Текст книги "Генетическая одиссея человека"

Развивая тему

Для следующего этапа нашего путешествия нам необходимо обратиться к основам популяционной генетики. Теория, объясняющая поведение генов в популяции в течение длительного времени, довольно сложна и требует использования многих соответствующих разделов математики. Статистическая механика, теория вероятности и биогеография внесли свой вклад в наше понимание популяционной генетики. Однако большинство теоретических построений базируется на нескольких ключевых концепциях, доступных для понимания каждому и отражающих относительную простоту вовлеченных в эволюционный процесс сил.

Основной фактор эволюции – мутация, без нее не существовало бы полиморфизма. Под мутацией понимается случайное изменение в последовательности ДНК. Возникают они у человека с частотой около тридцати на геном. Другими словами, каждый человек является носителем около тридцати совершенно новых мутаций, отличающих его от родителей. Мутации случайны, так как появляются в процессе деления клеток как ошибки копирования ДНК, безотносительно места их возникновения – похоже, наш геном не отдает предпочтения какому-либо определенному типу мутаций независимо от того, какой результат может получиться. Скорее, мы подобно инженерам, спроектировавшим Heath Robinson[8]8
  Heath Robinson – электромеханическое устройство, созданное в 1940 году для расшифровки сообщений, передаваемых немецкими войсками. – Прим. пер.


[Закрыть], вынуждены использовать только то, что получили в мутационной лотерее. Открытые Ландштейнером разные группы крови возникли как мутации, как и все другие полиморфизмы.

Второй фактор эволюции известен как естественный отбор. Это та сила, которая особенно волновала Дарвина и которая несомненно играла решающую роль в эволюции Homo sapiens. Отбор осуществляется через предпочтение одних признаков другим и предоставление репродуктивных преимуществ их носителям. Например, в холодном климате животные с густым мехом могут иметь преимущество перед животными, лишенными шерсти, и их потомство может иметь больше шансов на выживание. Именно отбор сделал нас теми разумными культурными обезьянами, какими мы стали сегодня. Именно он привел к появлению таких важных признаков, как речь, прямохождение и противостоящий большой палец. Без естественного отбора мы остались бы похожими на относительно примитивных обезьяноподобных предков, с которыми мы бы столкнулись, если бы могли вернуться примерно на 5 млн лет назад.

Третий фактор называется дрейфом генов. Это довольно специальный термин для обозначения того, что мы понимаем интуитивно – в общем случае, если из большой выборки отобрать маленькую часть, то эта маленькая выборка всегда несколько искажает свойства большой. Если вы подбрасываете монету тысячу раз, вы ожидаете, что примерно 500 раз выпадет орел и 500 раз – решка. Если же вы подбрасываете монету только 10 раз, вполне вероятно, что вы получите не пять орлов и пять решек, а какой-либо другой результат, возможно 4:6 или 3:7. Случайное отклонение является следствием малого количества подбрасываний в приведенном примере. Если искаженную выборку использовать как родительскую для создания следующей генерации, то эта следующая генерация мало того что сохранит изначальное искажение, так еще и приобретет свое, скорее всего усилив изначальное. Поэтому малый размер популяции может привести к радикальным изменениям в частоте генов уже через несколько поколений. В нашем примере с подбрасыванием монеты полученный результат 7:3 приведет к тому, что следующее поколение унаследует 70 % «орлов» и 30 % «решек», а если из этого поколения выбрать малую часть для создания следующего, внучатого, поколения, то у внуков, вероятнее всего, «орлов» окажется еще больше. Это похоже на храповик[9]9
  Механизм, позволяющий рычагу двигаться только в одном направлении. – Прим. пер.


[Закрыть], так как вероятность изменений в предыдущем поколении влияет на их вероятность в последующих поколениях. В нашем примере с подбрасыванием монеты мы пришли от частоты 50 % к частоте в 70 % в течение одного поколения – довольно быстрое изменение. Ясно, что дрейф может оказать огромное влияние на частоту генов в небольших популяциях.

