Генетики вивчають таємниці забутої історії неандертальців

Неандертальці. Скільки їх було? Археологи та генетики дають різні відповіді. Нове дослідження повинно допомогти їм прийти до консенсусу і пролити світло на забуту історію цих людей давнини. Включаючи і досить раннє зникнення. У 1856 році, за три роки до публікації «походження видів» Чарльза Дарвіна, група гірників виявила людські скам'янілості у вапняковій печері в долині Неандер на півночі Німеччини – пізніше їх назвуть Neanderthal 1, першою ознакою приналежності до іншого архаичному вигляду людини. З тих пір ми намагалися зрозуміти, як можна більше про наших загадкових предків. Для цього експерти збирали дві основні лінії доказів: сотні кісток і кам'яних інструментів, які знайшли розкиданими від Іспанії і Англії до Алтайських гір, і зовсім недавні дані і висновки, зроблені зі статистичних моделей.

Проте ці підходи намалювали разюче різні картини того, як повинні були виглядати популяції неандертальців. Археологічні дані свідчать про те, що приблизно 150 000 окремих особин охопили Європу і Азію, жили у невеликих групах по 15-25 осіб, а їх загальна чисельність сильно змінювалася зі зміною клімату (включаючи і суворі льодовикові періоди), яке відбувалося на проміжку півмільйона років – аж до вимирання неандертальців 40 000 років тому.

Генетичне секвенування розповідає іншу історію. Частина оцінок на основі генів визначають населення неандертальців як якісь 1000 осіб; інші визначають кілька тисяч найбільше. Є кілька гіпотез, які могли б пояснити такі результати: або населення було дійсно таким нечисленним, навіть на піку, або воно було більше, але зменшувалася з плином часу. У будь-якому випадку неандертальці завжди знаходилися в занепаді; їх зникнення, здавалося, було роковано з самого початку.

«Те, що два цих типу оцінок не збігаються, це проблема, яку ще тільки належить вирішити», говорить Джон Хокс, палеоантрополог з Університету Вісконсін-Медісон.

Однак тепер дослідники під керівництвом Алана Роджерса, антрополога і популяційного генетика в Університеті штату Юта, запропонували нову генетичну модель, яка може примирити ці відмінності. Він вважає, що неандертальці були набагато численніша, ніж показували попередні генетичні дослідження, і підводить їх під очевидні артефакти і скам'янілості, що говорять на користь цього. Він також заповнює еволюційну історію неандертальців з часів, коли вони вперше відокремилися від наших предків в Африці, і коли почали стикатися з сучасними людьми. У багатьох відносинах неандертальці були набагато більш успішні як вид і набагато більш схожі на нас, ніж ми звикли вважати.

Врозріз з консенсусом

В популяційної генетики ефективний розмір популяції не є прямим виміром загального числа людей, які жили в певний час. Це, скоріше, міра генетичного різноманіття. Експерти переглядають ДНК індивідів протягом історії в пошуках відмінностей у послідовностях ДНК між двома копіями його або її геному. По суті, вони оцінюють, скільки споріднених поколінь відокремлюють материнську копію гена від батьківської копії. Якщо популяція невелика, вони очікують знайти спільного предка досить швидко; якщо велика, часу йде більше. «Вражаюче, скільки інформації можна отримати з окремого індивіда», говорить Роджерс.

Вчені давно помітили, що у неандертальців був низький рівень генетичного різноманіття. У сучасних африканців близько 11 з кожних 10 000 нуклеотидів гетерозиготні, тобто різняться між двома копіями хромосоми. У неафриканцев тільки 8 на кожні 10 000 демонструють таку поведінку. Ця цифра падає до 2 на 10 000 у неандертальців і денисовских людей, яких наука визначила тільки в минулому десятилітті. «Теорія популяційної генетики говорить нам, що це має означати невеликий розмір популяції» у цих архаїчних людей, говорить Монтгомері Слаткин, біолог Каліфорнійського університету в Берклі, результати якого Роджерса не переконали. Це означає, що популяція прагнула до числа 2000-3000 особин.

«Але якщо у всьому світі дійсно було всього 1000 неандертальців», говорить Роджерс, «важко повірити, що вони залишили такі багаті скам'янілі літопису».

І все ж саме до генетичних свідченнями звертаються Роджерс і його колеги, стверджуючи, що неандертальців було більше, десятки тисяч. Робота вчених була опублікована в Працях Національної академії наук в минулому місяці.

Ключ до цього нового результату полягає в припущенні дослідників про те, що в неандертальців був набагато більш різноманітний генофонд, однак він був розділений на невеликі ізольовані інбредні групи генетично подібних індивідуумів. Така фрагментація спотворила б більш ранні генетичні результати: минулі оцінки вказували б на місцеве населення та його регіональну історію, втрачаючи велику картину.

Роджерс вирішив заповнити цей недолік, адаптувавши та поширивши модель змішування населення, яку використовували інші дослідники. Замість аналізу геному однієї людини, він і його команда порівняли генетичні варіанти, характерні для сучасних африканців, сучасних євразійців, неандертальців і денисовских людей. Рання версія цієї моделі була розроблена для оцінки того, як сильно схрещені сучасні люди і неандертальці. Основною інновацією Роджерса було додати в цю денисівцівсуміш і істотно збільшити список можливих поєднань і переплетень популяцій. І це допомогло йому відповісти на питання, які виходять далеко за рамки схрещування, що стосуються розміру популяції та інших моментів.

