Эволюция человека: не остановка, а ускорение

ГЕНЕТИКА ДНЯ ВОСЬМОГО

Е.Клещенко, «Химия и жизнь» № 3-2009
(опубликовано на сайте «Известия науки»)

Может быть, теперь, спустя сотни миллионов лет, ПРИРОДА начала естественный отбор по признаку ума, интеллекта, духа.
Может быть, ПРИРОДА вступает в новую эру. Глупцы будут вырождаться, мудрые развиваться и крепнуть.
Торнтон Уайлдер. День восьмой

Теория эволюции – молодая наука. За неполных два века нелегко собрать факты, необходимые для изучения процессов, длившихся миллионы лет. Конечно, есть палеонтологическая летопись, но, судя по ископаемым остаткам, кроманьонец, обитавший на Земле 150–200 тысяч лет назад, морфологически мало чем отличался от современных Homo sapiens. Значит ли это, что эволюция нашего вида остановилась? Некоторые считают именно так, другие с ними не соглашаются.

Рассуждения на эту тему оставались по большей части спекулятивными, пока не набрала силу еще более молодая наука – молекулярная генетика. Оказалось, что за материальными свидетельствами эволюции не обязательно ездить в дальние экспедиции: можно поискать их в геномах современных людей. Изменчивость, наследственность, естественный отбор – необходимые, по Дарвину, условия эволюции, и два из них обеспечиваются на уровне ДНК, поэтому каждый шаг эволюции отображается в ней.

В декабре 2007 года появились сообщения об исследовании, которое показало, что в последние 10 тысяч лет эволюция человека не остановилась и не замедлилась, а ускорилась. Группа ученых под руководством профессора антропологии Генри Харпендинга из университета штата Юта подкрепила свое смелое заявление результатами математического анализа геномов современных людей.

Разночтение в одну букву

Самый доступный материал для исследования – наша с вами ДНК. В последнее время выделение и анализ ДНК человека переместились с переднего края науки в рядовые лаборатории и клиники. Сравнительный же анализ ДНК многих людей породил и новую науку – геномику человека.

Международный проект «1000 Genomes», стартовавший в январе 2008 года, как ясно из названия, ставит целью отсеквенировать тысячу геномов анонимных добровольцев из разных частей света. Результатов проекта с нетерпением ожидают и врачи, и ученые, но прочесть тысячу раз по три миллиарда нуклеотидов – непростая и недешевая задача. Пока что приходится пользоваться результатами другого международного проекта – “НарМар”. Буквы латинские – от haplotype map, «карта гаплотипов». Напомним, что гаплотипом называют «половинный», гаплоидный генотип – расшифровку только одной из двух нитей ДНК. В более узком значении гаплотип – набор вариантов SNP (single nucleotid polymorphism, произносится как «снип»), то есть однонуклеотидных полиморфизмов, характерных для данной нити ДНК.

Хотя геномы любых двух случайно взятых людей совпадают как минимум на 99,5%, между ними есть и отличия. Значительную их часть составляют SNP – различия в один нуклеотид, как в словах «кочка» и «бочка». (И точно так же, как со словами, однобуквенная замена может кардинально поменять «смысл» гена, исказить его или сделать нечитаемым.) Называть SNP знакомым со школы термином «точечные мутации» не совсем правильно: мутациями мы обычно называем разовое событие, впервые произошедшее у данной особи. Конкретный вариант SNP может встречаться у значительного числа людей – даже если это всего 0,5–1%, в пересчете на все человечество (6,76 млрд. по последним данным) на единичное событие никак не тянет.

Вот здесь и начинается интересное. Говоря упрощенно, если известно, что в данном месте генома у девяти из десяти людей стоит буква G, а у одного из десяти – Т (в таком случае говорят об аллелях G и Т), возможно, это означает, что носители более редкого варианта имеют общего предка, у которого и произошла мутация. И тогда все множество SNP – это информация обо всех мутациях, имевших место у наших предков. Но как ее обработать и осмыслить? Как узнать, например, впервые ли гуанин заменился на тимин у этого человека, или эта замена получена им в наследство от мамы или папы, которые, в свою очередь, могли унаследовать ее от бабушек и дедушек?