Сочетание этих трех сил создало ошеломляющее множество существующих сегодня генетических наборов, и широчайшее их разнообразие мы видим в пределах каждой человеческой популяции. Результатом их действия стал и низкий процент межпопуляционных различий между людьми. Это все, что стало известно к середине XX века. Но факт существования человеческого разнообразия на биохимическом уровне и понимание того, как гены ведут себя в популяциях, сами по себе мало что говорят о деталях эволюции и миграции человечества. И тут появляется итальянский врач, увлеченный историей, обладающий математическим талантом и новым взглядом на бактерий и мух.

Итальянская работа

Луиджи Лука Кавалли-Сфорца начал свою карьеру в Павии, будучи студентом медицинского факультета. Вскоре он оставил медицину, чтобы посвятить себя генетическим исследованиям сначала бактерий, позднее человека. В университете он учился под руководством известного генетика Буццати-Траверсо, последователя генетической школы Добжанского, изучавшего плодовых мушек Drosophila. А Феодосий Добжанский был руководителем кандидатской диссертации Ричарда Левонтина, и, таким образом, у нашей истории начинает обнаруживаться общая канва. Основным направлением исследований Добжанского было изучение генетической изменчивости, в частности, крупные хромосомные перестройки у плодовых мушек Drosophila. Он разработал новые методы генетического анализа, и его лаборатория в Нью-Йорке была эпицентром революции в биологии середины XX века. Добжанский и его студенты отстаивали новый взгляд на генетическую изменчивость, в котором не было места делению на оптимальный «дикий тип» (нормальная форма организма, созданная в ходе долгого периода естественного отбора) и на причудливых «мутантов», обязательно в чем-либо ущербных. Они считали это слишком сильным упрощением, в первую очередь потому, что изменчивость была слишком высокой, чтобы выяснить, является ли большинство мутантов носителями неоптимальных генетических программ. Если вместо этого одну из вариаций считать нормальным состоянием вида, то эволюция внезапно становится слишком разумной. Прежде существовал некий источник различных типов, над которыми работала эволюция, благоволя некоторым из них в одних случаях и устраняя в других.

Таким образом, имея основательный опыт в таких, казалось бы, несовместимых областях, как изменчивость плодовых мушек и медицина, Кавалли-Сфорца начал проводить исследования полиморфизма групп крови, позднее названного генетиками «классическим» полиморфизмом, с целью оценить родственные связи между современными людьми. Эта работа была начата в 1950-е годы – бурные времена для генетики. Уотсон и Крик расшифровали структуру ДНК, а использование физических методов исследования обещало революцию в биологии. Подобно большинству генетиков Кавалли-Сфорца для исследования изменчивости взял на вооружение стремительно развивающиеся биохимические методы. Но в отличие от многих из них он мог легко применять математический подход и, в частности, наиболее утилитарный раздел математики – статистику. Ошеломляющее разнообразие данных, полученных при изучении полиморфизмов, требовало теоретического обобщения. И статистика была готова прийти на помощь.

Представьте себе какую угодно группу, демонстрирующую многообразие: разноцветные камни на дне ручья, раковины улиток, крылья плодовых мушек разной длины или группы крови человека. На первый взгляд эти вариации кажутся случайными и не связанными между собой. Если мы имеем множество комплектов подобных предметов, то будет казаться, что все стало более сложным, даже хаотичным. Как это проясняет механизм, с помощью которого возникает разнообразие?

Для большинства биологов 1950-х годов было само собой разумеющимся, что основной причиной всякого разнообразия в природе является отбор. И, как считали евгенисты, человеческое разнообразие – не исключение. Отчасти это шло от широко распространенного представления о «диких типах» и «мутантах». Дикий тип мог иметь все «нормальные» признаки данного вида, такие как размер тела, цвет кожи, форма носа и другие. Фактом, подкрепляющим это убеждение, стало открытие генетических заболеваний (которые действительно являются «ненормальными»), бывших одними из первых признанных отклонений от нормы и ставших поводом для классификации людей на «приспособленных» и «неприспособленных» в соответствии с идеей Дарвина об эволюционной борьбе за существование. Тем не менее работавший в 1950-е годы в США японский ученый Мото Кимура начал делать некоторые генетические расчеты с использованием методов, заимствованных из анализа диффузии газов, обосновав тем самым исследования Кавалли-Сфорцы и других ученых. В конечном счете этот труд помог вытащить генетику из «мутантной» трясины.

