Новые геномные данные позволили уточнить историю заселения Евразии и Австралии

Рис. 1. Доля неандертальской (вверху) и денисовской (внизу) ДНК в геномах людей из разных регионов. На нижней карте красными точками показаны геномы жителей Океании с очень большой (до 5%) денисовской примесью. Рисунок из обсуждаемой статьи S. Mallick et al. в Nature

На сайте журнала Nature опубликованы статьи трех больших международных коллективов, посвященные анализу 787 (в общей сложности) тщательно отсеквенированных человеческих геномов, представляющих популяции со всего мира, включая самые глухие его уголки. Проделанная работа позволила уточнить и дополнить представления об истории заселения Евразии и Австралии людьми современного типа, а также о гибридизации наших предков с неандертальцами и денисовцами. В частности, удалось показать, что аборигены Австралии и Новой Гвинеи в основном являются потомками той же самой волны выходцев из Африки, которая дала начало современным европейцам и азиатам, однако в их геномах обнаружена также небольшая примесь генов другой популяции сапиенсов, вышедшей из Африки существенно раньше. Возможно, эта же популяция была и источником архаичной сапиентной примеси, обнаруженной недавно в геноме алтайского неандертальца.

В последние годы стремительное развитие палеогенетики и методов секвенирования и анализа геномов неожиданно начало приоткрывать завесу тайны над древнейшими страницами истории человечества, которым, казалось, суждено было навсегда остаться покрытыми мраком. Благодаря поразительным достижениям сравнительной геномики, сегодня чуть ли не любому школьнику известно, что всё современное человечество родом из Африки; что население остальных континентов происходит от сравнительно небольшой популяции выходцев из африканской прародины, которые сначала немного поскрещивались с неандертальцами, а затем заселили Евразию, Австралию и, наконец, Америку; что предки современных папуасов и австралийских аборигенов успели по пути поскрещиваться еще и с денисовцами (о которых, как ни удивительно, каких-то семь лет назад никто и слыхом не слыхивал; см.: Человек из Денисовой пещеры оказался не сапиенсом и не неандертальцем, «Элементы», 27.03.2010).

По мере накопления геномных данных история древних миграций Homo sapiens быстро уточняется и детализируется. Однако для дальнейшего продвижения требуются всё большие объемы данных. Лет пять назад важные новые выводы можно было сделать на основе качественного прочтения одного-единственного современного генома. Так, в 2011 году анализ генома австралийского аборигена показал, что заселение Восточной Азии сапиенсами проходило в два этапа, причем представители первой миграционной волны скрещивались с денисовцами и дали начало папуасам и австралийцам, а современное население Восточной Азии состоит в основном из потомков второй волны, которая отчасти смела, а отчасти ассимилировала предшественников (см.: Геном австралийского аборигена свидетельствует о двух волнах заселения Восточной Азии, «Элементы», 05.10.2011).

Сегодня для внесения существенных уточнений в имеющуюся картину требуются уже многие десятки, а лучше — сотни новых геномов, принадлежащих представителям человеческих популяций со всего мира, особенно из его самых глухих уголков. Добыть, обработать и осмыслить такой объем данных под силу только огромным международным коллективам.

Три статьи, опубликованные 21 сентября 2016 года на сайте журнала Nature, написаны именно такими коллективами. Первая статья за авторством 75 ученых из 16 стран рассказывает о результатах анализа геномов 83 австралийских аборигенов и 25 папуасов из горных районов Новой Гвинеи. Вторая статья подписана 79 авторами, среди которых немало российских исследователей, а также знаменитый первопроходец палеогенетики Сванте Пеэбо. В ней сообщается о результатах амбициозного проекта Simons Genome Diversity Project (SGDP), в рамках которого были получены геномные последовательности 300 человек из 142 популяций, покрывающих значительную часть генетического, лингвистического и культурного разнообразия человечества. Наконец, третья статья за авторством 98 исследователей из 74 научных учреждений 27 стран (включая многие страны бывшего СССР: Эстонию, Россию, Украину, Беларусь, Узбекистан, Киргизию, Казахстан, Грузию и Армению) рапортует о проекте Estonian Biocentre Human Genome Diversity Panel (EGDP), в рамках которого отсеквенировано 483 генома из 148 популяций (из них 379 геномов из 125 популяций — новые, то есть публикуются и анализируются впервые).

