Древняя ДНК расскажет об эволюции и миграции

В рамках «Академического часа» сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН, кандидат биологических наук Александр Сергеевич Пилипенко рассказал школьникам, отдыхающим в оздоровительном лагере «Березка» о том, чем занимается палеогенетика и какие выводы ученые смогли сделать, изучая останки человека и животных.

— Что такое ДНК, наверное, все знают, это — двуспиральная молекула, состоящая из цепей сахарофосфатов, к которым прикрепляется 4 типа азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин, цитозин — 4 буквы, в которых записана вся генетическая информация нашего организма, — начал лекцию Александр Сергеевич. — При жизни организма ДНК сконцентрирована в ядре клетки — в хромосомах и в митохондриях. После того, как организм умирает, большая часть всех молекул полностью разрушается, но некоторые сохраняются кусочками: от 100 до 50 пар азотистых оснований.

Древняя ДНК — это не обязательно та, которой несколько тысяч лет, но это всегда материал, который содержится в останках какого-то биологического организма при условии, что после смерти его не законсервировали какими-то специальными средствами.

Динозавр стал ближайшим родственником обычной курицы

Идея исследовать ДНК не из современных организмов пришла к людям не сразу: молекулу открыли в 50-х годах и только в 80-х попробовали провести секвенирование (то есть расшифровку) древней ДНК. Первыми были японцы, они попытались проанализировать ДНК зебры квагга, которая сейчас уже истреблена.  Исследование позволило выяснить, что это животное ближе к зебрам, чем к лошадям, хотя изначально были сомнения. Практически сразу после этого начались работы по исследованию останков человека. Основоположник этого направления – Сванте Паабо, причем эту  работу он сделал по собственной инициативе и по секрету от начальника. Он договорился со своим другом, добыл кусочек древней египетской мумии, произвел секвенирование и опубликовал первую работу по анализу ДНК человека.

— Сразу могу сказать, что сейчас эти результаты не считаются достоверными, потому что в процессе исследования он загрязнил материал собственной ДНК.  Но на то время это была мировая сенсация, — отметил лектор. — После чего за это начали браться все. Через несколько лет после первых работ уже анализировали ДНК динозавра, доставали насекомых из янтаря и так далее. Был очень большой оптимизм касательно этого направления исследований, но, к сожалению, он быстро угас, — отметил Александр Сергеевич.

Для того чтобы достать древнюю ДНК, использовали очень чувствительные методы, которые позволяли видеть не только сам образец, но и все возможные загрязнения.

— Есть такой интересный пример загрязнения, связанный с секвенированием ДНК динозавра. Когда появились данные этого исследования, подтвердилась гипотеза,  что он — предок современных птиц. Позднее оказалось, что динозавры очень близки обычным курам. Удивительный результат? Но на самом деле исследователи просто ели в лаборатории куриное мясо, чем и объясняется наличие фрагментов ДНК этих птиц, — говорит А. С. Пилипенко.

Тогда решили создать систему методов верификации, то есть подтверждения верности результатов. В течение 10 лет исследователи занимались проблемой, как доказать себе и другим, что ты получил настоящую древнюю ДНК. В результате трудоемкость и стоимость получения образца увеличились в 100 раз.

Сегодня для этого нужно иметь очень хорошую лабораторию из ряда помещений, в которых проходят разные стадии исследования. Они должны быть изолированы друг от друга, внутри нагнетается воздух, чтобы создавать соответствующее давление, и воздух снаружи не попадал в комнату. Меры предосторожности касаются и ученых: человеку, который будет работать с материалом, необходимо несколько слоев герметичной одежды.

— Кроме того, мы фиксируем каждого археолога, который копает погребение, просим специально очень осторожно обращаться с находками, часто сами выезжаем на место раскопок, чтобы получить наиболее качественный материал для исследования, — рассказывает Александр Сергеевич.

Генеалогическое древо мамонта, коровы и свиньи

Исследователей привлекают животные, выдающиеся по своим параметрам. Этих животных уже нет, и с большой вероятностью, учитывая сегодняшний уровень развития технологий, их пока и не будет. Например, мамонты.  Давно стоял вопрос: какие родственные отношения у них с другими животными? Считалось, что слоны образуют одну близкородственную группу, а мамонты являются их двоюродными братьями или предками, но когда получили древнюю ДНК мамонта, оказалось, что у них был общий предок, затем от общей ветви развития отделился африканский  слон, а затем уже разошлись мамонты и индийский слон, то есть последние — более близкие родственники между собой, чем считалось ранее.  