Кимура заметил, что частота генетических полиморфизмов в популяциях может варьировать благодаря случайным ошибкам выборки – тому самому «дрейфу», упомянутому ранее. Самым захватывающим в его результатах было то, что дрейф, похоже, изменял частоту генов с предсказуемой скоростью. Трудность при изучении отбора заключалась в том, что скорость, с которой он создавал эволюционное изменение, зависела полностью от силы отбора – если генетическое изменение было чрезвычайно полезным, то его частота увеличивалась быстро. Тем не менее было практически невозможно измерить силу отбора экспериментально, поэтому никто не мог предсказать скорость изменения. В нашем примере с подкидыванием монет если орел – это один вариант гена, а решка – другой, то увеличение частоты с 50 % до 70 % в одном «поколении» может означать очень сильный отбор, отдающий предпочтение орлу. Однако ясно, что дело не в этом – частота орла увеличилась до 70 % по причинам, не имеющим никакого отношения к тому, насколько это было полезным.

Кимура сумел понять, что большинство полиморфизмов действительно свободны от отбора, и поэтому их можно считать эволюционно «нейтральными», способными свободно менять свою частоту преимущественно из-за ошибки выборки. Среди биологов развернулись горячие споры вокруг «нейтральных» полиморфизмов. Кимура и его коллеги считали, что почти вся генетическая изменчивость свободна от отбора, в то время как многие ученые продолжали приписывать большое значение естественному отбору. Однако большинство изученных генетиками человеческих полиморфизмов достигли своей нынешней частоты скорее всего из-за дрейфа генов. Это открыло дверь новому подходу в анализе стремительно накапливающихся данных о полиморфизме групп крови. Но прежде чем это случилось, потребовалось сделать крюк в Средние века.

«Бритва Оккама»

Средневековый монах и философ Уильям Оккам (1285–1349) был, наверное, сущим кошмаром для окружающих. Оккам буквально понимал утверждение Аристотеля, что «Бог и природа никогда не делают лишних усилий, а всегда только необходимые», и при всякой возможности прибегал к своей интерпретации этого суждения в спорах с коллегами. Принцип, получивший название «бритва Оккама», по латыни звучит довольно просто: pluralitas non est ponenda sine necessitate (множественность не следует полагать без необходимости). По своей сути утверждение Оккама отражает философскую приверженность к особому взгляду на Вселенную, известному как принцип экономии. Если в реальном мире каждое событие происходит с определенной вероятностью, то множество событий случается с перемноженными вероятностями, и в целом совокупность событий менее вероятна, чем одно событие. Такой подход представляет собой способ разложить сложный мир на понятные части, предпочитая простоту абсурду. Я мог бы лететь из Майями в Нью-Йорк через Шанхай, но я вряд ли это сделаю.

Применительно к маршруту моего путешествия это может показаться банальным, но это не столь очевидно, когда мы начинаем применять принцип экономии к науке. Откуда нам знать, что природа всегда выбирает самый экономичный путь? В частности, можно ли утверждать, что «упрощение» – девиз природы? Эта книга не место для детального обсуждения истории принципа экономии (в конце книги дано несколько ссылок на работы, в которых этот вопрос обсуждается детально), но похоже, что обычно природа и в самом деле отдает предпочтение простоте, а не сложности. Это особенно верно в случаях, когда что-то меняется, например, когда камень падает со скалы. Сила тяжести сама делает так, что камень из верхней точки в нижнюю перемещается по прямой и довольно быстро, без пересадки в Китае.

Таким образом, если мы принимаем предположение, что изменения в природе идут наикратчайшим путем из пункта А в пункт Б, то у нас есть теория, позволяющая судить о прошлом. Это поистине скачок, поскольку означает, что глядя на настоящее, мы можем сказать кое-что о том, что происходило раньше. По сути, это дает нам философскую «машину времени», чтобы путешествовать и исследовать далекое прошлое. Довольно впечатляющая штука. Даже Дарвин был поначалу приверженцем этой идеи – на самом деле Гексли однажды обрушился на него с бранью за косность его убежденности в том, что natura non facit saltum (природа не делает скачков).

Первое применение принципа экономии к классификации человечества было опубликовано в работе Луки Кавалли-Сфорцы и Энтони Эдвардса в 1964 году[10]10
  В данном случае под экономией понимаются методы, эксплуатирующие идею о минимальном количестве ходов, которые должна совершать эволюционная история для достижения того или иного конечного результата. Но этот метод, получивший название «максимальной экономии», используется не всеми популяционными генетиками. – Прим. авт.


