ДНК из зубного камня рассказала о диете неандертальцев

Рис. 1. Состав микробиоты полости рта у шимпанзе, неандертальцев (суммированы данные по одному неандертальцу из Бельгии и двум из Испании) и современных людей по результатам метагеномного анализа зубного камня. Видны довольно значимые различия. Например, можно заметить, что у шимпанзе и неандертальцев выше доля грамположительных бактерий (таких, как Actinobacteria и Firmicutes), а у современных людей преобладают грамотрицательные (Bacteroidetes, Fusobacteria и другие). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Изучение древней ДНК, сохранившейся в зубном камне неандертальцев из Бельгии и Испании, позволило уточнить данные об образе жизни наших вымерших родственников. Мнение о преобладании в их диете мяса крупных животных подтвердилось для бельгийских неандертальцев, живших в холодной тундростепи: в их зубном камне обнаружилась ДНК шерстистого носорога и дикой овцы (муфлона). Испанские неандертальцы, по-видимому, больше полагались на растительную пищу. Работа показала перспективность метагеномного анализа зубного камня как метода палеоэкологических исследований.

Диету древних гоминид можно изучать разными способами: по археологическим данным (остаткам растений и животных, найденным на стоянках), изотопному и микроэлементному составу костей и зубов, по микроскопическим царапинам на поверхности эмали (см. Парантропы предпочитали мягкую пищу, «Элементы», 19.05.2008), по остаткам органики в копролитах (см. Coprolite). Недавно к этому арсеналу добавилось изучение зубного камня, в котором сохраняются гранулы крахмала и фитолиты (см. Phytolith).

Чем шире набор доступных методов, тем полнее и достовернее — но при этом и сложнее и неоднозначнее — становятся наши представления об образе жизни древних людей. Еще недавно преобладало мнение, что неандертальцы питались почти исключительно мясом. На это указывали и археология, и результаты изотопного анализа (см. Традиции питания палеолитического населения Европы: неандертальцы и представители анатомически современного человека). На этом основании выдвигались гипотезы о роли узкой пищевой специализации в вымирании неандертальцев. Но затем выяснилось, что неандертальцы вовсе не брезговали растительной пищей (см. Неандертальцы снова заварили кашу…; Неандертальцы ели растения! Доказательства прямо из неандертальского кишечника…).

В статье, опубликованной 8 марта на сайте журнала Nature, большой международный коллектив палеогенетиков (см. Paleogenetics) отчитался о результатах применения нового метода изучения диеты неандертальцев. Метод основан на метагеномном анализе (см. Метагеномика) древней ДНК из зубного камня. Авторам удалось выделить фрагменты ДНК из зубного камня двух неандертальцев из пещеры Спи в Бельгии и двух их сородичей из пещеры Эль-Сидрон в Испании. Попытка проделать то же самое еще с одним неандертальцем из Италии (Grotta Breuil) не увенчалась успехом из-за плохой сохранности ДНК. Для сравнения использовались результаты метагеномного анализа зубного камня шимпанзе, современного человека и нескольких доисторических сапиенсов: охотников-собирателей, земледельцев и скотоводов.

Самое сложное в таком исследовании — отделить подлинную древнюю ДНК от более поздних загрязнений. Ведь в зубном камне присутствует в основном ДНК различных бактерий, мало отличающихся от современных. В попытках оценить масштабы загрязнения авторы анализировали характер повреждений, которые должны накапливаться со временем в ископаемой ДНК, а также сравнивали выделенные наборы генетических фрагментов друг с другом и с пробами из окружающей среды. В итоге одного их четырех неандертальцев (под кодовым именем Спи-1), пришлось исключить из рассмотрения: по всем признакам выходило, что ДНК из его зубного камня слишком сильно загрязнена.

Оставшиеся три неандертальца выдержали все проверки и участвовали в дальнейшем анализе. Среди выделенных фрагментов ДНК из неандертальского зубного камня 93,76% принадлежит бактериям (в среднем по 222 вида бактерий у каждого неандертальца), 5,91% — археям, 0,27% — эукариотам, 0,06% — вирусам.

Для начала авторы проанализировали ДНК эукариотического происхождения. В зубном камне неандертальца Спи-2 обнаружилась ДНК носорога и овцы. Очевидно, это значит, что в рацион бельгийского неандертальца, обитавшего в холодной тундростепи, входили шерстистые носороги (их кости найдены в пещере Спи), а также дикие овцы (муфлоны), которые в изобилии водились в плейстоценовой Европе. Кроме того, найдена ДНК съедобного гриба — навозника (Coprinopsis cinerea). Это согласуется с результатами изотопного анализа, которые тоже указывают на регулярное употребление грибов неандертальцами из пещеры Спи (см. H. J. O’Regan et al., 2016. The missing mushrooms: searching for fungi in ancient human dietary analysis).

