Як вигадали ДНК

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

Хто відкрив ДНК?

У матеріалах рубрики використані статті та нотатки наступних видань: «Economist» та «New Scientist» (Англія), «American Scientist», «Discover», «IEEE Spectrum», «Science News», «Scientific American Mind» та «Wired (США), Ça m'interesse, Ciel et Еspace, Le Journal du CNRS, La Recherche та Science et Vie (Франція), а також повідомлення агентств друку та інформація з інтернету.

Як правило, із молекулою ДНК пов'язують імена англійських біологів Дж. Вотсона та Ф. Крику, що відкрили у 1953 році структуру цієї молекули. Однак саме з'єднання було відкрито не ними.

Як правило, із молекулою ДНК пов'язують імена англійських біологів Дж. Вотсона та Ф. Крику, що відкрили у 1953 році структуру цієї молекули. Однак саме з'єднання було відкрито не ними. Але першовідкривач згадується далеко не у кожному довіднику чи підручнику.

Відкрив дезоксирибонуклеїнову кислоту у 1869 році молодий швейцарський лікар Фрідріх Мішер, який тоді працював у Німеччині. Він вирішив вивчити хімічний склад клітин тварин, а як матеріал вибрав лейкоцити. Цих захисних клітин, що поїдають мікроби, багато в гної, і Мішер заручився співпрацею колег із місцевої хірургічної лікарні. Йому почали привозити кошики з гнійними пов'язками, знятими з ран. Мішер випробував різні способи відмивання лейкоцитів із марлі бинтів і почав виділяти з відмитих клітин білки. У процесі роботи він зрозумів, що крім білків у лейкоцитах є якесь загадкове з'єднання. Воно випадало в осад у вигляді білих пластівців або ниток при підкисленні розчину і знову розчинялося за його підлужування.Розглядаючи свій препарат лейкоцитів під мікроскопом, вчений виявив, що після відмивання лейкоцитів із бинтів розведеною соляною кислотою від них залишилися одні ядра. І зробив висновок: невідома сполука міститься в ядрах клітин. Мішер назвав його нуклеїном, від латинського nucleus – ядро.

Про ядро ​​клітини тоді майже нічого не знали, хоча за три роки до відкриття Мішера, 1866 року, відомий німецький біолог Ернст Геккель припустив, що ядро ​​відповідає за передачу спадкових ознак.

Бажаючи детальніше вивчити нуклеїн, Мішер розробив процедуру його виділення та очищення. Обробивши осад ферментами, що перетравлюють білок, він переконався, що це не білкова сполука - ферменти виявилися нездатними розкласти нуклеїн. Він не розчинявся в ефірі та інших органічних розчинниках, тобто не був жировою речовиною. Хімічний аналіз був тоді вкрай трудомістким, повільним і не дуже точним, але Мішер провів його та переконався, що нуклеїн складається з вуглецю, кисню, водню, азоту та великих кількостей фосфору. Тоді практично були відомі органічні молекули з фосфором у складі. Все це переконало Мішера, що він відкрив якийсь новий клас внутрішньоклітинних сполук.

Написавши статтю про нове відкриття, він надіслав її своєму вчителю, одному із засновників біохімії, Феліксу Хоппе-Зейлеру, який видавав журнал «Медико-хімічні дослідження». Той вирішив перевірити таке незвичайне повідомлення у своїй лабораторії. Перевірка зайняла цілий рік, і Мішер вже побоювався, що хтось самостійно відкриє той самий нуклеїн та опублікує результати першим. Натомість у черговому номері журналу за 1871 рік стаття Мішера супроводжувалася двома статтями самого Хоппе-Зейлера та його співробітника, що підтверджували властивості нуклеїну.

Повернувшись до Швейцарії, Мішер обійняв посаду завідувача кафедри фізіології Базельського університету та продовжив дослідження нуклеїну. Тут він знайшов інше багате і приємніше в роботі джерело нової сполуки — молоки лососьових риб (вони й зараз використовуються для масового отримання ДНК). Рейн, що протікав через Базель, був тоді сповнений лососів, і Мішер сам ловив їх сотнями для своїх досліджень.

У статті про виявлення нуклеїну в молока, опублікованій в 1874 році, Мішер писав, що ця речовина явно пов'язана з процесом запліднення. Але він відкинув думку про те, що в нуклеїні може бути закодована спадкова інформація: з'єднання здавалося йому занадто простим і одноманітним для зберігання всієї різноманітності спадкових ознак. Тодішні методи аналізу не дозволяли знайти суттєвих відмінностей між нуклеїном людини та лосося.

