Текст книги "Кости, гены и культура"

Геном алтайского неандертальца

Каждый прочтенный древний геном – кладезь новых фактов о древних человечествах. Многие из этих фактов оказываются абсолютно неожиданными не только для сторонних наблюдателей, но и для самих исследователей. Так и произошло со вторым прочтенным ядерным геномом из Денисовой пещеры.

Началось все с того, что в 2010 году в том же слое Денисовой пещеры, где до этого нашли фалангу мизинца девочки (образец Denisova 3) и зуб мужчины (Denisova 4, из этого образца был получен митохондриальный геном), археологи нашли еще и косточку пальца ноги (Denisova 5)[10]10
  Выражение “в том же слое” нуждается в уточнении. Все перечисленные находки происходят из слоя № 11, но относятся к разным его частям: фаланга кисти денисовской девочки Denisova 3 найдена в слое 11.2, а проксимальная фаланга стопы Denisova 5 – в слое 11.4 (Медникова, 2011), судя по всему, значительно более раннем. Хронологический разрыв между этими индивидами, по-видимому, достигает нескольких десятков тысяч лет (см. рис. 4.1).


[Закрыть]. Эта кость, относительно массивная, сочетала признаки неандертальцев и архаичных сапиенсов из пещеры Схул. Она была найдена в самой нижней части слоя, поэтому могла оказаться более древней, чем мизинец денисовской девочки (об этом мизинце – чуть ли не вся следующая глава). Из косточки Denisova 5 Сванте Пэабо и его команда сумели извлечь полный ядерный геном, второй – после генома из мизинца (Prüfer et al., 2014).

Как ни удивительно, геном оказался не денисовский, а неандертальский, а точнее, неандертальской женщины. То, что это именно женщина, определили по отсутствию фрагментов Y-хромосомы и по наличию двух вариантов Х-хромосомы. Прежде на Алтае уже находили остатки неандертальцев (книга 1, глава 5, раздел “Покорители Центральной Азии”), но присутствие двух видов людей в одной пещере и даже в одном и том же археологическом слое (хоть и в разных его частях) очень всех удивило. Впрочем, вряд ли неандерталка Denisova 5 заходила в гости к денисовцам № 3 и № 4 – скорее всего, они разминулись на десятки тысячелетий. Одна из правдоподобных датировок, основанная на детальной стратиграфии и сопоставлении нескольких методов датирования, дала возраст 60–70 тыс. лет для двух денисовцев и 100–120 тыс. лет для неандертальской женщины. Правда, во времена Denisova 5 денисовцы в пещере тоже периодически появлялись (см. раздел “Уточнены датировки археологических находок в Денисовой пещере” в главе 4).

Хорошая сохранность ДНК в образце позволила отсеквенировать геном Denisova 5 намного качественнее, чем опубликованные ранее геномы хорватских неандертальцев из пещеры Виндия (книга 1, глава 5, раздел “Геном неандертальца”) и прочтенный вчерне в 2013 году геном неандертальца из Мезмайской пещеры на Кавказе. Благодаря этому стал возможным гораздо более детальный анализ генетической эволюции человеческого рода (рис. 3.2).

Анализ всех прочтенных древних геномов подтвердил привнос неандертальских генов в генофонд сапиенсов, вышедших из Африки 60–50 тыс. лет назад и впоследствии заселивших Евразию, Австралию и Америку. В генах коренных африканцев, живущих к югу от Сахары, практически нет неандертальских примесей (правда, позднее у некоторых африканских популяций обнаружили генетическую примесь каких-то других людей, чьи предки отделились от предков сапиенсов примерно тогда же, когда и предки неандертальцев с денисовцами).

Обнаружился также небольшой приток генов от алтайских неандертальцев к денисовцам. В частности, денисовцы получили от неандертальцев несколько генов, связанных с иммунной защитой. Кроме того, оказалось, что денисовцам досталось заметное количество генетического материала от очень дальних родственников (видимо, от Homo erectus), отделившихся от общих предков сапиенсов, неандертальцев и денисовцев примерно миллион лет назад (рис. 3.3). Напрашивается предположение, что от них же денисовцы могли получить и свою мтДНК (хотя все равно непонятно, как этот вариант мтДНК попал к людям из Сима-де-лос-Уэсос, см. раздел “Люди из Ямы Костей в свете палеогенетики” выше).