Первое исследование (A.-S. Malaspinas et al., A genomic history of Aboriginal Australia) прояснило историю заселения Сахула — древнего материка, который во время последнего оледенения (которое закончилось примерно 10 тысяч лет назад) объединял Австралию, Новую Гвинею, Тасманию и прилегающие участки шельфа. Новейшие уточненные датировки археологических находок свидетельствуют о том, что люди заселили Сахул 55–47 тысяч лет назад. Для этого им пришлось переправиться через морские проливы, отделявшие Сахул от материковой Азии, которая в то время соединялась с западными островами Малайского архипелага (Суматрой, Явой, Борнео), но никогда не составляла единого целого с Сахулом.

Один из самых спорных вопросов состоит в том, являются ли коренные обитатели Новой Гвинеи и Австралии потомками той же самой группы выходцев из Африки, которая дала начало всему остальному внеафриканскому человечеству, или они происходят от другой, более ранней волны мигрантов. Различие между этими версиями в действительности не так уж велико. Хорошо обоснованная гипотеза однократного исхода из Африки (one out-of-Africa event, 1 OoA) предполагает, что неандертальская примесь, присутствующая в геномах европейцев, азиатов и австралийцев, имеет единое происхождение. Предковая популяция вышла из Африки, поскрещивалась с неандертальцами где-то на Ближнем Востоке 50–60 тысяч лет назад, а затем от нее стали расходиться в разные стороны волны переселенцев. Одна группа, первой отправившаяся на юго-восток Азии, скрещивалась с денисовцами и заселила Новую Гвинею и Австралию. Оставшиеся подразделились на предков современных европейцев и азиатов; последние достигли Восточной Азии, вытеснив оттуда предшественников, но до Австралии не добрались. Вторая версия (two out-of-Africa events, 2 OoA), поддерживаемая некоторыми археологами и генетиками, предполагает, что предки папуасов и австралийцев вышли из Африки раньше остальных и получили свою неандертальскую примесь независимо от предков европейцев и азиатов.

Анализ геномов австралийцев и папуасов проводился при помощи разнообразных статистических методов и изощренного моделирования. В частности, наблюдаемые спектры частот аллелей сравнивались с теми, которые получаются в моделях при тех или иных допущениях об истории изучаемых популяций (см.: Allele frequency spectrum). Имея в своем распоряжении качественно отсеквенированные геномы неандертальцев, денисовцев, а также многочисленных современных европейцев и азиатов, авторы смогли уверенно идентифицировать в австралийских и новогвинейских геномах «чужеродные» участки, полученные как в глубокой древности от архаичных Homo, так и в недавнем прошлом от пришельцев из Европы и Азии.

Выводы авторов сводятся к следующему. Во-первых, коренное население Австралии и Новой Гвинеи явно происходит от единой предковой популяции, заселившей Сахул примерно 50 тысяч лет назад (95-процентный доверительный интервал: 35–54 тысячи лет). Предки папуасов и австралийцев отделились друг от друга около 37 (25–40) тысяч лет назад — до того, как началась дивергенция современных племен и народов Австралии и Новой Гвинеи, и задолго отделения этих массивов суши друг от друга. Центральные районы Австралии, подвергшиеся резкому опустыниванию во времена последнего ледникового максимума, стали серьезной преградой на пути свободного обмена генами между популяциями северо-востока и юго-запада Австралии. Кроме того, в геномах аборигенов, населяющих австралийские пустыни, обнаружены следы действия отбора на ряд генов, функция которых связана, во-первых, с адаптацией к холоду (по ночам в австралийских пустынях бывает весьма прохладно), во вторых, к недостатку питьевой воды. Авторы также показали, что у современных австралийских аборигенов европейские варианты Y-хромосомы встречаются примерно в 15 раз чаще, чем европейские варианты митохондриальной ДНК, что недвусмысленно указывает на характер межрасовых связей в колониальный период.

Подтвердились данные о том, что коренное население Новой Гвинеи и Австралии превосходит все остальные человеческие популяции по доле ДНК, унаследованной от денисовцев. Четырехпроцентная денисовская примесь была получена предками папуасов и австралийцев до их разделения и, возможно, незадолго до прихода в Сахул: 44 (31–50) тысяч лет назад.

Неандертальская примесь в геномах папуасов и австралийцев явно имеет то же происхождение, что и неандертальская ДНК, унаследованная европейцами и азиатами (в частности, нет различий по средней длине неандертальских фрагментов, что говорит о единовременном получении этой примеси). Это свидетельствует в пользу сценария 1 OoA: предки внеафриканского человечества вышли из Африки, поскрещивались с неандертальцами и только после этого разделились на предков австралийцев и папуасов с одной стороны и европейцев с азиатами — с другой (рис. 2). Эти последние до своего разделения, скорее всего, какое-то время еще продолжали немного скрещиваться с неандертальцами (нижняя оранжевая стрелка на рис. 2).