Сведений о всем множестве SNP у нас пока нет, но есть, как уже сказано, “НарМар” – лежащая в свободном доступе коллекция аллелей миллионов SNP у представителей четырех популяций. Свои геномы предоставили 30 троек «мать – отец – взрослый сын или дочь» из нигерийского племени йорумба, 30 таких же троек жителей США, в основном мормонов из штата Юта, чьи предки происходили из Северной и Западной Европы, 45 токийцев, не приходящихся друг другу родственниками, и 45 китайцев-хань из Пекина. Таким образом, в коллекции есть данные по трем основным расам, их можно сравнивать между собой или же внутри групп. (Кстати, геномы этих самых людей будут полностью отсеквенированы в рамках проекта «1000 Genomes».)

Читатель уже понял, что, когда мы говорим о «нормальных и мутантных генах», мы часто подразумеваем «различные аллели SNP», если свойства гена определяются именно однонуклеотидной заменой. Таким образом, сведения о различиях в геномах людей для многих практических задач успешно заменяют полный сиквенс. “НарМар” уже принес много пользы медицинской генетике: исследуя SNP, можно выявить и гены предрасположенности к заболеваниям, и гены, связанные с нетипичной реакцией на лекарства или вакцины, и многое другое.

Но как насчет эволюции? Можно ли из этой россыпи точечных замен реконструировать эволюционные процессы?

Ископаемые в ДНК

Попытки восстановить ход эволюции человека, исходя из теоретических соображений, дают противоположные результаты. Интенсивность появления новых мутаций у особи логично считать постоянной (если не брать в расчет экзотические гипотезы о выходах радиоактивных руд как центрах видообразования). Но во-первых, численность человечества непрерывно росла. А где больше особей, там больше адаптивных мутаций. Это отлично известно разработчикам инсектицидов: в лаборатории подопытная группа насекомых послушно вымирает, а в обширных природных популяциях с высокой вероятностью находится устойчивый вредитель. Аналогичные опыты на бактериях также подтверждают, что размер популяции имеет значение. Во-вторых, увеличение численности сопровождалось освоением новых территорий, а значит, попаданием в новые условия, в которых, очевидно, становились адаптивными совсем иные признаки. Если это верно, то эволюция человека от неолита до наших дней должна ускоряться.

Оппоненты возражают: увеличение численности вида говорит о том, что вид находится на пике адаптации и что-то менять – только портить, приспособление же к новым условиям может осуществляться, и осуществляется, негенетическим путем – за счет высокого интеллекта. Может быть, человек уже давно избавился от пресса отбора – повысил выживаемость потомства, обеспечил комфортные условия даже не слишком могучим и здоровым особям и тем самым затормозил собственную эволюцию? Звучит не менее логично. Как же выяснить, кто прав?

Мутации – сырье, с которым работает естественный отбор. Неподготовленный человек предположит, что чем быстрее растет разнообразие генома – чем больше появляется новых SNP, передаваемых потомкам, – тем выше темп эволюции. Это не совсем так. Когда ген становится объектом положительного отбора, то есть его носитель получает преимущество и ген передается большему количеству потомков, повышается вероятность передачи и для соседних участков генома. В итоге широко распространяется не единственная мутация, а «узор» из определенных вариантов SNP. Длина «узора» составляет десятки или сотни тысяч нуклеотидов, в зависимости от возраста участка и интенсивности рекомбинации – обмена участками ДНК между парными хромосомами. Со временем рекомбинация, конечно, разрушит эти группы. Так вот, по степени разрушения распространенного SNP-узора можно судить о том, как давно «центральный» ген стал мишенью отбора. Чем лучше сохранился узор, тем ближе к нам по времени его первое появление.

Задача сродни палеонтологической – сначала найти в геноме «ископаемые остатки» полезных мутаций (то есть устойчивые группы аллелей SNP), потом по степени разрушения оценить возраст... Понятно, что решить ее можно только с помощью специально разработанного математического аппарата. Работа тяжелая, это вам не лопатой в раскопе шуровать. Впрочем, если серьезно, без математики не обходятся и современные палеонтологи.

