Генетики изучают тайны забытой истории неандертальцев
Неандертальцы. Сколько их было? Археологи и генетики дают разные ответы. Новое исследование должно помочь им прийти к консенсусу и пролить свет на забытую историю этих людей древности. Включая и довольно раннее исчезновение. В 1856 году, за три года до публикации «О происхождении видов» Чарльза Дарвина, группа горняков обнаружила человеческие окаменелости в известняковой пещере в долине Неандер на севере Германии – позже их назовут Neanderthal 1, первым признаком принадлежности к другому архаичному виду человека. С тех пор мы пытались понять как можно больше о наших загадочных предках. Для этого эксперты собирали две основные линии доказательств: сотни костей и каменных инструментов, которые нашли разбросанными от Испании и Англии до Алтайских гор, и совсем недавние данные и выводы, сделанные из статистических моделей.
Однако эти подходы нарисовали поразительно разные картины того, как должны были выглядеть популяции неандертальцев. Археологические данные свидетельствуют о том, что примерно 150 000 отдельных особей охватили Европу и Азию, жили в небольших группах по 15-25 человек, а их общая численность сильно менялась с изменением климата (включая и суровые ледниковые периоды), которое происходило на промежутке в полмиллиона лет – вплоть до вымирания неандертальцев 40 000 лет назад.
Генетическое секвенирование рассказывает другую историю. Часть оценок на основе генов определяют население неандертальцев как какие-то 1000 человек; другие определяют несколько тысяч самое большее. Есть несколько гипотез, которые могли бы объяснить такие результаты: либо население было действительно таким малочисленным, даже на пике, либо оно было больше, но уменьшалось с течением времени. В любом случае неандертальцы всегда находились в упадке; их исчезновение, казалось, было предречено с самого начала.
«То, что два этих типа оценок не совпадают, это проблема, которую еще только предстоит решить», говорит Джон Хокс, палеоантрополог из Университета Висконсин-Мэдисон.
Однако теперь исследователи под руководством Алана Роджерса, антрополога и популяционного генетика в Университете штата Юта, предложили новую генетическую модель, которая может примирить эти различия. Он считает, что неандертальцы были намного многочисленнее, чем показывали предыдущие генетические исследования, и подводит их под очевидные артефакты и окаменелости, говорящие в пользу этого. Он также заполняет эволюционную историю неандертальцев со времен, когда они впервые отделились от наших предков в Африке, и когда начали сталкиваться с современными людьми. Во многих отношениях неандертальцы были намного более успешны как вид – и намного более похожи на нас – чем мы привыкли считать.
Вразрез с консенсусом
В популяционной генетике эффективный размер популяции не является прямым измерением общего числа людей, которые жили в определенное время. Это скорее мера генетического разнообразия. Эксперты просматривают ДНК индивидов на протяжении истории в поисках различий в последовательностях ДНК между двумя копиями его или ее генома. По сути, они оценивают, сколько родственных поколений отделяют материнскую копию гена от отцовской копии. Если популяция небольшая, они ожидают найти общего предка достаточно быстро; если большая, времени уходит больше. «Поразительно, сколько информации можно извлечь из отдельного индивида», говорит Роджерс.
Ученые давно подметили, что у неандертальцев был низкий уровень генетического разнообразия. У современных африканцев порядка 11 из каждых 10 000 нуклеотидов гетерозиготные, то есть различаются между двумя копиями хромосомы. У неафриканцев только 8 на каждые 10 000 демонстрируют такое поведение. Эта цифра падает до 2 на 10 000 у неандертальцев и денисовских людей, которых наука определила только в прошлом десятилетии. «Теория популяционной генетики говорит нам, что это должно означать небольшой размер популяции» у этих архаичных людей, говорит Монтгомери Слаткин, биолог Калифорнийского университета в Беркли, которого результаты Роджерса не убедили. Это значит, что популяция стремилась к числу в 2000-3000 особей.
«Но если во всем мире действительно было всего 1000 неандертальцев», говорит Роджерс, «трудно поверить, что они оставили такие богатые окаменевшие летописи».
И все же именно к генетическим свидетельствам обращаются Роджерс и его коллеги, утверждая, что неандертальцев было больше, десятки тысяч. Работа ученых была опубликована в Трудах Национальной академии наук в прошлом месяце.
Ключ к этому новому результату заключается в предположении исследователей о том, что у неандертальцев был гораздо более разнообразный генофонд, однако он был разделен на небольшие изолированные инбредные группы генетически сходных индивидуумов. Такая фрагментация исказила бы более ранние генетические результаты: прошлые оценки указывали бы на местное население и его региональную историю, упуская большую картину.
Роджерс решил восполнить этот недостаток, адаптировав и распространив модель смешения населения, которую использовали другие исследователи. Вместо анализа генома одного человека, он и его команда сравнили генетические варианты, характерные для современных африканцев, современных евразийцев, неандертальцев и денисовских людей. Ранняя версия этой модели была разработана для оценки того, как сильно скрещены современные люди и неандертальцы. Основной инновацией Роджерса было добавить денисовцев в эту смесь и существенно увеличить список возможных сочетаний и переплетений популяций. И это помогло ему ответить на вопросы, которые выходят далеко за рамки скрещивания, касающиеся размера популяции и других моментов.