Рис. 3.2. Эволюционные деревья человеческих популяций, основанные на митохондриальной ДНК (а) и полных ядерных геномах (б). Показаны алтайский неандерталец (неандертальская женщина из Денисовой пещеры) и другие неандертальцы из пещер Мезмайская, Фельдхофер, Эль-Сидрон и Виндия, денисовец, а также современные люди: француз, папуас и представители народов сан (южноафриканский, бушмены), йоруба (западноафриканский), хань (крупнейший китайский), каритиана и михе (индейские из Бразилии и Мексики соответственно). Денисовская мтДНК, как видно по дереву а, далеко отстоит от всех остальных. Анализ же ядерных геномов (б) показывает, что денисовцы на самом деле являются родственниками неандертальцев (они ближе к неандертальцам, чем к нам). По рисунку из Prüfer et al., 2014.

Неандертальская женщина из Денисовой пещеры – дитя инцеста. Об этом свидетельствует присутствие во всех ее хромосомах длинных участков с нулевым уровнем гетерозиготности, разделенных участками с более высокой гетерозиготностью. Ее родители имели около 25 % идентичных генов. Это значит, что они были родственниками на уровне единоутробных (или единокровных) брата и сестры, то есть имели одну мать и разных отцов или наоборот. Еще они могли быть дядей и племянницей, тетей и племянником и даже, чем черт не шутит, дедом и внучкой или бабкой и внуком. Все эти варианты соответствуют 25-процентному уровню генетического родства.

Рис. 3.3. Генеалогия сапиенсов, денисовцев и неандертальцев и реконструированные пути генетического обмена между популяциями (по данным на начало 2014 года). Д.И., Н.И. – это популяции денисовцев и неандертальцев, скрещивавшиеся с предками современных человеческих популяций и известные нам только по генам, интрогрессировавшим (проникшим) в генофонд этих популяций. По рисунку из Prüfer et al., 2014.

После прочтения генома неандертальской женщины из Денисовой пещеры был составлен новый, уточненный список потенциально важных (предположительно влияющих на фенотип) генетических изменений, закрепившихся у наших предков после отделения от предков неандертальцев и денисовцев. Список получился не очень длинный: в него попало всего 96 аминокислотных замен в 87 белках и около 3000 изменений в регуляторных областях. Однако среди изменившихся генов повышен процент тех, что связаны с развитием мозга. Это очередной аргумент в пользу того, что мозг и мышление у сапиенсов были устроены не совсем так, как у неандертальцев и денисовцев.

Денни, дочь неандерталки и денисовца

Систематические и невероятно тщательные раскопки, много лет ведущиеся в Денисовой пещере под руководством академика Анатолия Деревянко, дали бесценный материал для палеогенетических исследований. И это несмотря на то, что с точки зрения классической археологии материал выглядит более чем скромно – в лучшем случае отдельные зубы или фаланги пальцев. Но как показала практика, даже одна фаланга, а уж тем более две – это для палеогенетиков целый новый мир. Из одной такой фаланги (Denisova 3) был выделен геном денисовского человека, из другой (Denisova 5) – алтайского неандертальца, причем оба генома удалось прочесть очень качественно. Также пригодились палеогенетикам и три зуба (Denisova 2, 4 и 8), из которых извлекли фрагменты ядерных геномов еще трех денисовцев (Slon et al., 2017). Судя по всему, условия в Денисовой пещере исключительно благоприятны для сохранения древней ДНК.

Впрочем, даже такие находки, как узнаваемый человеческий зуб или фаланга пальца, – большая редкость. Основная масса собранного в Денисовой пещере костного материала – это мелкие неопределимые фрагменты, неизвестно каким видам животных принадлежащие. Но это не останавливает палеогенетиков. Они смело взялись и за крошечные невнятные обломки.

