохранности образца. Так, для ископаемых образцов из холодных зон России вероятность прочтения ДНК составляла около 75 %, а из жаркого климата Ближнего Востока – лишь 30 %.
Что это нам давало? А вот что: теперь для прочтения полного генома вовсе не обязательно перебирать большое число костных образцов, чтобы найти тот единственный, чья ДНК поддается анализу. Теперь можно получать общегеномные характеристики для подавляющего числа остатков, возраст которых находится в пределах последних 10 тысяч лет. А с такими данными события в популяциях реконструируются с изумительной детализацией, которая буквально переворачивает наше представление о прошлом.
К концу 2015 года в моей гарвардской лаборатории было получено и опубликовано более половины всех мировых общегеномных данных по древним материалам. Мы открыли, что популяция Северной Европы была замещена восточноевропейскими степняками около 5 тысяч лет назад в ходе массовой миграции
; что 10 тысяч лет назад первые фермеры на Ближнем Востоке были представлены очень непохожими популяциями, которые затем по мере освоения сельского хозяйства распространялись и перемешивались
; что первые переселенцы на отдаленных островах Тихого океана (речь идет, конечно, о людях, появившихся там 3 тысячи лет назад) вовсе не являются единственными предками сегодняшнего островного населения