Пізніше Мішер займався дослідженням лососьової фізіології, на замовлення швейцарського уряду розробляв дешевий і здоровий раціон для в'язниць, написав кухонну книгу для робітників, заснував у Базелі Інститут анатомії та фізіології, вивчав роль крові в процесі дихання. Ще за його життя нуклеїн перейменували на «нуклеїнову кислоту», що дуже дратувало першовідкривача. Мішер помер від туберкульозу 1895 року. Майже півстоліття після його смерті вважалося, що молекула ДНК, що складається всього з чотирьох типів блоків, надто проста для зберігання спадкової інформації, і на цю роль висували більш різноманітні білки.

Як вигадали ДНК

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

СТОЛІТТЯ ДНК

Лікар фізико-математичних наук М. ФРАНК-КАМЕНЕЦЬКИЙ.

З усього, що нас оточує, найнезрозумілішим здається життя.Ми звикли, що вона завжди довкола нас і в нас самих, і втратили здатність дивуватися. Але підіть у ліс, погляньте, ніби ви їх побачили вперше, на дерева, траву, квіти, на птахів та мурах. Невже в усьому навколишньому світі є щось спільне, щось таке, що об'єднує всі живі істоти, чи то людина, чи то не видимий оком мікроб? Ці питання старі як світ, але лише у другій половині ХХ століття вдалося вперше отримати ними відповіді. По суті, відповіді виявилися не надто складними і, головне, сліпуче гарними. Про те, які секрети вдалося розкрити вченим і в чому, власне, вони складаються, розповідає книга «Століття ДНК». Її написав відомий учений доктор фізико-математичних наук Максим Давидович Франк-Каменецький. Це незвичайні, але правдиві історії про життя клітин, про те, як живі клітини «вчаться» у мертвих клітин, про те, чому деякі клітини тримають при собі чужі гени, подібно до того, як люди тримають собак чи котів, і про те, як гени можуть бути зав'язані у вузол. Книга допомагає зрозуміти, що таке молекула ДНК — основа основ зародження життя? Пропонуємо прочитати в скороченому варіанті один із розділів книги.

Мал. 3. Фермент РНК-полімер аз а повзе по молекулі ДНК, розплітаючи її та синтезуючи РНК. Рибосома зчитує генетичну інформацію з РНК, синтезуючи нею білкову молекулу.

Мал. 3. Фермент РНК-полімер аз а повзе по молекулі ДНК, розплітаючи її та синтезуючи РНК. Рибосома зчитує генетичну інформацію з РНК, синтезуючи нею білкову молекулу.

ЗНАЙОМТЕСЯ: НАЙГОЛОВНІША МОЛЕКУЛА

План того, яким вийде кожен з нас, готовий у той момент, коли статеві клітини наших батьків, мами та тата, зливаються в одне ціле, зване зиготою або заплідненою яйцеклітиною. План укладено в ядрі цієї однієї-єдиної клітини, в її молекулі ДНК, і в ньому значиться дуже багато: те, яким буде колір наших очей і волосся, наскільки високим буде зріст, якої форми ніс, наскільки тонким є музичний слух і ще багато чого. Звичайно, наше майбутнє залежить не тільки від ДНК, а й від мінливості долі. Але дуже великою мірою воно визначається якостями, закладеними від народження нашими генами.

Кожна клітина несе у собі інформацію про будову всього організму. Це ніби в кожній цеглині ​​будівлі зберігався мініатюрний план усієї споруди. От би архітектори з давніх-давен так чинили! Тоді реставраторам не довелося б ламати собі голову, скажімо, над тим, як виглядав колись пергамський вівтар, навіть якби від нього зберігся один-єдиний камінь.

Те, що одна клітина цілого організму насправді знає, як влаштований весь організм, вперше виявив та продемонстрував британський біолог Дж. Гердон. Він брав ядро ​​клітини з кишечника дорослої жаби і, використовуючи найтоншу мікрохірургічну техніку, пересаджував їх у жаб'ячу ікринку, з якої видалено її власне ядро. З гібридної ікринки виростали нормальна пуголовка або навіть жаба — абсолютно ідентична тій, чиє клітинне ядро ​​було взяте. Природа сама іноді створює таких двійників. Це виходить, коли після першого поділу зиготи дочірні клітини не залишаються разом, а розходяться і з кожної виходить свій організм. Так народжуються однояйцеві, чи ідентичні, близнюки.У близнюків однакові молекули ДНК, тому близнюки так схожі.