Главное тут – понять, какие из костных фрагментов принадлежали людям. А для этой задачи недавно нашлось красивое решение. Как выяснилось, даже самый ничтожный обломок кости можно определить если не до вида, то хотя бы до отряда, если в нем сохранился коллаген – весьма стойкий белок, который обычно сохраняется лучше, чем ДНК. Фрагменты древнего коллагена, выделенные из кости, анализируют при помощи масс-спектрометрии (Buckley, 2018). По результатам анализа можно понять, принадлежала ли кость кому-то из хищных, грызунов, парнокопытных или, скажем, приматов. Для нужд палеогенетики такой точности вполне достаточно, потому что другие приматы, помимо людей, вряд ли жили на Алтае в плейстоцене.

Проанализировав более двух тысяч обломков, ученые обнаружили одну-единственную человеческую косточку, получившую название Denisova 11. Первым делом из нее выделили митохондриальную ДНК, которая оказалась неандертальской (Brown et al., 2016). Прикидочный радиоуглеродный анализ показал, что возраст кости превышает 50 тыс. лет, а по уточненным данным он получился от 79 до 118 тыс. лет (см. раздел “Уточнены датировки археологических находок в Денисовой пещере” в главе 4). Ее обладателю на момент смерти было не менее 13 лет – об этом можно судить по толщине внешнего (кортикального) слоя кости. Между прочим, судя по изъеденности наружной поверхности обломка, он с большой вероятностью побывал в пищеварительном тракте хищного зверя.

Усилия палеогенетиков не пропали даром, и в августе 2018 года в журнале Nature появилась статья, сообщившая о черновом (со средним покрытием[11]11
  Покрытие (плотность покрытия) – мера качества прочтения генома. Чем оно выше, тем точнее и надежнее результат. “Покрытие 2,6” означает, что каждый кусочек генома удалось отсеквенировать в среднем 2,6 раза – не очень много, но и не мало для палеогенетики.


[Закрыть] 2,6) прочтении ядерного генома индивида Denisova 11. Кто же это – еще один денисовец или алтайский неандерталец? Все еще интереснее: Denisova 11 оказался (точнее, оказалась) неандертальско-денисовским метисом первого поколения (Slon et al., 2018).

Denisova 11 – женщина, потому что следов Y-хромосомы среди прочтенных фрагментов ДНК не обнаружено, а плотность покрытия для X-хромосомы получилась такая же, как и для остальных хромосом. В популярных источниках за ней закрепилось имя Денни. Тремя разными методами удалось показать, что загрязненность генома фрагментами ДНК современных людей не превышает 1,7 %.

Чтобы выяснить, к какому виду людей принадлежит Денни, ученые сравнили ее геном с тремя другими: денисовским (Denisova 3), алтайского неандертальца (Denisova 5) и современного африканца. Сравнение проводилось, как обычно, по “продвинутым” (то есть не таким, как у шимпанзе) аллелям. Оказалось, что Денни имеет в точности одинаковую степень родства с неандертальцами и денисовцами. Как такое может быть? Неужели ошибка?

Для проверки вместо генома Denisova 5 подставили в сравнение другой качественно прочтенный неандертальский геном из Хорватии (Виндия-33.19). И результат получился такой же – геном Денни равно похож на денисовский и неандертальский. Значит, не ошибка. Уровень гетерозиготности у Денни оказался намного выше, чем у Denisova 3 и обоих неандертальцев. Как раз такой уровень гетерозиготности (сравнимый с тем, что наблюдается у современных африканцев) должен быть у потомка от смешанного неандертальско-денисовского брака.

Отсюда следовало одно из двух: либо Денни является метиской первого-второго поколения, либо она представитель гибридной популяции, в которой гены денисовцев и неандертальцев когда-то смешались в равной пропорции. Чтобы выбрать более вероятный из этих вариантов, ученые проанализировали нуклеотидные позиции, по которым геном алтайского неандертальца наиболее четко отличается от генома денисовца, а именно позиции, в которых неандерталец Denisova 5 гомозиготен по одному аллелю, а денисовец Denisova 3 – по другому. При этом учитывались только самые “надежные” нуклеотидные различия, а именно трансверсии[12]12
  Трансверсия – замена пуринового основания на пиримидиновое или наоборот, то есть замена А или Г на Т или Ц соответственно, а также замена Т или Ц на А или Г.