Рис. 2. Реконструкция популяционной истории внеафриканского человечества. На основной схеме показаны пять популяций, слева направо: африканцы (West Africa (Yoruba)), гипотетическая африканская популяция, близкая к йоруба, представители которой вышли из Африки и дали начало всему внеафриканскому человечеству (Ghost), европейцы, азиаты, австралийцы. Маленькие схемы вверху соответствуют гипотезам однократного (1 OoA, слева) и двукратного (2 OoA, справа) выхода из Африки. Рыжими стрелками показан привнос неандертальских генов, синими — денисовских. Временные шкалы (в тысячах лет) показывают датировки моментов гибридизации с архаичными Homo (слева) и моментов разделения основных групп внеафриканских сапиенсов (справа). Рисунок из обсуждаемой статьи A.-S. Malaspinas et al. в Nature

Неандертальские фрагменты ДНК в геномах австралийцев и папуасов в среднем несколько короче, чем денисовские. Это согласуется с тем, что неандертальская примесь была получена раньше, чем денисовская (о том, как по длине чужеродных фрагментов ДНК можно оценить время гибридизации, рассказано в новости: Геном древнего обитателя Западной Сибири проливает свет на историю заселения Евразии, «Элементы», 27.10.2014).

Некоторые статистические тесты указывают на большую близость африканцев и человека из Усть-Ишима к евразийцам, чем к австралийцам, что вроде бы свидетельствует в пользу двух независимых выходов из Африки (2 OoA). Однако авторы обнаружили, что данный эффект полностью объясняется денисовской примесью, которая есть у австралийцев, но отсутствует у африканцев, евразийцев и человека из Усть-Ишима. Если учесть это обстоятельство и внести соответствующие поправки, то получается, что более вероятным сценарием является все-таки однократный выход из Африки (1 OoA). Впрочем, полученные данные не доказывают, что более древних волн выходцев из Африки вовсе не было. Они лишь позволяют утверждать, что эти волны не внесли большого вклада в генофонд современных австралийцев и папуасов.

Основные выводы исследования отражены на рис. 2. Впрочем, авторы подчеркивают, что эта картинка наверняка сильно упрощена. В действительности история древних миграций и скрещиваний с архаичными Homo была намного более сложной.

Второе исследование (S. Mallick et al., The Simons Genome Diversity Project: 300 genomes from 142 diverse populations) в очередной раз подтвердило ряд установленных ранее фактов, таких как приуроченность самых древних разветвлений генеалогического древа человечества к африканскому континенту, наличие у всего внеафриканского человечества примеси неандертальских генов, а у жителей Австралии, Новой Гвинеи и Океании — еще и денисовских. Авторам удалось уточнить количественные оценки этих примесей у разных популяций (рис. 1). Подтвердилось, что максимальная доля неандертальской ДНК характерна для жителей Восточной Азии, а у южноазиатских популяций есть также заметная денисовская примесь, хотя она далеко не так велика, как у австралийцев и папуасов.

Авторы на своем материале тоже пытались сравнить гипотезы 1 OoA и 2 OoA и пришли к тем же выводам, что и авторы первого исследования. Если предполагаемая древняя волна выходцев из Африки и внесла какой-то вклад в генофонд папуасов и австралийцев, то вклад этот невелик (не превышает нескольких процентов). При этом в статье подчеркивается, что миграционные волны, не оставившие заметных следов в генах современных людей, наверняка были — например, упомянутый выше человек из Усть-Ишима почти наверняка был представителем одной из таких волн.

Сравнив количество производных (не таких, как у шимпанзе) аллелей у разных человеческих популяций, авторы пришли к выводу, что у внеафриканских популяций темп накопления мутаций был примерно на 5% выше, чем у африканцев. Причины могут быть самыми разными, например, не исключено, что у выходцев из Африки немного ускорилась смена поколений.