ВОНА ПОХОЖА НА.

Як же влаштована молекула ДНК, ця королева живої клітини? Вона схожа на мотузкові сходи, і ці сходи завиті в праву спіраль. (Рис. 1 а, б).

ДНК складається з молекулярних ланок, що чергуються. Її довжина залежить від того, якому організму вона належить. клітині людини, то вийде нитка довжиною близько 2 м і довжина цієї нитки виявиться у мільярд разів більшою за її товщину.

ВОНА СХОДА НА ВІКОНЕ СКЛО

Фізики зайнялися вивченням ДНК тому, що розуміли важливість перевірки всіх деталей її структури.

Одномірний кристал ДНК (він схожий на нитку) страшно заінтригував учених чи не напівпровідник? ізолятором, на кшталт шибки. скло Водний розчин ДНК (а в воді вона розчиняється дуже добре) Цим подібність зі склом не закінчується. Але, на відміну від скла, якому такі промені не шкідливі, ДНК дуже чутлива.Ультрафіолетові промені настільки згубні для молекули ДНК, що клітина в ході еволюції навчилася самостійно чинити опір їхньому впливу та оберігати від пошкоджень ув'язнену в ній інформацію.

ВОНА ПЛАВИТЬСЯ, АЛЕ НЕ ТАК, ЯК ЛЁД

На що може перетворитися одновимірний кристал ДНК під час плавлення?

Льод являє собою кристал, побудований з молекул води. У ньому панує строгий порядок, при якому молекули води пов'язані один з одним максимально можливим числом міжмолекулярних зв'язків. при температурі вище 0°С? (переміщатися і обертатися). При ще більшому нагріванні молекули води заради повної свободи жертвують останніми зв'язками один з одним – відбувається перехід із рідкого в газоподібний стан.

Все це повною мірою відноситься і до ДНК - зі зростанням температури сущест-вування подвійної спіралі стає невигідним. кожен ланцюг почувається набагато вільніше, може набувати набагато більше різних конфігурацій у просторі.

Незважаючи на аналогію, плавлення ДНК принципово відрізняється від плавлення льоду.За такого переходу стрибкоподібно змінюється фазовий стан речовини — з твердого воно стає рідким, з рідкого — газоподібним.

Ми щодня стикаємося з фазовим переходом, коли кип'ятимо чайник. У процесі кипіння система "вода - пара" знаходиться в точці фазового переходу - температура води в чайнику ні на йоту не перевищить 100 ° С, поки вся вона не википить. Те саме відбуватиметься при нагріванні льоду або снігу. Температура зростає до 0 ° С, потім зростання припиняється, поки весь лід повністю не розтане, а потім температура знову піде вгору.

При нагріванні ДНК температура зростає безперервно, з її підвищенням нові ділянки молекул переходять зі спірального стану в розплавлений, коли дві її нитки розведені.

Як же розлучаються нитки? Що відіграє роль праски, здатної розплавити ділянку ДНК? Розплітають та розправляють їх спеціальні ферменти. Фермент міцно зв'язується з ДНК і починає рухатися вздовж неї, розплетаючи на своєму шляху нові ділянки. На цих ділянках розпочинається синтез молекули РНК. Ділянки гена, з яких фермент «з'їхав», знову «захлопуються» в подвійну спіраль, а молекула РНК, що утворилася, надходить у розчин. До неї підпливає внутрішньоклітинна структура - рибосома і за генетичною інформацією, записаною в РНК, рибосомою запускається синтез білка. Схематично це показано на рис. 3.

ВОНА ПОХОЖА НА ШЛЯХ ЛЮДИНИ, ПОМИЛКА В ЛІСУ

Чому людина, яка намагається йти в лісі тільки вперед, може заблукати в похмуру погоду, коли не можна орієнтуватися на сонце? Чому він знову і знову повертатиметься на місце, де вже побував? Існують різні повір'я щодо цього. Одні кажуть, що людина ходить по колу тому, що в неї одна нога трохи коротша за іншу.Інші бачать причину в тому, що кроки у нас різні — один короткий, насправді причина в іншому. Напрямку відбувається тим швидше, чим густіший і одноманітніший ліс. Шлях людини при цьому носить випадковий характер і не виглядає рухом по колу.