Что касается доместикации, которая также интересна для ученых, то европейская цивилизация не привела к одомашниванию ни одного животного: всех своих питомцев они получили с Ближнего Востока, который был основным центром цивилизации.  Второй центр цивилизации — Индия, и еще существовал очаг в Юго-Восточной Азии. Даже корова, которая сыграла большую роль в европейской цивилизации, была одомашнена в Индии и на Ближнем Востоке. Она осталась до современности без всякого вклада тех видов, которые были в Европе, хотя там существовал дикий бык — тур, которого ранее считали предком европейских коров, но результаты генетических исследований показали, что это не так.

— Со свиньями получилось по-другому. Взяли самых древних домашних свиней, оказалось, что сначала они были только на Ближнем Востоке, и примерно 7 тыс. лет назад распространились на территории Европы. Появление этих животных спровоцировало одомашнивание дикого кабана, и постепенно его потомки заместили вид, который был ранее, в том числе и на Ближнем Востоке.

Современный человек — гибрид многих видов

— Есть такая фраза: человек произошел от обезьяны. Но она неправильная. У человека и обезьяны был общий родственник. И они, действительно, близки нам на генетическом уровне, например, с шимпанзе у нас разница в геноме всего 1%, с гориллами – 2%, — объясняет А. С. Пилипенко.

Существовало две гипотезы происхождения людей: по одной считалось, что Homo sapiens менее 100 тыс. лет назад вышел из Африки и заселил другие континенты. При этом территория за пределами Африки была занята другими видами людей, но, по мнению приверженцев этой теории, человек разумный их всех истребил. Вторая гипотеза: разные группы людей развивались независимо на разных территориях, и каждая из рас человека образована эволюцией такого вида. Сначала генетики по разным маркерам доказали, что народы должны были расселяться из Африки, но палеогенетики позднее опровергли эту информацию. В частности, Сванте Паабо выяснил, что все люди за пределами Африки содержат ДНК неандертальца — около 4%, это означает, что они на момент выхода Homo sapiens из Африки заселяли территорию, на которую он пришел.  Исходный вид человека современного анатомического типа, который образовался в Африке, сохранился только там. Потому за пределами Африки все мы являемся гибридами. Второе важное открытие палеогенетиков — считалось, что неандертальцы жили только в Европе и на Ближнем Востоке, но недавно, в 2007 году на Алтае в пещере Окладникова нашли сначала каменные орудия, а потом и кости — оказалось, на Алтае тоже жили неандертальцы.

Среди сотен километров земли также нашли одну косточку сантиметр на сантиметр. Выделили из нее ДНК,  оказалось, что она идеальной сохранности, но это — третий, до этого неизвестный тип людей — человек денисовский.  Стали смотреть: денисовцы – это тот вид, который наши предки уничтожили, или они тоже сыграли какую-то роль?  Оказалось, что денисовская ДНК присутствует только у населения Австралии и близлежащих островов. Ранее считалось, что австралийцы отделились от общей ветви последними, но оказалось всё по-другому: на территории Евразии европеоиды ближе к монголоидам, чем австралийцы. Они отделились как-то первыми.  Тогда предложили такую модель: было две волны расселения — люди вышли из Африки и пошли вдоль берега океана, заселили всю территорию до Австралии, где-то по дороге они встретились с денисовцами, и произошла гибридизация. Вторая волна уже заселила весь континент и не встречалась с денисовцами, возможно, к тому времени они исчезли.

Несколько видов древних людей внесли свой вклад в наш генофонд: все сидящие в зале не являются людьми современного анатомического типа, а являются гибридами нескольких видов древних людей. Возможно, существуют виды людей, еще нам неизвестных. С точки зрения генетики мы все намного ближе друг другу, чем кажемся.

Юлия Позднякова

Фото: 1,3 — автора, анонс, 2, 4 — из презентации А. С. Пилипенко
 http://www.copah.info/articles/simply/drevnyaya-dnk-rasskazhet-ob-evolyutsii-i-migratsii