Как человечество чуть не погибло
В августовском номере журнала Science вышла статья с интригующим названием «Наши предки почти вымерли?», которая вызвала шквал обсуждений как в научном мире, так и в широкой печати. Исследователи из Китайской академии наук (CAS) И-Сюань Пан и Хайпэн Ли создали математическую модель для анализа тысяч современных геномов и обнаружили существование ранее неизвестного узкого места, «бутылочного горлышка», в древнейшей истории человечества. О статье, полемике вокруг неё и перспективах выживания видов рассказывают редактор отдела науки и технологии журнала «Эксперт» Виталий Лейбин и журналист Андрей Константинов.
Согласно результатам их исследования, около 930 тыс. лет назад за очень короткий срок число наших предков, участвующих в размножении, сократилось со 100 тыс. до всего 1300 человек — на 99%. Это уже были, очевидно, настоящие люди вида Homo erectus (человек прямоходящий), общие предки современных людей, неандертальцев и денисовцев — чуть поменьше нас ростом, но с довольно большим мозгом, создатели развитой каменной культуры. Ими уже были кое-где заселены Европа, Азия и Африка. Получается, что речь идет о нескольких небольших группах в разных частях света, борющихся за существование на грани исчезновения. Эта борьба за выживание продолжалась целую вечность — почти 120 тыс. лет. Лишь 813 тыс. лет назад вновь начался быстрый рост человечества.
Реконструкция внешнего вида Homo erectus в Неандертальском музее (Метманн, Германия)
Источник: AP PHOTO/MARTIN MEISSNER
Откуда хайп
Данная работа — прекрасный пример того, как работает позитивный хайп, основанный на научном любопытстве вкупе с технологическим прогрессом. Огромный интерес к теме вызван тем, что подобные исследования позволяют людям заглянуть внутрь себя, прикоснуться к тайнам собственного происхождения: для человека нет ничего интереснее людей. «Удивительный и наводящий на философские рассуждения результат опубликован в журнале Science, — комментирует академик Алексей Хохлов. — По современным меркам наших предков в этот период надо было заносить в Красную книгу. Широкий научный взгляд позволяет определить место современного человека в грандиозной игре мироздания и заставляет задуматься о механизмах кризисов и способах выживания в них».
Палеоантропология в последние годы вошла в число наук, которые приносят больше всего интересных новостей. Нобелевская премия Сванте Паабо в прошлом году присуждена как раз за расшифровку геномов древних людей, в том числе за открытие в соавторстве с российскими учеными денисовского человека из знаменитой пещеры на Алтае и доказательство того, что евразийская ветвь человечества имеет гены и родственных видов — неандертальца и денисовца (см. статью «Эволюция человека, квантовая революция и химия по щелчку», «Эксперт» № 41 за 2022 год). Эта премия — признание бурного развития палеоантропологии на основе новейших технологий расшифровки и анализа геномов.
Рядом с философским любопытством к тайнам природы идет желание технологически осваивать открытые учеными механизмы. Очевидно, знания о человеческом геноме и способы его анализа будут иметь продолжение в практических областях, например в медицине.
Этому черепу Homo georgicus, найденному в Грузии, 1,8 млн лет
Источник: AP PHOTO/MICHAEL PROBST
Обезьяны, в том числе человекообразные, имеют 24 пары хромосом а у людей их всего 23. Слияние двух хромосом было одной из генетических катастроф, которая могла произойти в результате эволюционного скачка как раз в момент демографического кризиса
Детективная биоинформатика
Материалом для китайских исследователей стали секвенированные геномы 3154 человек из 10 современных африканских популяций и 40 современных популяций в других частях света. Как известно, человеческий генетический материал, состоящих из более чем 3 млрд букв-нуклеотидов, был впервые расшифрован благодаря международному проекту «Геном человека» в 2003 году. С тех пор техники секвенирования, которые включают в себя не только создание все более дешевых дешифровщиков-секвенаторов, но и математические методы, позволяющие собирать книгу генома из разрозненных кусочков, все время совершенствуются, приближая то время, когда геном не человека вообще, а индивидуума, любого из нас, превратится в кладезь информации для персонализированной медицины.