Ускорение перестройки

Именно таким способом Генри Харпендинг с соавторами нашли в геноме человека около 1800 генов (7% от общего числа), которые подвергались отбору сравнительно недавно. Недавно по палеонтологическим меркам: «Темп изменений заметно увеличился в последние сорок тысяч лет, особенно в конце ледникового периода – примерно десять тысяч лет назад». Если вспомнить, что возраст нашего вида – 150–200 тысяч лет, говорить об остановке эволюции, пожалуй, не стоит. Кроме того, как пишут авторы в статье, опубликованной «Proceedings of the National Academy of Science of the USA» (26 декабря 2007 года, т. 104, № 52), есть основания полагать, что большая часть мутационных событий за последние 80 тысяч лет отловлена: совершенствование метода не увеличивает их числа. Примечательно, что немногие из этих генов можно назвать общими для всех групп, представленных в базе: большинство специфичны для популяций, и это тоже свидетельствует об их недавнем возникновении.

Распределение элементарных актов эволюции во времени показано на рис. 1 (только для европейской и африканской групп, но для японцев и китайцев картина была аналогичной). Хорошо видны временные промежутки, в которые отбиралось особенно много полезных мутаций: это началось около 8000 лет назад в Африке и всего 5250 – в Европе. Темпы эволюции увеличились раз в сто!

Планируя исследование, авторы хотели проверить гипотезу, согласно которой скорость появления адаптивных мутаций у человека была постоянной в течение всей истории вида. Но если бы она всегда была такой, как на последних этапах, то процент генов, затронутых изменениями, оказался бы выше и, к примеру, генетическое различие между человеком и шимпанзе было бы больше в 160 раз, чем реально наблюдаемое. Приходится признать, что эволюция человека сделала рывок?

(То, что вслед за резким подъемом на графике видно падение, не означает, что скорость эволюции к настоящему времени уменьшилась. Если не углубляться в математические сложности – среди недавних мутаций нелегко обнаружить адаптивные, то есть те, которые будут поддержаны отбором, ввиду отсутствия данных из будущего.)

Тридцать три века до нашей эры... конец неолитической революции, появление первых цивилизаций – урукская культура в Месопотамии, зарождение клинописного письма, математики, изобретение гончарного круга. В Европе сооружаются знаменитые ныне памятники эпохи неолита, от шотландского Скара Брай до мегалитов на Мальте. Кстати, тогда же, около 3300 года до н. э., в Тирольских Альпах замерз мужчина – то ли жрец, то ли пастух, затейливо одетый и татуированный, чья мумия, обнаруженная в 1991 году, получила прозвище Этци.

Соблазнительно вспомнить, что библейские датировки сотворения мира в основном приходятся на шестое тысячелетие до н. э., то есть как раз на ускорение темпов эволюции в африканской популяции. Креационисты могут не беспокоиться: то, что человек как вид появился значительно раньше, установлено четко и пересмотру не подлежит. И все же именно в то время с нашими предками произошло что-то важное. Что именно?

Культурная эволюция

Харпендинг и соавторы не могли не отметить, как соотносятся изменения темпов эволюции с нашей популяционной динамикой (рис. 2). Вспомнив о зависимости числа полезных мутаций от общей численности, авторы собрали данные о том, как изменялась численность людей и что они в это время поделывали.

Плавный рост численности начался в верхнем палеолите, а возможно, и чуть раньше, от 50 тысяч лет назад. Сравнительно медленным он оставался до голоцена (8–10 тысяч лет назад), когда люди заселили будущие центры доместикации животных и растений – Ближний Восток, Египет, Китай – и в последующие шесть тысячелетий распространились в Европу, Северную, Южную и Юго-Восточную Азию, а также в Австралию. Здесь хорошо заметен перегиб на европейском и азиатском графике (обратите внимание, что шкала логарифмическая!). Африканская популяция изначально была больше, но росла медленнее, а земледелие южнее Сахары возникло не ранее чем 4000 лет назад. Около 2500 лет назад (то есть за полвека до нашей эры), по некоторым оценкам, там обитало менее 7 млн. человек, тогда как популяции Европы, Западной, Восточной и Южной Азии насчитывали по 30 млн. каждая.

Легко видеть, что ускорение эволюции неплохо соотносится с этим расселением народов, а главное, с ростом численности. (Похоже, предположение о том, что число полезных мутаций пропорционально общему числу особей, оказалось справедливым?) Понятно и то, почему в Африке скорость выросла раньше, а в Европе зато поднялась чуть выше. Но все же наблюдаемую картину, по мнению авторов, трудно объяснить, не привлекая взаимодействие генов со средой.