[Закрыть], которые с наименьшей вероятностью могут возникнуть посмертно. То есть если у алтайского неандертальца в данной позиции, например, генотип АА, а у денисовца – ТТ, то такая позиция подходит для анализа.

Исследователи случайным образом выбирали из множества прочтенных мелких кусочков генома Денни два фрагмента, включающих данную позицию (мы ведь помним, что каждая позиция была прочтена в среднем 2,6 раза), и смотрели, какие нуклеотиды там стоят. При этом возможны три варианта: 1) оба фрагмента как у неандертальца, 2) один как у неандертальца, другой как у денисовца, 3) оба как у денисовца.

Нужно учитывать, что два выбранных фрагмента могут с равной вероятностью либо происходить от двух разных гомологичных хромосом (одну из них Денни получила от папы, другую от мамы), либо оказаться двумя прочтениями одного и того же кусочка одной и той же хромосомы (например, той, что получена от мамы). Поэтому если Denisova 11 является гибридом первого поколения и, следовательно, гетерозиготна по всем рассматриваемым позициям, то ожидаемое соотношение трех названных вариантов будет 25:50:25. Вот если бы геном Денни был прочтен с абсолютной точностью, фрагменты собраны в целые хромосомы и можно было с уверенностью брать по одному фрагменту от каждой из двух гомологичных хромосом, то ожидаемое соотношение для гибрида первого поколения было бы 0:100:0. Ну а поскольку мы не знаем, от какой из двух хромосом какой фрагмент происходит, и берем их наугад, то должно получиться 25:50:25.

Подсчитанное соотношение оказалось очень близким к 25:50:25. Таким образом, можно считать доказанным, что Денни – гибрид первого поколения. Ее мать была неандерталкой, поскольку митохондриальная ДНК, передаваемая по материнской линии, у нее неандертальская, а отец – денисовцем.

Более детальный анализ показал, что в геноме Денни есть пять небольших участков, в которых не одна, а обе хромосомы несут характерные неандертальские аллели, а денисовских почти нет. Это значит, что в денисовской популяции, к которой принадлежал отец Денни, была небольшая примесь неандертальских генов – по-видимому, след более древнего эпизода гибридизации. По оценке исследователей, этот эпизод мог произойти за 300–600 поколений до рождения отца Денни. Любопытно, что его неандертальская супруга и те древние неандертальцы, что оставили свой след в его геноме, скорее всего, происходили из разных неандертальских популяций.

Что касается неандертальской матери Денни, то она, как ни странно, оказалась более близкой родственницей хорватского неандертальца Виндия-33.19, чем своей более древней соплеменницы из той же самой Денисовой пещеры, от которой осталась косточка пальца ноги (Denisova 5). Возможно, это говорит о каких-то масштабных миграциях неандертальских племен. Например, можно предположить, что после 120 тыс. лет назад – это примерное время жизни Denisova 5 – европейские неандертальцы пришли на Алтай и вытеснили местную популяцию. Кстати, данные по геномам поздних европейских неандертальцев тоже указывают на дальние миграции (см. ниже).

Таким образом, исследование показало, что эпизодов скрещивания неандертальцев с денисовцами было как минимум два.