Блукають не тільки люди. Блукають і молекули — вони намагаються рухатися прямо, але через зіткнення один з одним їхній шлях викривляється.

Але яке відношення має все це до ДНК? починає звиватися, подібно до черв'яка, згортається в полімерний клубок, що постійно змінює форму.

Той факт, що подвійна спіраль здатна згинатися, має неабияке біологічне значення. Справа в тому, що якби молекула ДНК була дуже жорсткою, як спиця для в'язання, то вона ніяк не могла б уміститися всередині клітини, не кажучи вже про клітинне ядро. вже знаємо, що довжина ДНК у клітині людини становить близько 2 м. Якщо дозволити їй звернутися в клубок, його діаметр буде близько 0,5 мм — це в тисячу разів більше за діаметр ядра.

Річ у тім, що у клітинах вищих організмів передбачено спеціальний механізм насильницького згинання подвійний спіралі.На кожній котушці молекула робить близько двох обертів, потім переходить на наступну котушку і так далі. "Котушка" з намотаною на неї ДНК називається нуклеосомою, так що ДНК в ядрі вищих організмів - це намисто з нуклеосом. Звичайно, і це намисто не витягнуте в одну лінію, а дуже складно компактно покладено в особливі тільця, звані хромосомами. Саме таким хитрим способом клітина примудряється зробити трюк, який по плечу лише майстерному магу, - вмістити полімерний клубок у ядро, діаметр якого менше мікрометра.

Відкриття структури ДНК зіграло у розвитку біології таку роль, як відкриття атомного ядра у фізиці. З'ясування будови атома призвело до народження нової, квантової фізики, а відкриття будови ДНК - народження нової, молекулярної біології. Але на цьому паралель не закінчується. Теоретичні, фундаментальні дослідження атома дозволили людині опанувати практично невичерпне джерело енергії і радикально змінили наше повсякденне життя завдяки комп'ютеру, Інтернету, мобільному телефону. Розвиток молекулярної біології відкрив можливість нечуваним чином втручатися у властивості живої клітини, спрямовано змінювати спадковість. І це вже починає впливати життя людей щонайменше радикально, ніж оволодіння енергією атомного ядра. Настав час ДНК.

Ген - Основне поняття класичної генетики. Цим терміном називають ділянку ДНК, на якій у вигляді послідовності нуклеотидів записана інформація про амінокислотну послідовність одного білка. Але в одних випадках мається на увазі безперервна ділянка, лише частина якої відповідає білковому ланцюгу, а в інших - сукупність ділянок, що відповідають цілій білковій молекулі.А може бути й так, що та сама ділянка ДНК належить відразу двом і навіть трьом генам.

Генетика - Наука про спадковість.

Геном - Уся генетична інформація організму.

Гістони - білки, що входять до складу хромосом. Утворюють білкову серцевину нуклеосом.

ДНК - Дезоксирибонуклеїнова кислота. Молекула, де міститься генетична інформація. Складається із двох полінуклеотидних ланцюгів, що утворюють подвійну спіраль.

Зигота - запліднена яйцеклітина, з якої виростає цілий організм.

Нуклеосома - Основний структурний елемент хромосоми. Являє собою білкову (гістонову) серцевину, на яку намотана ДНК.

Нуклеотид - мономерна ланка ДНК та РНК.

Статеві клітини - Клітини, службовці для продовження роду (сперматозоїди та яйцеклітини).

Рибосома - Складний комплекс РНК і білків, що здійснює в клітині процес синтезу білка.

РНК - Рібонуклеїнова кислота. Біологічний полімер дуже близький до ДНК за своєю хімічною будовою. Здатний утворювати подвійну спіраль, але у природі, зазвичай, існує як одиночної ланцюга.

Спіраль так часто називають гвинтову лінію, форму якої має молекула ДНК.

Ультрафіолетові промені - Не видиме оком випромінювання електромагнітної природи з довжиною хвилі менше 400 нм.

Фермент - молекула білка, що каталізує одну з хімічних реакцій у клітині. Будучи біологічними каталізаторами, ферменти самі не змінюються в ході реакції, але їхня присутність дуже прискорює перебіг реакції.

Хромосома — складно організований комплекс ДНК з білками, що знаходиться в клітинному ядрі, в якому зберігається генетична інформація.