В самом деле, миграции изменяли климатические условия, в которых обитал человек, а неолитическая сельскохозяйственная революция, то есть возникновение земледелия и животноводства, коренным образом изменила его рацион. Кроме того, эпидемические заболевания, такие, как ветряная оспа, малярия, желтая лихорадка, тиф и холера, стали серьезной причиной смертности примерно в то же время: считается, что их влияние на маленькие кочевые племена было ничтожным. А значит, и отбор по генам устойчивости к болезням начался именно тогда.

«Для неолитического и более позднего периодов должен быть характерен темп адаптивной эволюции, более чем в сто раз превышающий те, что имели место в другие периоды эволюции человека, – пишут в заключение авторы статьи. – Культурные изменения снизили смертность, однако вариации репродукции по-прежнему служат горючим для генетических перемен. По нашему мнению, стремительная эволюция культуры в позднем плейстоцене, со всеми новыми перспективами, которые дали коммуникация, социальные взаимодействия и творческие способности, предоставила больше возможностей для грядущих генетических перемен, а не уменьшила их вероятность».

Битвы мутантов

В средствах массовой информации авторы работы высказывались и менее наукообразно, и более смело. Они напоминали, что за 10 тысяч лет, отделяющих нас от кроманьонцев, все-таки отмечены изменения скелета, зубной системы и, вероятно, им соответствуют генетические изменения, обеспечивающие приспособленность к новым условиям. «Если вы возьмете охотника, привыкшего питаться мясом, и посадите его на зерновую диету, у него разовьется диабет. И адаптация к такой диете еще продолжается, – рассказывает Генри Харпендинг. – Некоторые новые гены, распространение которых в популяции мы видим, способствуют процветанию на высокоуглеродной пище». Кроме того, заселение Европы сопровождалось наследуемым снижением пигментации кожи: это способствовало поглощению солнечного света и лучшему усвоению витамина D. Вероятно, были и другие изменения, которые помогли людям приспособиться к умеренному климату и непривычному рациону.

Как утверждает Харпендинг (эти его слова приведены в пресс-релизе университета штата Юта), мы уже не таковы, какими были наши предки даже тысячу или две тысячи лет назад, и этим, возможно, объясняется различие между кровожадными викингами и современными миролюбивыми скандинавами. «Согласно господствующей догме, это всего лишь культурные различия, но почти любая особенность темперамента на самом деле в значительной мере обусловлена генетикой».

Далее он напомнил о том, что человеческие расы развивались независимо и гены в африканских, европейских, азиатских популяциях изменяются хотя одинаково быстро, но не идентично. По его словам, мы становимся менее схожими, а не образуем единое человечество, и генные потоки между удаленными популяциями не столь сильны, чтобы сгладить эти различия.

Другой участник работы, Грегори Кохран, говорил еще более образно: «История человечества все сильнее напоминает фантастический роман, где раз за разом возникают мутанты и замещают нормальных людей – иногда потихоньку, за счет лучшего выживания в условиях болезней и голода, иногда собираясь в воинственные орды. Мы и есть эти мутанты». Кохран – врач из Нью-Мексико, самостоятельно получивший образование в области эволюционной биологии, помощник профессора в университете Юта. Остальные авторы работы, кроме упомянутых, – антрополог Джон Хаукс, генетик Эрик Уонг и биохимик Роберт Мойзис. Надо признать, что такой состав команды укрепляет доверие к результатам.

О наследственном интеллекте ашкенази

Примечательный факт: в 2005 и 2006 годах Харпендинг и Кохран (вдвоем и в соавторстве с другими исследователями) опубликовали несколько работ, вызвавших бурные дебаты. Они доказывали, что высокий интеллект евреев ашкенази является результатом своего рода естественного отбора. Повышенный интеллект евреев – выходцев из северной части Европы подтвержден статистическими данными, также как и их некоторая генетическая обособленность. Хрестоматийный пример – высокие частоты встречаемости наследственных болезней Тея-Сакса и Гоше. Но исследователи из штата Юта сделали эффектное предположение: по их мнению, высокий интеллект этой группы объясняется тем, что в средневековой Европе преимущество в «борьбе за существование» получали евреи, занимающиеся торговлей, финансовыми операциями, сбором налогов – а глупые в этих областях не преуспевают. У более богатых семьи могли быть больше, и вдобавок дети сразу получали возможности, которых не было в семьях бедняков, занятых неквалифицированным трудом. Харпендинг и Кохран предположили даже, что генные кластеры, ответственные за наследственные заболевания, типичные для ашкенази, в гетерозиготном состоянии могут способствовать развитию интеллекта!