Немного забегая вперед, отметим, что и сапиенсы скрещивались с денисовцами несколько раз (три эпизода реконструируются достаточно надежно). Гибридизация сапиенсов с неандертальцами тоже происходила неоднократно (Vernot et al., 2016). Кроме того, предки пигмеев и некоторых других африканцев скрещивались с какими-то неведомыми, ныне вымершими популяциями в Африке (Hsieh et al., 2016; Durvasula, Sankararaman, 2020). У денисовцев, как мы уже знаем, есть примесь другой неизвестной популяции – возможно, азиатских эректусов. Но самым наглядным доказательством частой метисации является тот факт, что среди немногочисленных древних индивидов с отсеквенированными ядерными геномами уже нашлось целых два случая совсем недавней гибридизации: кроманьонец из румынской пещеры Оасе, имевший предка-неандертальца в четвертом-шестом колене (Fu et al., 2015), и Денни – гибрид первого поколения (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Местонахождения древних Homo, живших не позднее 40 тыс. лет назад, чью принадлежность к денисовцам (обозначены белым цветом), неандертальцам (черным) или сапиенсам (серым) удалось определить по ядерной ДНК (по данным на август 2018 года). Звездочками помечены четыре индивида, чьи геномы удалось прочесть с высоким покрытием (то есть очень качественно): неандертальцы Виндия-33.19 и Denisova 5, денисовец Denisova 3 и сапиенс Усть-Ишим-1. Наполовину белая, а наполовину черная фигурка – Denisova 11 (Денни), гибрид первого поколения: отец этой женщины был денисовцем, а мать неандерталкой. Черная точка на фигурке сапиенса отражает тот факт, что у этого кроманьонца, Оасе-1, был предок-неандерталец в четвертом-шестом колене. Черная точка на фигурке денисовца означает небольшую примесь неандертальских генов, полученных предками девочки Denisova 3 задолго до ее рождения. По рисунку из Slon et al., 2018.

Получается, что сапиенсы, денисовцы и неандертальцы, встречаясь на просторах Евразии, то и дело скрещивались друг с другом. Почему же тогда три популяции не слились, а сохранили (вероятно, до самого конца, то есть до вымирания неандертальцев и денисовцев) свою генетическую идентичность и обособленность? Ту самую обособленность, благодаря которой мы можем уверенно говорить, глядя на последовательность древней ДНК, что вот это – неандерталец, а то – денисовец?

Видимо, что-то все же мешало им слиться, причем это “что-то” не имело отношения к их готовности скрещиваться друг с другом. Скрещивались-то они вполне охотно. Скорее всего, причина была в пониженной жизнеспособности или пониженной плодовитости гибридов (это называют частичной постзиготической репродуктивной изоляцией; подробнее см. в нашей книге “Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий”). За время раздельного существования три популяции успели накопить в своих генофондах несовместимые (конфликтующие) аллели, и поэтому их все-таки правильнее считать разными видами людей. К такому выводу ученые пришли и на основе других методов. Мы к этой теме еще вернемся.

Предки неандертальцев и денисовцев скрещивались с потомками древних евразийских эректусов

Говоря о древних человечествах, скитавшихся по просторам Старого Света в среднем и позднем плейстоцене, трудно не потратить 90 % времени на обсуждение вопроса об их возможной гибридизации. Азиатские эректусы, неандертальцы, денисовцы, сапиенсы – все они теоретически могли скрещиваться друг с другом. Выше мы говорили, что на развитие полной генетической несовместимости между разобщенными популяциями у млекопитающих обычно уходит порядка 2–4 миллионов лет, то есть больше, чем успели прожить порознь перечисленные группы людей.

Спекуляций на эту тему было много и до зарождения палеогенетики, однако теперь появилась возможность перейти от домыслов к фактам (или, выражаясь корректнее, от очень спорных гипотез к значительно менее спорным). Если скрещивание происходило и рождались жизнеспособные гибриды, то в геномах потомков остаются об этом вполне четкие записи. Генетики научились их читать. Может быть, эпизоды межвидовой гибридизации и не были самым важным и интересным, что происходило в прошлом с людьми. Даже наверняка не были. Но информация о том, что обсуждали неандертальцы вечером у костра после встречи с денисовцами, в ДНК не записана. А о том, как они скрещивались, – записана. Сама возможность таких исследований, еще немыслимая каких-то десять лет назад, породила повышенное внимание к этой теме среди ученых.

Быстрый прогресс в данной области обеспечивается не только новыми отсеквенированными геномами, современными и древними, но и новыми методами их анализа. Исследование, о котором мы сейчас расскажем, основано на применении очередного нового метода к уже известным геномам.

