Генетика помогает рассказать историю происхождения человека

Геохронолог Райнер Грюн нередко привозит с собой человеческие кости, когда возвращается домой в Австралию из экскурсий по Европе или Азии. Челюстные кости вымерших гоминидов из Индонезии, зубы неандертальцев из Израиля и кости пальцев древнего человека, найденные в Саудовской Аравии, - все они когда-то побывали в его лаборатории в Австралийском национальном университете, а затем были возвращены обратно. Грюн специализируется на разработке методов определения возраста таких образцов. В 2016 году он вез с собой особенно ценный груз: крошечный кусочек окаменевшей кости, завернутый в пузырчатую пленку внутри коробки.

Фрагмент кости был извлечен из черепа, который до сих пор хранится в Музее естественной истории в Лондоне, с тяжелыми надбровными дугами и большим лицом. Он выглядел настолько архаично, что шахтер, обнаруживший его в 1921 году на свинцовой шахте в замбийском городе Кабве, находившемся тогда на территории британской Родезии, сначала решил, что он принадлежал горилле. Но позднее в том же году музейный палеонтолог Артур Смит Вудворд заметил типично человеческие черты, такие как тонкий череп и относительно большая мозговая вместимость, что побудило его отнести образец к отдельному виду гоминидов.

Однако в 1980-х годах музейный палеоантрополог Крис Стрингер еще раз взглянул на череп и отнес его к виду Homo heidelbergensis - древнему гоминиду, который считается предком человека. По словам Стрингера, на основании его примитивности большинство исследователей предположили, что это ранний индивид, живший около полумиллиона лет назад, примерно за 200 000 лет до появления самых ранних Homo sapiens. Но никто не знал точно, сколько лет черепу. В течение десятилетий не существовало метода датировки, который мог бы определить возраст окаменелости без разрушительного процесса измельчения кусочков кости для анализа. Но Грюн был полон решимости найти решение.

Грюн - один из немногих геохронологов, владеющих лазерной техникой, которая извлекает и уменьшает до атомов едва заметное зернышко кости - более мелкое, чем естественные поры кости. Лазер соединен с масс-спектрометром, который измеряет концентрацию изотопов урана, подвергающихся радиоактивному распаду с определенной скоростью с течением времени.

Вернувшись из поездки за образцом Homo heidelbergensis, Грюн наблюдал, как лазер проделал два крошечных отверстия во фрагменте кости и частицы исчезли в масс-спектрометре. Оценив данные масс-спектрометра, он мог сказать, что фрагмент был намного моложе, чем считалось ранее. Как он, Стрингер и другие авторы сообщили в журнале Nature в апреле этого года, их лучшая оценка составила 299 000 лет, плюс-минус 25 000. Это означает, что человек из Кабве жил не раньше, а примерно в то же время, когда первые люди, похожие на Homo sapiens. Наряду с другими археологическими данными, эти находки позволяют предположить, что, возможно, Homo heidelbergensis был не нашим предком, а соседом.

Вместе с еще одним гоминидом, Homo naledi, который, как известно, существовал в то время на юге Африки, Африка могла быть многолюдным местом. "Теперь мы знаем, что, вероятно, существовало по меньшей мере три различных вида гоминидов". Это напоминает ситуацию, которая сложилась в Евразии, где неандертальцы и денисовцы процветали в течение сотен тысяч лет до того, как Homo sapiens не вытеснил их.

В результате, такие находки, как череп из Кабве, продолжают вызывать больше вопросов, чем ответов. Если Homo heidelbergensis не был одним из наших недавних предков, то кто же тогда был? Если наш вид действительно пересекался во времени с Homo heidelbergensis, то какую роль они сыграли в нашей эволюционной истории?

В последние годы область, которая традиционно полагалась на ископаемые находки, приобрела новые полезные инструменты: геномику и методы изучения древней ДНК. Вооружившись этим сочетанием подходов, исследователи начали раскапывать ранние этапы эволюции нашего вида, намекая на гораздо более сложное прошлое, чем считалось ранее - богатое разнообразием, миграцией и, возможно, даже скрещиванием с другими видами гоминидов.

"Чтобы собрать воедино эту историю, нам нужна информация из множества различных областей исследований", - замечает Элеонора Скерри, археолог из Института Макса Планка по изучению истории человечества в Йене, Германия. "Ни одна из них не даст ответов на все вопросы - ни генетика, ни археология, ни окаменелости, потому что все эти области имеют свои проблемы и ограничения".

Исследователи обнаружили некоторые из самых многочисленных окаменелостей в отложениях возрастом от 3,5 до 3,2 миллиона лет. По-видимому, это был период расцвета австралопитеков (включая род Australopithecus) - обезьян, которые ходили вертикально и, как считается, использовали каменные орудия, но при этом лазали по деревьям и имели относительно небольшой мозг. Считается, что наш род, Homo, каким-то образом возник из переходных видов обезьян около 2,8 миллиона лет назад как род гоминидов с характерными зубами, вероятно, приспособленных к эклектичной диете, которая позволяла им процветать в самых разных местах обитания. Но от того времени осталось мало отложений, не говоря уже об окаменелостях, что делает зарождение нашего рода одним из самых малоизученных периодов в нашей эволюции, отмечает Томпсон.