У неандертальцев из Эль-Сидрон, живших в лесной зоне с более мягким климатом, в зубном камне не удалось обнаружить ДНК животных. Зато выяснилось, что в их рацион входили кедровые орешки, злаки и опять-таки грибы (щелелистник обыкновенный Schizophyllum commune). Вероятно, испанские неандертальцы не брезговали и заплесневелым растительным материалом, судя по присутствию ДНК плесневых грибов. Впрочем, едва ли неандертальцы из Эль-Сидрон были убежденными вегетарианцами, особенно если вспомнить, что их самих, скорее всего, съели сородичи (см. Неандертальцы жили маленькими группами и ели друг друга, «Элементы», 13.01.2011).

Неандерталец Эль-Сидрон-1 страдал от абсцесса зуба. Ранее уже высказывалось предположение, что он пытался лечиться травами (см. K. Hardy et al., 2012. Neanderthal medics? Evidence for food, cooking, and medicinal plants entrapped in dental calculus). В его зубном камне обнаружилась ДНК тополя, кора которого содержит производные салициловой кислоты, обладающей противовоспалительным эффектом. Авторы допускают, что несчастный неандерталец мог жевать кору в качестве обезболивающего.

Как уже говорилось, большая часть ДНК в зубном камне принадлежит бактериям. Это позволяет оценить состав микробного населения ротовой полости. Оказалось, что по составу оральной микробиоты все исследованные образцы четко распадаются на четыре группы:

1) собиратели с небольшой долей мясной пищи в рационе; в эту группу попали шимпанзе, африканские сапиенсы среднего каменного века и неандертальцы из Эль-Сидрон;

2) люди, питающиеся в основном животной пищей: европейские охотники-собиратели, древние африканские скотоводы и неандерталец Спи-2;

3) древние земледельцы, диета которых отличалась высоким содержанием углеводов;

4) современные люди.

Эти данные показывают, что соотношение животной и растительной пищи влияет на микробиоту полости рта, и поэтому по данным о микробиоте можно судить о рационе.

По соотношению основных таксономических групп бактерий неандертальцы в целом оказались ближе к шимпанзе, чем к современным людям (рис. 1). Особенно бросается в глаза преобладание грамположительных бактерий у шимпанзе и неандертальцев и грамотрицательных — у современного человека. Вся микробная ДНК в зубном камне неандертальцев примерно в одинаковой степени повреждена временем, поэтому преобладание грамотрицательных бактерий вряд ли объясняется их лучшей сохраняемостью. Авторы отмечают, что микробиота ротовой полости с преобладанием грамположительных бактерий — это более «здоровый» вариант, потому что среди грамотрицательных обитателей нашего рта много потенциально патогенных видов, которые могут вызывать, например, пародонтит.

Впрочем, у неандертальцев тоже обнаружены бактерии, способствующие развитию кариеса и пародонтита, такие как Streptococcus mutans, Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia и Treponema denticola.

Для восьми самых массовых микробов ротовой полости неандертальцев авторам удалось собрать значительную часть генома. Самый качественный «черновой» геном был получен для археи Methanobrevibacter oralis. Эта метаногенная архея (см. Метаногенез) живет во рту и у современных людей, однако ее неандертальская родственница, жившая 48 тысяч лет назад, имеет свои генетические особенности, что позволило авторам выделить ее в отдельный подвид Methanobrevibacter oralis subsp. neandertalensis.

Судя по молекулярным часам, неандертальский и сапиентный подвиды M. oralis разошлись 112–143 тысяч лет назад, то есть много позже разделения предков сапиенсов и неандертальцев (450–750 тысяч лет назад). Вероятно, это значит, что сапиенсы и неандертальцы каким-то образом обменивались своими микробами. Судя по соотношению значимых и синонимичных замен (см. Ka/Ks ratio), около 4% белок-кодирующих генов M. oralis находились под действием положительного отбора (то есть накапливали полезные изменения) после разделения неандертальского и сапиентного подвидов. Изменения затронули гены, связанные с устойчивостью к антисептикам, с метаболизмом мальтозы, иммунитетом (см. CRISPR), горизонтальным переносом генов (конъюгацией) и репарацией ДНК. Может быть, эти эволюционные процессы были связаны с изменениями питания и поведения первобытных людей.

Выводы этого новаторского исследования носят в основном характер предположений и не отличаются большой надежностью. Тем не менее, работа ясно показала, что метагеномный анализ зубного камня может внести важный вклад в изучение образа жизни древних людей.

Источник: Laura S. Weyrich et al. Neanderthal behaviour, diet, and disease inferred from ancient DNA in dental calculus // Nature. Published online 8 March 2017.

См. также материалы о питании неандертальцев на сайте antopogenez.ru:
1) Мария Добровольская. Традиции питания палеолитического населения Европы: неандертальцы и представители анатомически современного человека.
2) Александр Соколов. Неандертальцы снова заварили кашу….
3) Александр Соколов. Неандертальцы ели растения! Доказательства прямо из неандертальского кишечника….
4) Виктор Ковылин. Неандерталец съел твой химус.

Александр Марков