[Закрыть]. В этом исследовании они сделали два важных допущения, которые стали использоваться в последующих исследованиях генетического разнообразия человечества. Первым было допущение, что генетические полиморфизмы вели себя так, как предсказывал Кимура, то есть все они были нейтральными, и любые изменения в их частоте возникали вследствие дрейфа генов. Второе допущение заключалось в том, что отношения между популяциями должны подчиняться принципу Оккама, тем самым количество изменений, необходимых для объяснения результатов, минимизируется. Используя эти ключевые догадки и метод, получивший название «минимальной эволюции», они построили первое генеалогическое древо человеческих популяций. Суть метода в том, что популяции схематически соединяются между собой таким образом, что те из них, которые имеют наиболее сходную частоту гена, расположены рядом друг с другом, и в целом родственные связи между группами минимизируют общую величину различий частоты гена.

Лука Кавалли-Сфорца и Энтони Эдвардс исследовали частоту встречаемости групп крови среди пятнадцати человеческих популяций, живущих в разных частях Земли. В результате скрупулезных расчетов с помощью одного из первых компьютеров Olivetti был сделан вывод, что африканская популяция является наиболее удаленной из исследованных групп, а европейские и азиатские популяции сгруппировались вместе. Это было потрясающее наитие относительно эволюционной истории нашего вида. Как скромно выразился Кавалли-Сфорца, анализ «имел некоторый смысл» на основе их концепции о том, как человеческие популяции должны были быть связаны между собой. Европейские популяции были ближе друг к другу, чем к популяциям Африки, Новой Гвинеи и Австралии, сгруппировавшимся вместе, и так далее. Этот результат отражал сходство частот генов, а так как эти частоты менялись во времени со скоростью, примерно постоянной (вспомните дрейф генов), это означало, что время, прошедшее с того момента, как европейские популяции стали отделяться друг от друга, было меньше, чем время отделения европейцев от африканцев. Старый монах оказался полезным через 700 лет – и антропология сделала шаг вперед[11]11
  Кавалли-Сфорца и Эдвардс разработали и другие методы анализа взаимоотношений между популяциями на основе данных о частотах встречаемости генов, которые в меньшей степени строились на принципе минимизации эволюционных изменений. Но тем не менее метод экономии используется в такого рода исследованиях наиболее широко. – Прим. авт.


[Закрыть].

Благодаря новому подходу к человеческой классификации стало даже возможным посчитать время расхождения популяций, сделав некоторые предположения о том, что происходило с людьми в прошлом, а также рассчитать размеры этих популяций. Впервые это было сделано Кавалли-Сфорцей и его коллегой Уолтером Бодмером в 1971 году. В результате их расчетов было установлено, что расхождение африканской и восточноазиатской популяций произошло 41 000 лет назад, африканской и европейской – 33 000 лет назад, европейской и восточноазиатской – 21 000 лет назад. Но проблема заключалась в том, что не было ясно, насколько обоснованны их предположения о структуре популяций. И что очень важно, по-прежнему не было ясного ответа на вопрос, где человечество возникло. Для этого нужны были данные другого рода.

Алфавитный суп

Эмиль Цукеркандль был германо-еврейским эмигрантом, работавшим в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. Большую часть своей научной карьеры он посвятил одной проблеме: структуре белка. Работая в 1950–1960-х годах с нобелевским лауреатом биохимиком Лайнусом Полингом, он изучал структуру гемоглобина – молекулы, переносящей кислород. Выбор был обусловлен тем, что гемоглобин можно было получить легко и в больших количествах. Гемоглобин обладал еще одной важной характеристикой: он был найден в крови у всех существующих млекопитающих.

Белки состоят из линейной последовательности аминокислот – небольших молекулярных строительных блоков, которые при образовании каждого белка комбинируются уникальным образом. Удивительно в белках то, что хотя они работают, будучи скрученными в причудливые конфигурации и часто в комплексе с другими белками, окончательная форма и функция активного белка детерминирована простой линейной последовательностью аминокислот. Существует двадцать аминокислот, участвующих в образовании белков, у всех у них есть названия, например лизин и триптофан. Химики дали им однобуквенную аббревиатуру, в данном случае лизина и триптофона – это K и Y соответственно.