Алан Роджерс, специалист по популяционной генетике и биоинформатике из Университета Юты, разработал пакет программ Legofit для реконструкции древней истории популяций по геномным данным (Rogers, 2019). В Legofit реализован новый подход к построению исторических реконструкций, учитывающий накопленный опыт и свободный от некоторых погрешностей, характерных для других методов.

Главная идея состоит в том, что надежную информацию о древних событиях можно извлечь из частоты встречаемости различных комбинаций примитивных и продвинутых аллелей в разных нуклеотидных позициях (nucleotide site patterns) в геномах изучаемых популяций.

Допустим, у нас есть генетические данные по четырем популяциям (рис. 3.5). В данном случае это современные африканцы (обозначены буквой X), современные европейцы (Y), неандертальцы (N) и денисовцы (D). Для каждой нуклеотидной позиции (сайта) берем по одному случайно выбранному аллелю (гаплоидному генотипу) из каждой популяции. Например, у современных африканцев в данной позиции может стоять нуклеотид А или Г, но мы выбираем один из вариантов случайно – допустим, это будет Г. То же проделываем и с остальными тремя популяциями. В итоге получаем для каждой популяции по одному варианту. Такой подход позволяет абстрагироваться от внутрипопуляционной изменчивости. Это, как утверждает Роджерс, может быть полезно, если мы хотим сосредоточиться на древних событиях в истории популяций, а не на недавних. В дальнейшем анализе учитываются только те сайты, в которых у одних популяций оказался примитивный аллель (такой же, как у шимпанзе), а у других – производный (то есть не такой, как у шимпанзе). Соответственно, для каждого отобранного сайта мы имеем ту или иную комбинацию (или паттерн распределения) примитивных и продвинутых аллелей. Например, может оказаться, что у первых трех популяций в данном сайте стоит такой же нуклеотид, как у шимпанзе (примитивный аллель), а у денисовцев – другой (производный аллель). Такая ситуация обозначается буквой d (см. рис. 3.5). Или, к примеру, может оказаться, что у первых трех популяций аллель производный и только у денисовцев – примитивный (комбинация xyn).

Рис. 3.5. Схематичное изображение генеалогии пяти человеческих популяций. Важно иметь в виду, что это не реконструкция реальных событий, а лишь схема, иллюстрирующая ход мысли Алана Роджерса и его коллег. X – современные африканцы, Y – современные европейцы, N – неандертальцы, D – денисовцы, S – неизвестная “сверхархаичная” популяция (superarchaics). Схема иллюстрирует идею о том, что частота встречаемости разных комбинаций примитивных и продвинутых аллелей несет информацию об истории изучаемых популяций. Нулями обозначены примитивные аллели, единицами – производные. Стрелки с греческими буквами – эпизоды привноса чужих генов в результате гибридизации. Разными линиями показана генеалогия одного конкретного нуклеотидного сайта. При такой генеалогии мутация, произошедшая на серой сплошной ветви, порождает комбинацию примитивных и производных аллелей d (0001), а мутация, произошедшая на черной сплошной ветви, – комбинацию xyn (1110). Прочие пояснения в тексте. Из Rogers et al., 2020.

На рисунке 3.5 показано схематичное генеалогическое дерево изучаемых популяций, отражающее современные представления о родственных связях (хронологическом порядке разделения) современных африканцев, современных европейцев, неандертальцев и денисовцев. На схеме есть еще пятая популяция S – это неизвестная популяция, которую Роджерс и его соавторы называют “сверхархаичной” (Rogers et al., 2020), чтобы противопоставить ее неандертальцам и денисовцам, часто называемым “архаичными людьми”. На самом деле это не очень удачные термины, потому что в тот момент, когда, например, сапиенсы гибридизовались с неандертальцами, никто из них не был ни более, ни менее архаичным, чем его партнер по скрещиванию, – обе популяции к тому времени прошли одинаковый по длительности эволюционный путь от общего предка. Поэтому и неандертальскую генетическую примесь в наших геномах не очень правильно называть “архаичной” примесью. Но так уж повелось. На самом деле “сверхархаики” – это просто некие люди, которые отделились от наших с неандертальцами общих предков раньше, чем мы отделились от неандертальцев.