Ископаемые останки открывают больше тайн о времени вскоре после появления Homo, показывая разнообразие различных видов Homo, из которых Homo erectus, похоже, сохранился дольше всех. Homo erectus появляется в скудной летописи окаменелостей около 2 миллионов лет назад и живет на континенте примерно до миллиона лет назад. Это был первый гоминид, свидетельствующий о том, что он жил в человекоподобных социальных группах и использовал огонь, и считается, что он был предком человека. Когда и как появился Homo sapiens, до конца не ясно, но очевидно, что мы были не одиноки; ископаемые останки свидетельствуют о том, что в то время, когда появился наш вид, на континенте обитало несколько других видов гоминидов, например, представленных черепом из Кабве. Другой относительно мелкий гоминид, Homo naledi, также, как считается, жил на юге Африки около 300 000 лет назад. А в марокканской пещере под названием Джебель Ирхуд были найдены скелеты возрастом 300 000 лет с очень ранними признаками Homo sapiens. Однако пока неизвестно, как долго существовали эти различные виды гоминидов, пересекались ли они физически и, возможно, даже имели общие гены друг с другом, отмечает Стрингер, или же существовали другие виды.

Примерно 160 000 лет назад в древних группах гоминидов, представленных ископаемыми останками, найденными по всей Африке, начали появляться физические особенности, которые определяют нас сегодня, такие как шаровидный мозг и заостренный подбородок. Позже некоторые из этих анатомически современных людей пересекли тонкий участок суши, соединяющий Африку с Евразией, вероятно, несколько раз. На новом континенте они встретили неандертальцев и денисовцев, которые, как и два вида Homo размером с хоббита, найденные на островах Юго-Восточной Азии, считаются эволюционными продуктами более ранних миграций гоминидов с континента.

В 2015 году международной группе исследователей удалось собрать первую древнюю ДНК в Африке - геном Мота, человека, оставившего останки 4500-летней давности в эфиопской пещере. За пять лет после этой публикации ученые опубликовали еще около 100 полных и частичных последовательностей древних людей из Африки. Эти геномы помогли ученым лучше понять беспорядочные признаки недавних миграционных событий, которые затрудняют изучение современных геномов.

Например, митохондриальная ДНК из черепов семи человек, живших около 15 000 лет назад на территории современного Марокко, показала, что они были тесно связаны с натуфийцами, охотниками-собирателями, жившими на Ближнем Востоке, а также с людьми, жившими к югу от пустыни Сахара. Этот вывод позволяет предположить, что до появления земледелия существовали дальние связи между Северной Африкой, Ближним Востоком и Африкой к югу от Сахары.

Анализ древней ДНК также помог исследователям понять, как древние миграции повлияли на геномы ныне живущих людей. Одной из таких миграций является экспансия банту, которая постепенно распространила западноафриканские методы ведения сельского хозяйства по всему континенту примерно между 5 000 и 1 000 лет назад. Сравнив ДНК из останков древних охотников-собирателей на юге Африки и современных людей племени кхоэсан, эволюционный биолог Карина Шлебуш из Упсальского университета в Швеции и ее коллеги обнаружили, что некоторые группы кхоэсан несут ДНК, которую принесли с собой древние земледельцы. Они также несут смешанную евразийскую родословную, которая была занесена в Северную Африку во время более ранних миграций на континент и в конечном итоге была перенесена на самую южную часть Африки, когда другие мигрирующие человеческие популяции продвигались на юг, обнаружили исследователи.

Подобные исследования также позволили понять глубокие расхождения, произошедшие в человеческих популяциях задолго до миграции земледельцев и скотоводов. Мэри Прендергаст, антрополог из Университета Сент-Луиса в Мадриде, и ее коллеги недавно секвенировали первую древнюю ДНК из Западной Африки - материал, извлеченный из останков детей, похороненных в скальном укрытии в Камеруне. Сравнение ДНК возрастом 3 000 и 8 000 лет с древними геномами, собранными в других местах, и с геномами современных людей позволило исследователям реконструировать некоторые из самых ранних ветвей эволюционного древа нашего вида. В дополнение к глубокому расколу между группами кхоэ-сан и другими африканскими популяциями, от которых происходят и неафриканцы, их модель предполагает, что две другие основные линии раскололись так же глубоко, разойдясь друг с другом более 200 000 лет назад. Одна линия является предковой для охотников-собирателей центральной Африки, известных как Ака и Мбути, а вторая - это ранее неизвестная "призрачная" линия, судьба которой неясна. "Существует вся эта глубокая, глубокая структура популяций с различными дифференцированными ветвями человеческого древа на протяжении всего плейстоцена в Африке, которую мы еще не очень хорошо оценили", - говорит Прендергаст.

Только время покажет, достаточно ли нынешнего арсенала технологий исследователей, чтобы распутать полную историю эволюции человека. Возможно, новые технологии, такие как палеопротеомика, зарождающаяся область, которая направлена на реконструкцию происхождения по ископаемым белкам, которые являются более долговечными, чем ДНК, помогут исследователям "продвинуться еще дальше в прошлое", отмечает биологический антрополог Ребекка Акерманн из Кейптаунского университета.

Уже сейчас совершенно ясно, что эволюция человека была гораздо более сложной, чем ранее предполагали антропологи и так же более солжна, чем объяснение "Исхода из Африки". Это был не упорядоченный процесс постепенного превращения австралопитеков в современных людей, а беспорядочный и бессистемный путь, включающий в себя переплетение предков многих групп, некоторые из которых никогда не были обнаружены иначе, чем через генетические следы, оставленные ими в древних и современных геномах. "У нас длинная история. Многое произошло, и многие предки внесли свой вклад в наши сегодняшние геномы", - говорит Шлебуш. "Это не будет простой историей".

Источник: www.the-scientist.com