Цукеркандль заметил интересную особенность в этих аминокислотных последовательностях. Когда он начал расшифровывать структуру гемоглобинов различных животных, то обнаружил, что они похожи. Часто они содержали идентичные последовательности из десяти, двадцати и даже тридцати аминокислот, а вслед за сходными цепочками аминокислот шли несколько совсем разных. Его поразило то, что чем более родственны были друг другу виды животных, тем более схожей была структура их гемоглобинов. Человек и горилла имели фактически идентичные последовательности гемоглобина, различающиеся лишь в двух местах, в то время как человек и лошадь отличались пятнадцатью аминокислотами. Это подсказало Цукеркандлю и Полингу, что эти молекулы гемоглобина могут служить своего рода молекулярными часами, показывающими посредством числа разных аминокислот время, прошедшее с момента отделения видов от общего предка. В статье, опубликованной в 1965 году, они действительно ссылались на эти молекулы как на «документы эволюционной истории». По сути дела, в генах каждого из нас записана история. Согласно Цукеркандлю и Полингу, если использовать принцип «бритвы Оккама» для минимизации числа аминокислотных различий, то информация, записанная в молекулярной структуре белков, может указать нам на нашего предка (рис. 1). Молекулы являются по сути «капсулами времени»[12]12
  «Капсула времени» – послание, предназначенное для будущих поколений, содержащее не только письма, но и предметы, характеризующие то время, когда она была сделана. – Прим. пер.


[Закрыть], оставленными у нас в геномах нашими предками. Нам остается только научиться считывать заключенную в них информацию.

Разумеется, Цукеркандль и Полинг понимали, что не белки – источник генетической изменчивости. Эта честь принадлежит ДНК – молекуле, формирующей наши гены. Если ДНК кодирует белки (что она и делает), то самая подходящая молекула для изучения – сама ДНК. Но проблема состояла в том, что с ДНК чрезвычайно трудно работать, и распознавание ее последовательности занимало много времени. Тем не менее в середине 1970-х годов Уолтер Гилберт и Фред Сэнгер независимо друг от друга разработали методы быстрого определения нуклеотидной последовательности (секвенирования) ДНК, за что в 1980 году получили Нобелевскую премию. Возможность секвенировать ДНК произвела революцию в биологии, которая продолжается и по сей день, достигнув кульминации в 2000 году завершением проекта по расшифровке генома человека. Исследования ДНК революционным образом изменили наше представление о биологии, так что неудивительно, что это оказало значительное влияние и на антропологию.

Густонаселенный Эдем

Итак, мы в 1980-х годах и имеем в своем распоряжении только что разработанные методы молекулярной биологии, теорию о том, как полиморфизмы ведут себя в популяциях, способ датировки на основе секвенирования молекул и жгучий интерес к тому, как генетика может ответить не извечный вопрос о происхождении человека. Для ответа на него было необходимо счастливое озарение и немного дерзости. И то, и другое нашлось в начале 1980-х годов в районе залива Сан-Франциско, в Северной Калифорнии.

Алан Уилсон, австралийский биохимик, работал в Калифорнийском университете над методами эволюционного анализа с использованием молекулярной биологии – нового научного направления, сфокусированного на изучении ДНК и белков. Используя методы Цукеркандля и Полинга, он и его студенты применили молекулярные подходы для установления времени расхождения человека и человекообразных обезьян, а также расшифровали некоторые сложные детали сложного процесса, как естественный отбор приспосабливает организм к окружающей среде через изменение белков. Уилсон был новаторски мыслящим человеком и с воодушевлением воспринял методы молекулярной биологии.

Одна из проблем, с которой столкнулись молекулярные биологи при изучении последовательностей ДНК, была связана с дублированием заключенной в ней информации. В каждой клетке нашего организма то, что мы называем нашим геномом – то есть полная последовательность ДНК, кодирующая все белки нашего тела, а также большое количество другой ДНК, функция которой нам неизвестна, – действительно существует в двух копиях. ДНК упакована в аккуратную линейную структуру, называемую хромосомой – у нас их 23 пары. Хромосомы находятся в клеточной структуре под названием ядро. Одной из главных особенностей нашего генома является его поразительная упорядоченность – подобно тому, как одни компьютерные папки находятся внутри других папок, а те – в следующих и так далее. Человеческий геном состоит из 3 000 000 000 (трех миллиардов) строительных блоков, называемых нуклеотидами (их четыре вида – A, Ц, Г и T), и нам необходимо каким-то образом получать заключенную в нем информацию в целости и сохранности. Вот почему мы имеем хромосомы, и вот почему они хранятся в ядре, отдельно от остальных частей клетки.