На рисунке 3.5 также показаны четыре гипотетических эпизода привноса чужих генов в результате гибридизации (стрелки с греческими буквами). Три из них (α, β, γ) были установлены ранее[13]13
  Об эпизоде α – привносе неандертальских генов в генофонд современных внеафриканских сапиенсов – рассказано в первой книге (глава 5, раздел “Геном неандертальца”). Об эпизодах β и γ мы поговорим подробнее в разделе “Предки алтайских неандертальцев скрещивались с древними сапиенсами, а предки денисовцев – с эректусами” в главе 6.


[Закрыть], а четвертый (δ) вводится впервые в обсуждаемой работе. При этом ни один из четырех эпизодов в данном исследовании не рассматривался как изначально известная данность – ученые пытались оценить новым способом реальность каждого из них.

Внутри ветвей дерева разными линиями показана генеалогия одного конкретного нуклеотидного сайта. Если мутация произошла где-нибудь на черной сплошной ветке, то для данного сайта получится комбинация производных и примитивных аллелей xyn, а если на серой сплошной – d.

Ожидаемая частота встречаемости разных комбинаций зависит от параметров генеалогического дерева, а именно от порядка ветвления, длины ветвей (чем длиннее ветвь, тем выше вероятность, что где-то на ней произойдет мутация), числа эпизодов гибридизации, их интенсивности (доли привнесенной ДНК), динамики численности рассматриваемых популяций. Программа Legofit подбирает эти параметры таким образом, чтобы ожидаемые частоты встречаемости разных комбинаций примитивных и производных аллелей были максимально похожи на реально наблюдаемые.

Роджерс и его коллеги использовали этот метод для реконструкции популяционной истории сапиенсов, неандертальцев и денисовцев (Rogers et al., 2020). Неандертальцы были представлены геномами двух индивидов: из Денисовой пещеры (Denisova 5, “алтайский неандерталец”, см. раздел “Геном алтайского неандертальца” выше) и из пещеры Виндия в Хорватии. Как уже упоминалось, эти два неандертальских генома отсеквенированы наиболее качественно. Они представляют довольно далекие друг от друга популяции неандертальцев. Для денисовцев по-прежнему есть только один качественно прочтенный ядерный геном (Denisova 3), которым и была представлена денисовская популяция. Современную европейскую популяцию представляли геномы пяти французов и двух англичан, африканскую – геномы трех йоруба. В качестве внешней группы (для определения того, какие аллели являются примитивными) использовались геномы шимпанзе и гориллы. Реальные частоты встречаемости разных комбинаций примитивных и производных аллелей в рассматриваемых популяциях показаны на рисунке 3.6.

Самое общее представление об искомом дереве можно получить, просто разглядывая рисунок 3.6. Если не учитывать “синглетоны” (комбинации, в которых производный аллель есть только у одной из пяти популяций), то чаще всего встречается комбинация va, роднящая алтайских и хорватских неандертальцев, и комбинация xy, отражающая родство современных европейских и африканских сапиенсов. Стало быть, это концевые веточки дерева, разделившиеся в последнюю очередь. На третьем месте – комбинация vad, говорящая о родстве неандертальцев и денисовцев (они ближе друг к другу, чем к сапиенсам). Значит, предковая популяция (ее можно обозначить как XYVAD) сначала разделилась на ветви XY (сапиенсов) и VAD (общих предков неандертальцев и денисовцев, которых Роджерс с соавторами называет “неандерсовцами”). Затем ветвь VAD разделилась на VA и D (неандертальцев и денисовцев), VA – на V и A, а XY – на X и Y. Все так и было: это известная, надежно установленная топология родственных связей сапиенсов, неандертальцев и денисовцев.

Рис. 3.6. Частоты встречаемости разных комбинаций производных и примитивных аллелей у современных африканцев (x), современных европейцев (y), хорватского неандертальца (v), алтайского неандертальца (a) и денисовца (d). По рисунку из Rogers et al., 2020.