Звучит впечатляюще, но кто докажет, что основной причиной не были негенетические факторы, в частности культурные различия? Конечно, гены-кандидаты, повышающие IQ, уже исследуются и, по всей вероятности, играют свою роль. С другой стороны, хорошо известно, что еврейские родители – в любом веке, любой стране и независимо от религиозных убеждений – несколько больше, чем родители других национальностей, озабочены успехами детей и тем, чтобы они получили самое лучшее образование...

Кстати, ничего подобного тому, что произошло с Джеймсом Уотсоном после его печально знаменитых высказываний об интеллекте выходцев из Африки, с Харпендингом и Кохраном не случилось. Может быть, потому, что они говорили о чьем-то наследственном превосходстве, а не об отставании.

Прежде чем мы вернемся к основной теме статьи, еще один интересный факт: у Генри Харпендинга опубликовано несколько статей в соавторстве с российскими коллегами из Института общей генетики РАН и они посвящены генетическим особенностям жителей Дагестана – как равнинных, так и горных (в значительной мере изолированных) районов. Это, конечно, совсем другая история, но если вспомнить, что Кавказ с древних времен был узловой точкой человеческих миграций – темы могут оказаться связанными между собой.

Лактаза и ее роль в мировой истории

В романе Торнтона Уайлдера «День восьмой» добрый и умный доктор Гиллиз верил, что эволюция человека нового времени работает на повышение интеллекта человечества в целом. Доктора Харпендинг и Кохран с соавторами не делают таких радужных прогнозов – наверное, потому, что живут веком позже. Хотя по ранним этапам эволюции человека есть любопытные данные – например, положительный отбор по гену микроцефалину (МСРН1), который регулирует размер мозга. Но в конце концов, и кроме эволюции разума в истории нашего вида есть немало интересного.

О многих генах и раньше было известно, что их аллели подвергались интенсивному отбору: CCR5 (белок этого гена знаменит тем, что его использует как корецептор вирус СПИДа), ген белка крови FY (люди, у которых отсутствует этот белок, имеют иммунитет против малярии), а также хорошо знакомый нашим читателям ген фермента лактазы, отвечающего за расщепление молочного сахара – лактозы. В Китае и в большинстве регионов Африки взрослые люди не могут пить молоко. Однако в Швеции и Дании практически нет взрослых, у которых лактаза была бы неактивна. Отсюда ясно, почему молочное скотоводство развивалось главным образом в Европе,а не в Средиземноморье и Африке – вот пример влияния генетики на историю и культуру.

По мнению Харпендинга, было бы любопытно проверить, каким образом мутация, обеспечившая переносимость лактозы, подстегнула переселения народов – например, когда носители индоевропейских языков заселили все пространство от Северо-Западной Индии и Центральной Азии до Персии и Европы 4000–5000 лет назад. Он даже высказал предположение, что именно питательные молочные продукты дали индоевропейцам достаточно энергии. Недаром в Индии коровы – священные животные; к сожалению, молекула фермента лактазы слишком мала, чтобы воздавать ей почести.

До исследования Харпендинга и соавторов считалось, что подобных генов относительно немного. Теперь получается, что их почти две тысячи, и не исключено, что за каждым из них скрывается такая же интересная история, как с лактазой.

Наверное, в ближайшее десятилетие следует ждать новых успехов палеогеномики (а может быть, также «исторической геномики»?). Когда готовился к печати этот номер, исследовательская группа из Института эволюционной антропологии Макса Планка и компании «454 Life Science» объявила о получении первого, «чернового» варианта полного генома неандертальца. (Более раннему этапу того же проекта была посвящена статья в «Химии и жизни», 2007, № 1.) Но об этом – в одном из следующих номеров.

Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
10.04.2009