Як вигадали ДНК

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

Прочитати історію з ДНК

Кандидат біологічних наук Надія Маркіна, доктор біологічних наук Олег Балановський

Молекула ДНК виявилася напрочуд стійкою і зберігається в викопних останках протягом десятків тисяч років.

Ще зовсім недавно зазирнути в минуле — дізнатися, де жили люди, який спосіб життя вели, якою мовою говорили і кого з них можна вважати нашими предками, могли лише археологи, історики та лінгвісти. В останні десятиліття до них приєдналися генетики, які створили найпотужніший інструмент – дослідження давньої ДНК (палеоДНК). Молекула ДНК, основний носій інформації в клітині, виявилася вражаюче стійка і зберігається в викопних останках протягом десятків тисяч років. У ній законсервовано відповіді багато питань історії людства.

Археологи працюють у Денисовій печері. На задньому плані видно пронумеровані культурні верстви печери. Фото А. П. Бужилової.

Зразки виділення древньої ДНК опромінюють ультрафіолетом, щоб знищити біологічні молекули лежить на поверхні, які можуть належати сучасній людині. Вся внутрішня ДНК при цьому залишається недоторканою. Фото Олега Балановського.

Розкопки Денисової печери (Алтайський край) дозволили вперше встановити строгу хронологічну послідовність розвитку та зміни стародавніх культур від епохи раннього неоліту до етнографічної сучасності. На думку завідувача лабораторії ссавців Палеонтологічного інституту ім. А. А. Борисяка РАН О. До. Агаджаняна, мешканці 11-го культурного шару Денисової печери користувалися вогнем.Саме в цьому прошарку були знайдені останки стародавньої людини, що представляє особливу гілку в еволюції роду Homo. Цей вид отримав назву денісівської людини. Фото Олександра Агаджаняна.

Скелетні останки людини з курганного могильника Натухаєвська-3 у Краснодарському краї (майкопська культура). Фото А. Д. Ковпаковий.

Ключові міграції, які сформували генофонд Європи. Неолітичні землероби з Близького Сходу та з Анатолії прийшли до Європи і змішалися з мезолітичними мисливцями-збирачами у генофонді перших неолітичних європейських хліборобів (короткі білі стрілки). Вони ж зробили внесок у генофонд кочівників бронзової доби ямної культури (пунктирна рожева стрілка). Міграція «ямників» до Європи додала степовий компонент генофонду європейських землеробів (жовта стрілка). Малюнок О. П. Балановського.

За матеріалами статті: I. Morozova та ін. Догори високою резолюцією population genomics з використанням археологічних прикладів // DNA research, 2016, публіковано online: July 19, 2016, doi: 10.1093/dnares/dsw029.

Треба сказати, що і за сучасною ДНК генетики реконструюють історичні події: за сьогоднішньою структурою генофонду здогадуються, які події могли її сформувати, а використовуючи знання про швидкість мутацій, відраховують час тому так званим молекулярним годинником. Але сучасна ДНК дає можливість лише змоделювати минуле, а давня ДНК безпосередньо прочитати те, що в ній записано.

Першу древню ДНК генетики виділили ще 1984 року з висохлого м'яза вимерлого родича зебри. 1991-го ДНК вперше витягли з викопних кісток людини.Але її аналіз цілком залежав від розвитку технологій, тому став можливим з появою методу полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) і вийшов на новий рівень із виникненням методів секвенування нового покоління. Ці методи радикально полегшили прочитання послідовності нуклеотидів (цеглинок, з яких складається ДНК). Найголовніше — вони дозволяють прочитати не цілу молекулу, а розірвану на дрібні шматочки, як і відбувається з ДНК у процесі тривалого зберігання у викопних кістках. У 1991 році біологи вперше витягли палеоДНК людини, в 2010-му змогли прочитати стародавній геном цілком — з кісток неандертальця віком 38 тис. років та з кісток палеоескімосу віком 4 тис. років.