Авторы статьи взяли индивидуальные геномы из доступных баз данных. Сама по себе их доступность не означает, что мы можем их разумно читать и анализировать: слишком большие это «тексты». Но для данной работы требовался не весь геном, а лишь его часть, необходимая для достаточно строгого подсчета того, что ученые называют молекулярными часами. Известно, что чем дальше в эволюции разошлись организмы, тем сильнее различаются их геномы. Следовательно, можно оценить время, требующееся для накопления отличий, и определить, когда жил общий предок двух сравниваемых организмов. Проблема в том, что в разных частях генома молекулярные часы тикают по-разному. Например, небольшая внеядерная ДНК в митохондриях (энергетических органеллах клеток) меняется быстрее, чем ядерная. Но и внутри ядра есть очень консервативные гены, которые трансформируются медленно (потому что эти гены очень нужны и их поломка фатальна), а есть относительно бессмысленные и нейтральные участки, где часы работают гладко, без скачков, связанных с эволюцией важных генов.
Прежде чем замахнуться на загадку происхождения жизни, авторы статьи более десяти лет работали с моделями гораздо более скромных геномов мушек-дрозофил, совершенствуя метод.
Стремясь сократить затраты на вычисления и уменьшить количество ошибок, возникающих при переводе молекулярных часов в далекое прошлое, И-Сюань Пан и Хайпэн Ли выбрали большое, но все же ограниченное число участков человеческого генома для анализа так, чтобы снизить влияние консервативных генов на скорость часов.
Не только время, но и размер популяций в разные периоды определяет, сколько изменений накопится в генах. Если на протяжении ста тысяч лет мутации в нейтральных частях генома почти не набирались ни в каких популяциях, значит, в это время жило очень мало людей — неоткуда было взять разнообразие, все были родственники.
Понятно, что полученный результат не фиксация факта, а модель. Поэтому некоторые комментаторы настроены скептически. Так, компьютерный биолог из германского Института эволюционной антропологии Макса Планка Джанет Келсо утверждает, что генетический сигнал о «бутылочном горлышке» силен только у современных африканских племен, а не у людей с других континентов. А это позволяет предположить, что демографическая катастрофа затронула лишь некоторые популяции предков современного человека. Келсо называет выводы китайских ученых интригующими, однако заявляет, что их «вероятно, следует воспринимать с некоторой осторожностью и продолжать исследование темы».
Тем не менее выводы авторов статьи согласуются с более ранними догадками. Несколько десятилетий назад антропологи выяснили, что человеческая популяция генетически очень однородна в сравнении с другими видами животных, в том числе обезьян, и подозревали, что это произошло из-за того, что наши предки столкнулись с демографическим кризисом. Эволюционный генетик из Принстона Джошуа Экей, очевидно, имеет в виду именно это, когда говорит, что работа «заполняет еще несколько частей головоломки эволюционной истории человека».
Вообще, современные представления об эволюции описывают ее скорее как цепь резких скачков, а не как равномерное длительное накопление мутаций. Более века назад биологи начали изучать процессы возникновения новых видов, появляющихся прямо на наших глазах. Особенно хорошо это видно на популяциях, которые в результате изменения условий существования или изоляции как раз проходят через «бутылочное горлышко», и новые признаки, которые могли бы затеряться в генетическом разнообразии множества особей, становятся доминирующими. Некоторые из них как раз и помогают приспособиться к непривычным условиям и пережить сложные времена.
Доктор Ли и его коллеги обратили внимание на тот факт, что современные люди отделились от других человеческих видов как раз после описанной ими демографической катастрофы. Кроме того, некоторые радикальные отличия генома современных людей от их древнейших предков хорошо известны. Так, обезьяны, в том числе человекообразные, имеют 24 пары хромосом, а у людей их всего 23. Слияние двух хромосом было одним из генетических последствий эволюционного скачка, наиболее вероятного в момент катастрофы. «Все люди с 24 парами хромосом вымерли, и только небольшая изолированная популяция с 23 парами, к счастью, выжила и передала эту особенность дальше», — рассуждает соавтор статьи Цзыцянь Хао. Обычно хромосомные мутации летальны или приводят к сильнейшим генетическим дефектам, но в данном редчайшем случае слияние способствовало эволюционному скачку.