Увеличение генетического разнообразия, которое обнаружил Роджерс и его коллеги, соответствует примерно десятикратному увеличению эффективного размера популяции. Хотя нет способа узнать, сколько еще неандертальских индивидов может выпасть из этого числа, оценки по ископаемым данным придется серьезно пересмотреть.
«Исследование предоставляет доказательства в виде ДНК тому, что мы видели в археологических записях», говорит Джошуа Аки, эволюционный биолог из Принстонского университета.
Из Африки — дважды
Работая с генетическими последовательностями и их пересмотренной моделью, ученые получили новые идеи о том, как неандертальцы, денисовцы и современные люди росли, сокращались, разделялись и периодически сливались на протяжении истории. «Мы хотим составить хорошее генеалогическое древо, чтобы иметь возможность рассказать точные истории о том, как связаны эти две группы», говорит Стивен Черчилль, антрополог из Университета Дьюка. «Но ясно, что эти отношения намного сложнее».
Примерно 750 000 лет назад, по словам Роджерса, предшественники неандертальцев и денисовцев оставили предков современных людей в Африке, чтобы перейти на обширную территорию Евразии. Уже только это почти уничтожило их; генетические данные показывают, что популяция проходила через суровые испытания, которые ранее не выявляли исследования. Что бы ни вызвало эту катастрофу, древние люди ее пережили и всего несколько тысяч лет спустя — 744 000 лет назад — они разделились на две отдельные родословные, неандертальцев и денисовцев. Первые затем разделились на региональные группы поменьше, которые и очаровали Роджерса.
Датирование этого раскола между неандертальцами и денисовцами само по себе удивительно, потому что предыдущие исследования ставили его позднее: в исследовании 2016 года, например, раскол определили как событие, произошедшее 450 000 лет назад. Раннее разделение означает, что мы должны найти еще больше окаменелостей, оставшихся от обеих групп. Также придется пересмотреть уже найденные окаменелости. Взять, например, кости головного мозга гоминида, принадлежащего к виду Homo heidelbergensis, который жил в Европе и Азии около 600 000 лет назад. Палеоантропологи не могут согласиться с тем, как он относится к другим группам людей; некоторые полагают, что они были предками как современных людей, так и неандертальцев, другие — что они были недревними видами, которых заменили неандертальцы, бродившими по Европе.
Выводы Роджерса подразумевают, что H. heidelbergensis должен был быть ранним неандертальцем. «Мы поставили настолько раннее время разделения, что европейский гоминид 600 000 лет назад почти наверняка должен быть неандертальцем», говорит он, «хотя бы генетически, даже если он совсем не был похож на неандертальца».
Так или иначе, эта новая реконструкция сложной ранней истории неандертальцев очень напоминает то, что мы узнали о популяциях анатомически современных людей, впервые распространившихся в Европе и Азии. Около 50 000 лет назад евразийцы отделились от африканцев, пережили сложный период, в течение которого их население было очень низким, а затем разломились в региональные популяции по всей Евразии — так называемая внеафриканская теория миграции людей. «Похоже, что то же самое происходило 600 000 или 700 000 лет назад» с неандертальцами и денисовцами, говорит Роджерс. «Была еще одна внеафриканская диаспора, о которой никто ранее не подозревал».
Не так уж плохо, в конце концов
Не секрет, что у неандертальцев было все плохо: ледниковые периоды, которые они пережили, и фрагментация их населения оставила их неспособными поддерживать надежный социальный или технологический рост. «Но одно из заблуждений состоит в том, как мы представляем прогресс, что современные люди лучше, а неандертальцы хуже», говорит Хоукс. «Когда дело доходило до охоты и опору на высокоэнергетические продовольственные ресурсы в маргинальных средах, неандертальцы были непревзойденными. Они решали проблемы, с которыми мы сегодня вообще не сталкиваемся. Как они жили с такой низкой плотностью населения в течение сотен тысяч лет? Этого мы никогда не понимали».
Прежде чем приступать к своему исследованию, Роджерс считал, что неандертальцы были на грани исчезновения, когда современные люди вошли на их территории, что их популяции уже истощались и изобиловали генетическими заболеваниями. Больше он так не считает.
Понимание истинной структуры неандертальского населения может помочь ученым углубиться в динамику этих древних людей и их взаимодействие с нами. Например, интересно, были ли какие-нибудь особенности при скрещивании людей и неандертальцев. Включали ли мы равное количество материнской и отцовской ДНК неандертальцев, или же был сдвиг?
Работа Роджерса и связанные с ней исследования других групп могут быть мощной подсветкой и для современной генетики. Их аналитическая модель может быть применена к собакам и лошадям — да и вообще к любым видам, которые демонстрируют структурированное размножение в своих популяциях, а не случайный поток генов. Гены неандертальцев могли быть связаны с повышенным риском развития депрессии, диабета, сердечных заболеваний и других расстройств, и это тоже предстоит выяснить.