З цього часу кількість прочитаних стародавніх геномів наростає лавиноподібно, з кожним роком публікується все більше статей у цій галузі. Вторгшись у храм давнини зі своїми ДНК-перфораторами, генетики розпитали старожилів храму — передусім археологів — про проблеми, які треба вирішити. За словами етнографа та антрополога М. В. Вітова, «антропологічні виміри надають історику надзвичайно багатий і численний, але одноманітний та односторонній матеріал». Це повною мірою стосується і генетики. Про стародавні епохи генетика надає також матеріал багатий, але односторонній: тільки про рухи самого населення, але не про його культуру чи мову. Натомість на питання про населення: чи була на даній території наступність населення або його зміна відбулася в результаті міграції — давня ДНК дає пряму відповідь. Ці відповіді часом підтверджують побудови археологів, істориків та лінгвістів, часом виявляються несподіваними.З цього моменту починається той міждисциплінарний діалог між представниками біологічних наук (генетики та антропології) та гуманітарних дисциплін (археології, історії, лінгвістики), який може призвести до взаєморозуміння та зближення точок зору. Так уточнюється картина світу. «Генетика вносить важливий фрагмент у загальний пазл. Не більше, але й не менше» — так про роль генетики у вивченні історії людини сказав Вольфганг Хаак, один із провідних фахівців створеного нещодавно Інституту історії людства Товариства Макса Планка в Єні, Німеччина.

Чому це важко

Вивчати давню ДНК дуже непросто, тому навіть сьогодні у світі існує лише кілька лабораторій, які роблять це якісно. Найбільша проблема – забруднення (фахівці кажуть – контамінація) матеріалу. Тисячі років кістки, що лежать у землі, заселені бактеріями і грибами, тому перше завдання полягає в тому, щоб відокремити людську ДНК від мікробної. З іншого боку, треба не допустити її забруднення сучасної ДНК, передусім від людей, які з нею працюють. Тому приміщення для роботи з стародавньою ДНК повинні відповідати стандартам чистоти, а самі дослідники працювати в екіпіруванні, що нагадує космічні скафандри.

Є ще одна проблема: у викопних зразках, в даному випадку в людських останках із давніх поховань, міститься дуже мало ДНК, придатної для виділення та аналізу. Іноді фахівцям доводиться працювати лише з кількома молекулами. Зрештою, і самих зразків, тобто людських останків, у яких збереглася ДНК, поки що мало. Тому важко набрати необхідну статистику, що створює труднощі інтерпретації отриманих результатів.До речі, збереження ДНК у палеоматеріалі залежить насамперед немає віку останків, як від умов, у яких зберігалися у природі. Головні її вороги – висока температура та вологість. Саме тому більшість вивчених древніх геномів відносяться до середньої смуги чи півночі; у Південній Європі та на Близькому Сході останків набагато менше, а в Африці поки лише один матеріал виявився придатним для вивчення.

У нашій країні лабораторії, які намагаються працювати з давньою ДНК, можна перерахувати на пальцях. Власне, лабораторний аналіз проводять лише новосибірські дослідники (група Олександра Пилипенка) та група Євгена Рогаєва в Інституті загальної генетики (ІОГен) РАН. Деякі дослідні колективи, наприклад лабораторії популяційної генетики людини в Медико-генетичному науковому центрі (МГНЦ) та Інституті загальної генетики РАН, успішно співпрацюють із провідними зарубіжними колективами, беруть участь у біоінформаційному аналізі та узагальненні даних. Крім того, Росія — невичерпне джерело палеоматеріалу, де завдяки холодному клімату останки добре зберігаються.

Як перетиналися «паралельні людства»

Перш за все дослідження древньої ДНК дали можливість описати наші відносини з іншими видами людей, уточнивши уявлення про «чистоту» виду Homo sapiens. Про неандертальців науку відомо дуже давно, і антропологи багато сперечалися, чи змішувалися гілки сапієнсів та неандертальців. Ці вимерлі представники «іншого людства» генетично були вивчені у групі Сванте Паабо, найвідомішого у світі фахівця з давньої ДНК (Інститут еволюційної антропології Товариства Макса Планка в Лейпцигу, нім. Max Planck Institut fur evolutionare Anthropologie).Спочатку він вивчив мітохондріальну ДНК неандертальця (невеликого розміру молекули ДНК, що містяться в мітохондріях і передаються по материнській лінії) і заявив про повну відсутність змішування. Але коли через кілька років він же секвенував решту генома неандертальця, то змінив тезу на протилежну: з'ясувалося, що близько 2% геному сучасної людини має неандертальське походження. Подальші дослідження показали, що ця частка варіює від 1 до 4% по Євразії, але практично відсутня у населення Африки на південь від Сахари. І не дивно — таку генетичну спадщину сапієнси могли отримати лише при схрещуванні з неандертальцями, а оскільки міжвидова метисація відбувалася після виходу людини з Африки, то сучасні африканці не мають її слідів.