Исследователи также проверили гипотезу о том, что резкие поведенческие и культурные изменения, произошедшие в различных человеческих популяциях 50–40 тысяч лет назад («верхнепалеолитическая революция»), имели под собой генетическую основу, то есть были связаны со стремительным распространением каких-то мутаций, повлиявших на работу мозга наших предков. В таком случае в геномах людей из разных популяций должны быть следы так называемого «выметания полиморфизма отбором» (см. Selective sweep): в окрестностях мутации, быстро распространившейся под действием отбора, должен быть резко понижен уровень нейтрального полиморфизма. Ничего подобного авторы в исследованных геномах не обнаружили. Этот результат согласуется с гипотезой о том, что верхнепалеолитическая революция была результатом культурной, а не биологической эволюции. Впрочем, нужно иметь в виду, что геномные данные противоречат лишь идее о небольшом числе мутаций с сильным положительным эффектом, которые стремительно распространились во всех человеческих популяциях. Они не противоречат предположению о том, что какую-то роль в верхнепалеолитической революции могли сыграть изменения частот многочисленных взаимозаменимых аллелей со слабыми эффектами, или о том, что мутации с сильным эффектом распространились тогда не во всех человеческих популяциях, а только в некоторых (впрочем, последний вариант трудно обсуждать в научной печати из-за его очевидной неполиткорректности).

В третьем исследовании (L. Pagani et al., Genomic analyses inform on migration events during the peopling of Eurasia), как и в двух первых, была предпринята попытка сопоставления гипотез 1 OoA и 2 OoA. Выводы на этот раз оказались несколько иными. Проанализировав имеющиеся в их распоряжении геномы (в том числе — геномы коренных обитателей Сахула) при помощи программы fineSTRUCTURE и других новейших аналитических методик, исследователи пришли к выводу, что в геномах папуасов все-таки есть признаки более раннего выхода из Африки. Несколько хитроумных тестов показали чуть более древнее время дивергенции (расхождения) папуасов и африканцев по сравнению со временем дивергенции африканцев с европейцами и азиатами. Эти результаты не удается списать на денисовские примеси. Авторы проверили несколько альтернативных объяснений, включая предположение о скрещивании еще с какой-то третьей архаичной популяцией, помимо денисовцев и неандертальцев. В итоге исследователи пришли к выводу, что в геномах папуасов, помимо генов «главной» волны выходцев из Африки, от которой происходят европейцы и азиаты, и генов неандертальцев и денисовцев, по-видимому, есть небольшая (1,9%) примесь ДНК сапиенсов, которые отделились от африканцев примерно 120 тысяч лет назад (тогда как предки европейцев и азиатов отделились от африканцев около 75 тысяч лет назад). Этот вывод на самом деле не противоречит первым двум исследованиям, которые не исключили наличия небольшой архаичной примеси у жителей Сахула. Ну а в том, что геномы аборигенов Новой Гвинеи и Австралии в основном происходят из того же источника, что и геномы европейцев и азиатов, все три исследования сходятся.

Существование древних волн выходцев из Африки подтверждается археологическими данными (см.: Найдено новое подтверждение раннего выхода сапиенсов из Африки «южным путем», «Элементы», 02.02.2011). Кроме того, примесь генов представителей одной из таких волн недавно была обнаружена у алтайских неандертальцев (см.: У алтайских неандертальцев найдены гены архаичных сапиенсов, а у денисовцев — гены гейдельбергских людей, «Элементы», 25.02.2016). Скорее всего, дальнейшие исследования покажут, происходят ли загадочные примеси в геномах у папуасов и алтайских неандертальцев от одной и той же древней популяции вышедших из Африки сапиенсов или от разных.

Источники:
1) A.-S. Malaspinas et al. A genomic history of Aboriginal Australia // Nature. Published online 21 September 2016. DOI: 10.1038/nature18299.
2) S. Mallick et al. The Simons Genome Diversity Project: 300 genomes from 142 diverse populations // Nature. Published online 21 September 2016. DOI: 10.1038/nature18964.
3) L. Pagani et al. Genomic analyses inform on migration events during the peopling of Eurasia // Nature. Published online 21 September 2016. DOI: 10.1038/nature19792.

См. также:
1) Найдено новое подтверждение раннего выхода сапиенсов из Африки «южным путем», «Элементы», 02.02.2011.
2) Геном австралийского аборигена свидетельствует о двух волнах заселения Восточной Азии, «Элементы», 05.10.2011.
3) Геном древнего обитателя Западной Сибири проливает свет на историю заселения Евразии, «Элементы», 27.10.2014.
4) У алтайских неандертальцев найдены гены архаичных сапиенсов, а у денисовцев — гены гейдельбергских людей, «Элементы», 25.02.2016.

Александр Марков