К концу кризиса из давно существующих эректусов, людей прямоходящих, выделился новый, очень прогрессивный вид — человек гейдельбергский, от которого происходят все три популяции людей разумных: сапиенсы, денисовцы и неандертальцы. Важнейшим событием видообразования гейдельбергского человека, судя по всему, и стало слияние двух хромосом. Скачок сделала и культура: люди освоили огонь и стали готовить на нем пищу, получая таким образом гораздо больше калорий.
Что все же произошло и как мы выжили
Выводы авторов статьи можно объяснить данными исторической климатологии. Описанная учеными демографическая катастрофа совпала с серьезным похолоданием на планете, которое называют переходом к среднему плейстоцену, и с существенным хронологическим разрывом в летописи окаменелостей Африки и Евразии — палеоантропологи находят очень мало человеческих останков и орудий в слоях, относящихся к этому периоду. Возможно, именно холод подстегнул эволюцию и помог выйти из пике: популяции наших предков уменьшились, и редкие носители необычного генома из 23 хромосом почему-то обладали лучшей выживаемостью.
Как бы то ни было, крошечное человечество просуществовало целых 117 тыс. лет, примерно от 930 до 813 тыс. лет назад. Впрочем, нельзя сказать, что планета обезлюдела: на Земле тогда жили хомо и других видов, прежде всего первыми расселившиеся из Африки эректусы и разные их потомки с небольшим мозгом. Что было в этот период с ними, мы не знаем, но кризис они пережили, а вымерли позже.
Палеоантропологи уверены, что демографических катастроф, когда человечество оказывалось на грани вымирания, было несколько. Одна из них, как предполагают некоторые ученые, наступила около 1,2 млн лет назад, тогда число размножающихся особей в популяции наших предков составляло всего 18,5 тыс. Это тоже связывают с экстремальным похолоданием длительностью в несколько десятков тысяч лет — по недавно полученным данным, Европа тогда опустела.
Согласно другой известной теории, человечество прошло через «бутылочное горлышко» 75 тыс. лет назад из-за извержения вулкана Тоба (и последовавшего за этим экстремального похолодания), когда репродуктивная популяция внеафриканских сапиенсов сократилась до пары тысяч человек. Известно, что население Африки отличается гораздо большим генетическим разнообразием, чем остальные расы.
Насколько был велик риск вымирания, когда предков современных людей осталось всего 1280 (по данным модели из статьи, речь идет не о тотальной численности, а о количестве особей, внесших свой вклад в геном будущих поколений, то есть эта цифра не включает детей, стариков и тех, кто по каким-то причинам не оставил потомства)?
К 1940 году популяция амурских тигров сократилась до 40 особей, в то время как в XIX веке охотники ежегодно убивали до сотни животных. По данным переписи 2015 года, на Дальнем Востоке обитает всего 523–540 тигров, и считается, что риск их вымирания уже не слишком высок. Но у тигра нет естественных врагов, кроме человека, — пока охота запрещена, численность популяции зависит лишь от площадей лесов и доступности добычи. Краснохохлых колобусов — мартышек, живущих на реке Тана в Кении, — сейчас осталось всего 1300, и вид находится на грани вымирания из-за вырубки деревьев. Чтобы сохранить редкие виды обезьян, необходимо остановить уничтожение лесов, где они обитают.
Сколько людей нужно, чтобы они смогли выжить и продолжить род? ответ на данный вопрос можно найти в научной литературе. До недавнего времени считалось, что для устойчивого выживания популяции необходимы как минимум сотни человек. Но в августе 2023 года на сайте препринтов появилась публикация Эдгара Аргуэлло и его коллег из Университета Джорджа Мейсона, которые моделировали популяцию для колонизации Марса — как по количеству человек, так и по ролям и характерам. Исследователи обнаружили, что минимум, необходимый для поддержания жизнеспособного размера колонии в долгосрочной перспективе, — это 22 особи начальной популяции, а также установили, что приятный тип личности имеет больше шансов выжить, чем агрессивный.
Хочется верить, что очередной тест на прохождение человечеством «бутылочного горлышка» на Земле в обозримом будущем нам не грозит.
На флаговом снимке - музейная реконструкция неандертальцев, мужчину прозвали N (слева), а женщину — Вильма. А недалеко мы от них ушли внешне, не правда ли?