Збільшення генетичного різноманіття, яке виявив Роджерс і його колеги, відповідає приблизно десятиразового збільшення ефективного розміру популяції. Хоча немає способу дізнатися, скільки ще неандертальських індивідів може випасти з цього числа, оцінки по викопних даними доведеться серйозно переглянути.

«Дослідження надає докази у вигляді ДНК того, що ми бачили в археологічних записах», говорить Джошуа Акі, еволюційний біолог з Прінстонського університету.

З Африки — двічі

Працюючи з генетичними послідовностями та їх переглянутої моделлю, вчені отримали нові ідеї про те, як неандертальці, денисівці і сучасні люди росли, скорочувалися, розділялися і періодично зливалися протягом історії. «Ми хочемо скласти хороше генеалогічне древо, щоб мати можливість розповісти точні історії про те, як пов'язані ці дві групи», говорить Стівен Черчілль, антрополог з Університету Дьюка. «Але ясно, що ці взаємини набагато складнішими».

Приблизно 750 000 років тому, за словами Роджерса, попередники неандертальців і денисовців залишили предків сучасних людей в Африці, щоб перейти на велику територію Євразії. Вже тільки це майже знищило їх; генетичні дані показують, що популяція проходила через суворі випробування, які раніше не виявляли дослідження. Що б не викликало цю катастрофу, стародавні люди її пережили і всього кілька тисяч років тому — 744 000 років тому — вони розділилися на дві окремі родоводи, неандертальців і денисовців. Перші потім розділилися на регіональні групи поменше, які зачарували Роджерса.

Датування цього розколу між неандертальцями і денисовцами само по собі дивно, тому що попередні дослідження ставили його пізніше: у дослідженні 2016 року, наприклад, розкол визначили як подія, що сталася 450 000 років тому. Раннє поділ означає, що ми повинні знайти ще більше скам'янілостей, що залишилися від обох груп. Також доведеться переглянути вже знайдені скам'янілості. Взяти, наприклад, кістки головного мозку гомініда, належить до виду Homo heidelbergensis, який жив у Європі та Азії близько 600 000 років тому. Палеоантропологи не можуть погодитися з тим, як він ставиться до інших груп людей; деякі вважають, що вони були предками як сучасних людей і неандертальців, інші — що вони були недревними видами, яких замінили неандертальці, бродившими по Європі.

Висновки Роджерса увазі, що H. heidelbergensis повинен був бути раннім неандертальцем. «Ми поставили настільки ранній час поділу, що європейський гомінід 600 000 років тому майже напевно повинен бути неандертальцем», говорить він, «хоч би генетично, навіть якщо він зовсім не був схожий на неандертальця».

Так чи інакше, ця нова реконструкція складною ранньої історії неандертальців дуже нагадує те, що ми дізналися про популяціях анатомічно сучасних людей, вперше поширилися в Європі і Азії. Близько 50 000 років тому євразійці відокремилися від африканців, пережили складний період, протягом якого населення було дуже низьким, а потім розламалися в регіональні популяції по всій Євразії — так звана внеафриканская теорія міграції людей. «Схоже, що те ж саме відбувалося 600 або 700 000 000 років тому» з неандертальцями і денисовцами, говорить Роджерс. «Була ще одна внеафриканская діаспора, про яку ніхто раніше не підозрював».

Не так вже погано, зрештою

Не секрет, що у неандертальців було все погано: льодовикові періоди, які вони пережили, і їх фрагментація населення залишила їх нездатними підтримувати надійний соціальний або технологічний зростання. «Але одне з помилок полягає в тому, як ми представляємо прогрес, що сучасні люди краще, а неандертальці гірше», говорить Хоукс. «Коли справа доходила до полювання і опору на високоенергетичні продовольчі ресурси в маргінальних середовищах, неандертальці були неперевершеними. Вони вирішували проблеми, з якими ми сьогодні взагалі не стикаємося. Як вони жили з такою низькою щільністю населення протягом сотень тисяч років? Цього ми ніколи не розуміли».

Перш ніж приступати до свого дослідження, Роджерс вважав, що неандертальці були на межі зникнення, коли сучасні люди увійшли на їх території, що їх популяції вже вичерпувалися і рясніли генетичними захворюваннями. Більше він так не вважає.

Розуміння істинної структури неандертальського населення може допомогти вченим заглибитися в динаміку цих древніх людей і їх взаємодія з нами. Наприклад, цікаво, чи були якісь особливості при схрещуванні людей і неандертальців. Включали ми рівну кількість материнської та батьківської ДНК неандертальців, або ж був зсув?

Робота Роджерса і пов'язані з нею дослідження інших груп можуть бути потужною підсвічуванням і для сучасної генетики. Їх аналітична модель може бути застосована до собакам і коням — так і взагалі до будь-яких видів, які демонструють структуроване розмноження у своїх популяціях, а не випадковий потік генів. Гени неандертальців могли бути пов'язані з підвищеним ризиком розвитку депресії, діабету, серцевих захворювань і інших розладів, і це теж належить з'ясувати.