Чтобы продвинуться дальше, уже требуется моделирование. Сначала ученые испытали модели, вообще не учитывающие гибридизацию. Эти модели не смогли объяснить реально наблюдаемую картину (то есть воспроизвести частоты вариантов, показанные на рис. 3.6).

Добавление в модель одного эпизода гибридизации, а именно привноса генов неандертальцев в генофонд предков европейцев (стрелочка α на рис. 3.5), улучшило ситуацию, но не радикально. Тогда исследователи добавили еще два выявленных ранее эпизода, β и γ. Эпизод β – это привнос генов неизвестной “сверхархаичной” популяции в генофонд денисовцев, а эпизод γ – это гибридизация предков алтайских неандертальцев с какими-то древними сапиенсами.

Добавление эпизодов β и γ улучшает модель, но все-таки не позволяет удовлетворительно объяснить наблюдаемую картину. Модель с тремя эпизодами гибридизации (αβγ) выдает близкие к реальности частоты комбинаций лишь в том случае, если сверхархаики отделились от предков сапиенсов, неандертальцев и денисовцев целых 7 млн лет назад. Это, конечно, маловероятно – не могли же денисовцы в самом деле скрещиваться с шимпанзе.

Тогда Роджерс и его коллеги предположили, что модели для совпадения с реальностью не хватает еще одного эпизода гибридизации. Вот только кого и с кем?

Общие предки денисовцев и неандертальцев – “неандерсовцы” – отделились от предков сапиенсов то ли 500, то ли (по более популярным в последнее время оценкам) целых 750 тыс. лет назад. Позднее, где-то около 600–400 тыс. лет назад, предполагаемые предки неандертальцев появились в Европе, неся с собой ашельские орудия. В Азии, по идее, в это время должны были расселяться предки денисовцев. И те и другие селились не на безлюдных территориях. В Евразии уже давно жили представители рода Homo – потомки первой волны мигрантов, ранних Homo erectus, впервые покинувших африканскую прародину не позднее 1,8 млн лет назад (как мы помним, это датировка для людей из Дманиси). Неандерсовцы вполне могли поскрещиваться с евразийскими эректусами еще до того, как разделились на предков неандертальцев и денисовцев.

Предположение выглядело правдоподобным, и ученые начали экспериментировать с моделями, предполагающими еще один эпизод гибридизации – δ (см. рис. 3.5). Они сравнивали восемь моделей, включающих эпизоды β, γ и δ в разных комбинациях (эпизод α, в реальности которого нет никаких сомнений, был включен во все модели). Сравнение проводили при помощи изощренных статистических методов, специально адаптированных для данной задачи, с учетом того, что чем больше в модели параметров, тем проще ее подогнать к наблюдаемым фактам, но только такая подгонка может оказаться неадекватной (так называемая проблема “переподгонки”).

В результате с большим отрывом победила модель αβγδ, включающая все четыре эпизода гибридизации. На втором месте по правдоподобию – модель αβδ (игнорирующая приток генов от древних сапиенсов к алтайским неандертальцам). Все остальные варианты получили “нулевую поддержку”, то есть они как бы вообще не имеют права на существование по сравнению с конкурирующими моделями αβγδ и αβδ.

Таким образом, результаты уверенно подтвердили установленный ранее эпизод гибридизации β (приток генов от сверхархаиков к денисовцам) и чуть менее уверенно – эпизод γ (приток генов от древних сапиенсов к алтайским неандертальцам). Ну а самое главное, они свидетельствуют в пользу еще одного эпизода гибридизации δ, связанного с притоком генов от сверхархаиков к неандерсовцам. Это новая гипотеза, такой эпизод ранее всерьез не обсуждался. Если он подтвердится дальнейшими исследованиями, это будет самый древний известный эпизод гибридизации между удаленными ветвями человеческого рода. Дополнительные статистические тесты показали, что эпизод δ не может быть артефактом, порожденным ошибками секвенирования или соматическими мутациями.