Причина, по которой мы имеем по две копии каждой хромосомы, более сложна, но сводится к вопросу пола. При оплодотворении сперматозоидом яйцеклетки суть происходящего в том, что часть отцовского и часть материнского геномов объединяются в пропорции 50:50, создавая геном ребенка. Говоря биологическим языком, одна из целей существования полов – создание новых геномов. Возникают новые комбинации, и не только в момент оплодотворения при смешивании отцовского и материнского геномов в соотношении 50:50, но даже раньше, когда формируются сами сперматозоиды и яйцеклетки. Это предшествующая оплодотворению перетасовка ДНК, называемая генетической рекомбинацией, возможна благодаря линейной природе хромосом – хромосомы относительно легко ломаются посередине и обмениваются частями со своей парой, формируя новые химерные хромосомы. Причина, по которой это происходит, как и в случае смешивания материнской и отцовской ДНК, заключается в том, что это, говоря эволюционным языком, хороший способ создать разнообразие в каждом поколении. Если изменится окружающая среда, следующие генерации ваших потомков будут готовы отреагировать на это.

«Но подождите, – скажете вы, – да разве эти сломанные и соединенные вновь хромосомы не такие, какими были прежние? Предполагалось, что они должны быть копиями!» Дело в том, что они не точные копии друг друга, а имеют отличия во многих местах по всей длине. Это копии копий, сделанные недобросовестным копировальным аппаратом, постоянно допускающим некоторое количество случайных ошибок при копировании хромосом. Эти ошибки и есть мутации, о которых мы уже упоминали ранее, а различия между парными хромосомами и есть полиморфизмы. Полиморфизмы обнаруживаются приблизительно через каждые 1000 нуклеотидов хромосомы. Таким образом, когда происходит рекомбинация, новые хромосомы отличаются от родительских.

Эволюционный смысл рекомбинации заключается в том, чтобы разрушить наборы полиморфизмов, соединенных друг с другом на одном участке ДНК. И хотя этот механизм, создающий разнообразие, в эволюционном плане отличная штука, он очень усложняет жизнь молекулярным биологам, желающим прочитать книгу об истории человеческого генома. Рекомбинация позволяет каждому полиморфизму на хромосоме вести себя независимо от других. Со временем полиморфизмы рекомбинируют много раз, и после сотен или тысяч поколений тип полиморфизмов, существовавший у общего предка, полностью утрачивается. Хромосомы потомков полностью перетасованы, и от первоначальной «колоды» не остается и следа. И это плохо для эволюционных исследований, так как, не имея возможности сказать что-либо о предке, мы не можем применять к полиморфизмам принцип «бритвы Оккама» и, следовательно, не представляем, сколько изменений претерпели в действительности перетасованные хромосомы. В настоящее время все наши расчеты молекулярных часов базируются на скорости появления новых полиморфизмов посредством мутаций. Из-за рекомбинации кажется, будто произошли мутации, в то время как их на самом деле не было, и из-за этого мы можем переоценить время, прошедшее с момента отделения от общего предка.