Після того як генетики навчилися знаходити послідовності неандертальської ДНК, заховані в сучасному геномі, з'ясувалося, що у різних людей неандертальська генетична спадщина по-різному як за розміром, так і за набором фрагментів ДНК. Генетики з Вашингтонського університету (Vernot, Akey, 2014) підрахували його в 665 геномах жителів Європи та Східної Азії та з'ясували: сумарно в їх геномах заховано близько 600 мільйонів нуклеотидів, успадкованих від неандертальців, що становить близько 20% неа. Іншими словами, п'ята частина геному неандертальців не зникла остаточно, а живе у сучасному людстві. Хоча кожна окрема людина, як сказано вище, частка неандертальської ДНК становить від 1 до 4%. Цікаво й те, що в азіатських популяціях її трохи більше, ніж у європейських. Вчені пояснюють це другим потоком неандертальських генів, який торкнувся лише Східної Азії.

Де і коли сапієнси плідно спілкувалися з неандертальцями? Спочатку вважали, що це сталося невдовзі після виходу перших людей з Африки, тобто 50—60 тис. років тому на Близькому Сході, де мігранти зробили зупинку. Але відкриття 2015 року показало, що не лише там і не лише тоді. При дослідженні ДНК найдавнішої людини сучасного виду на території Європи (у Румунії) віком 37—42 тис. років виявилося, що в ДНК індивіда Oase 1 число неандертальських фрагментів суттєво більше, ніж в інших, настільки ж давніх, знайдених на території Росії: на зразку Костенки-14 (Воронезька область) віком 36-39 тис. років, у зразку з Усть-Ішима поблизу Байкалу віком 42-43 тис. років і в кількох інших. У геномі Oase 1 неандертальська ДНК становила понад 7%, причому її фрагменти досягали значної довжини. Це говорить про недавню метисацію з неандертальцями, оскільки з часом довгі фрагменти стають короткими. Автори підрахували, що предки Oase 1 схрещувалися з неандертальцями всього за чотири-шість поколінь до його народження. Очевидно, вже у Європі. Щоправда, слід від цієї недавньої метисації не сягнув нашого часу: вчені не виявили генетичного подібності Oase 1 з наступними популяціями.

Про денисівця — ще один вид людини, яка жила в Євразії одночасно із сапієнсами та неандертальцями, — світ дізнався після того, як той самий Сванте Паабо прочитав спочатку мітохондріальний, а потім і ядерний геном з фаланги пальця, знайденої 2008 року в Денисовій печері на Алтаї . Ця історія чудова тим, що Денисівця визначили як окремий вид людини виключно за ДНК.Можна сказати, що на сьогоднішній день про денісівця ми не знаємо нічого, крім його геному (кісткові фрагменти мізерні: крім первісної фаланги пальця пізніше знайдено ще два зуби). Зараз генетики вивчили ДНК із усіх трьох фрагментів і дізналися, що денисівці жили в тій печері від 100 до 50 тис. років тому, можливо, у якийсь період ділили її з неандертальцями, а можливо, заселялися до неї двічі (Sawyer, 2015) . Жили вони, схоже, майже по всій Азії, а особливо великий слід залишили в геномах жителів островів біля південно-східного краю Азії; так, у Меланезії він сягає 2-4%.

Заселення Європи

В останні роки з'явилося безліч робіт, в яких за допомогою аналізу давньої ДНК показано, як людство освоювало Європу, які групи зробили свій внесок у генофонд сучасного населення. У найзагальніших рисах картина така. Після того як людина сучасного типу досягла Європи (від 40 до 35 тис. років тому), групи мисливців-збирачів мешкали в різних її частинах і практично не змішувалися один з одним. Останній факт отриманий саме генетиками: зразки древньої ДНК мисливців-збирачів верхнього палеоліту показують, що їх популяції в різних регіонах були генетично дуже різні.

У неоліті відбулася революція — люди перейшли від господарства, що привласнює, до виробляючого: від полювання і збирання до землеробства і скотарства. Вона радикально змінила спосіб життя наших предків та стимулювала розвиток технологій. Землеробство, виникши вперше близько VII тисячоліття до н. е. на Близькому Сході протягом наступних тисячоліть поширилося в Європу. Одне з головних питань, які намагаються вирішити фахівці різних наук, полягає в тому, чи воно призвело до зміни населення.Існують дві гіпотези: культурна дифузія, коли відбувається передача навичок землеробства між сусідніми групами населення, а самі вони практично залишаються на місці, і демічна дифузія, коли технології передаються разом із населенням, що мігрує.