В начале 1980-х годов Уилсона и некоторых других генетиков посетила научная догадка, что если взглянуть на маленькие клеточные структуры, называемые митохондриями, то можно найти способ перехитрить перетасовку хромосом. Интересно, что митохондрия имеет свой собственный геном, и кроме ядра это единственная клеточная структура, у которой он есть. Дело в том, что по существу это эволюционный след, оставшийся с того времени, когда миллиарды лет назад образовались сложные клетки. Митохондрия – это то, что осталось от древней бактерии, проглоченной одним из наших одноклеточных предшественников. Позднее она оказалась пригодной для генерирования энергии в клетке, и теперь служит в качестве внутриклеточной силовой станции, хотя и начала свою жизнь как паразит. К счастью, митохондриальный геном существует всего в одной копии (как и бактериальный геном), а это означает, что он не может рекомбинировать. Кроме того, оказывается, что вместо одного полиморфизма приблизительно на 1000 нуклеотидов, он имеет один на 100. Чтобы провести эволюционное сравнение, мы хотели бы иметь в распоряжении столько полиморфизмов, сколько возможно, так как каждый полиморфизм увеличивает нашу способность различать индивидуумов. Вдумайтесь: если бы мы взяли только один полиморфизм с двумя различающимися формами А и Б, мы могли бы рассортировать всех на две группы – вариант А и вариант Б. С другой стороны, если взять 10 полиморфизмов, каждый из которых имеет два варианта, можно добиться лучшей разрешающей способности, так как вероятность того, что множество индивидуумов будет иметь одинаковый набор вариантов, намного меньше. Другими словами, чем больше полиморфизмов мы имеем, тем выше наши шансы сделать правильные выводы о родственных отношениях между исследуемыми людьми. Поскольку полиморфизмов митохондриальной ДНК (мтДНК) в десять раз больше, чем в остальной части нашего генома, к ней стоит приглядеться получше.

Ребекка Канн в рамках работы над своей диссертацией в лаборатории Уилсона начала исследование изменчивости мтДНК людей из разных уголков Земли. Команда ученых из Университета Беркли преодолевала огромные расстояния, чтобы собрать образцы человеческой плаценты (являющейся богатым источником мтДНК) в разных популяциях – европейской, новогвинейской, коренной американской и других. Их целью было оценить характер изменчивости всего человеческого вида, чтобы делать выводы о происхождении человека. То, что они обнаружили, было поразительно.

Начальные исследования человеческого митохондриального разнообразия Канн с коллегами опубликовали в 1987 году. Это был первый случай, когда человеческий полиморфизм ДНК был проанализирован методами экономии для установления общего предка и датировки. В аннотации к статье они сформулировали основные результаты коротко и ясно: «Все исследованные митохондриальные ДНК восходят к одной женщине, жившей предположительно 200 000 лет назад в Африке». Это открытие стало большой новостью, а бульварные газеты назвали эту женщину митохондриальной Евой – нашей прародительницей. Однако самым неожиданным было то, что в райском саду она была не единственной Евой – лишь самой удачливой.

Анализ, проведенный Канн и ее коллегами, заключал в себе ответ на вопрос, как последовательности мтДНК были связаны между собой. В своей статье они исходили из предположения, что если последовательности двух мтДНК имеют одинаковую мутацию в полиморфном сайте (скажем, Ц в позиции, где может быть либо Ц либо Т), то они имеют общего предка. Построив схему из 147 последовательностей мтДНК, они смогли сделать вывод о степени связанности индивидуумов, у которых были взяты образцы мтДНК. Это был утомительный процесс, потребовавший много времени на компьютерный анализ данных. При этом наибольшая дивергенция последовательностей мтДНК (число различий) была обнаружена среди африканцев, а это показывает, что процесс дивергенции у них шел дольше. Другими словами, африканцы – самая древняя группа людей на Земле, и это означает, что наш вид возник в Африке.

Метод экономии, использованный Канн, Стоункингом и Уилсоном в анализе последовательностей мтДНК, неизбежно приводил к единственному общему предку человека. Для любого участка генома, который не рекомбинирует – в данном случае для митохондриальной ДНК – мы можем определить ту единственную предковую митохондрию, из которых произошли все современные митохондрии. Это все равно что смотреть на расходящиеся круги на воде и определить, куда упал камень. Эволюционирующие последовательности мтДНК, накапливающие полиморфизмы при передаче от матери к дочери, подобны распространяющимся волнам, а предок – тому месту, куда упал камень. Применяя методы анализа, предложенные Цукеркандлем и Полингом, мы можем «увидеть» того единственного предка, который жил тысячи лет назад и который со временем мутировал, дав все существующее сегодня разнообразие форм. Более того, если мы знаем скорость, с которой возникают мутации, и имеем представление о количестве существующих полиморфизмов, то, собрав образцы человеческой ДНК по всему миру, мы сможем подсчитать, сколько прошло времени с того момента, когда «упал камень», то есть когда жил предок, давший начало всем потомкам, приобретшим по ходу истории мутации полиморфизмы.