Визначити, чи була міграція (тобто потік генів), — справа генетиків. близькосхідні хлібороби справді мігрували до Європи, Принісши з собою технології вирощування культурних рослин. та Йоханнеса Краузе (Інститут історії людства Товариства Макса Планка в Єні) вивчали, з яких груп населення формувався генофонд Європи. За їхньою гіпотезою, основними джерелами стали три древні популяції. і змішалися з місцевими аборигенами), третю умовно назвали «стародавніми північноєвразійцями» (теж мисливці-збирачі, вперше генетично вивчені у зразку зі стоянки Мальта в Сибіру).

Чим більше древніх геномів можна було прочитати, тим точніше ставала ця картина.Коли число стародавніх зразків ДНК досягло 94 (від палеоліту до залізного віку), та сама команда опублікувала в «Nature» чергову статтю, в якій описала генетичний слід іншої великої міграції до Європи. Ця міграція в пізньому неоліті та на початку бронзового століття походила з причорноморсько-каспійських степів. Автори пов'язують її з населенням археологічної ямної культури, яке жило в цих місцях 5 тис. років тому. (Культура отримала назву через звичай поховання померлих у відкритих ямах.) «Степовий» генетичний компонент вони виявили у західноєвропейських популяціях бронзового віку, у населенні культури шнурової кераміки.

Отже, дві великі міграційні хвилі відіграли провідну роль передісторії Європи. Перша — у ранньому неоліті — принесла до Європи гени перших хліборобів із Близького Сходу, друга — у пізньому неоліті — гени степовиків ямної культури. Але якщо перша - неолітична міграція з Близького Сходу - визнається практично всіма фахівцями і в цьому генетики збігаються з археологами, то з приводу степової міграції бронзової доби ламається багато копій. Тут із генетиками не згодні як археологи, так і лінгвісти. Більшість археологів (зокрема, Лев Самуїлович Клейн) не знаходять археологічних підтверджень міграції «ямників» і не вбачають зв'язку їхньої культури з європейською культурою шнурової кераміки. Лінгвісти ж виступають проти спроб авторів пов'язати цю міграцію з поширенням до Європи індоєвропейських мов, оскільки місце виникнення та шляхи поширення цієї найчисленнішої родини мов досі є предметом бурхливих дискусій.

Та й самі генетики зараз обережно ставляться до висновку про міграцію ямної культури.Наприклад, хоча в кількох стародавніх зразках «ямників» виявлено гаплогрупу (варіант) Y-хромосоми R1b (який зазвичай асоціюється з Європою), більш докладний аналіз, виконаний в ІОГен РАН, показав, що це не західна, а східна гілка R1b, так що у сучасній Європі шукати її не варто. З обережністю говорить про це і один із авторів роботи Вольфганг Хаак: «Можливо, правильніше назвати цей генетичний слід “схожим на ямну степовим предковим компонентом”».

Інша група дослідників під керівництвом Еске Віллерслєва (Eske Willerslev з Центру географічної генетики Музею природної історії університету Копенгагена, Данія), прочитавши вже понад сотню стародавніх геномів, розглянула період бронзового віку. Ця епоха (від 3 до 1 тис. років тому), коли камінь поступається місцем металу, супроводжується радикальними культурними та соціальними змінами в житті людей. Вони стосуються не лише господарського устрою — виникає нове розуміння майнових відносин, сім'ї та особистості. І знову постає те саме питання, що й з неолітом: чи це була циркуляція людей чи ідей?

Мортен Аллентофт (Morten E. Allentoft) та його колеги (також із центру географічної генетики музею природної історії університету Копенгагена) схиляються до першої версії. Міграції (циркуляції людей) у бронзовому столітті були дуже інтенсивними, і саме в цьому періоді через складні процеси експансії, змішання та заміщення популяцій сформувалися основні археологічні культури. Автори також вказують на міграцію ямної культури зі степів, генетичний слід якої вони знаходять у низці європейських культур.Більше того, вони простежили міграцію ямної культури до Сибіру, ​​де вона дала початок афанасьєвській культурі Алтаї-Саянського регіону.

Треба сказати, що у роботах різних генетиків багато протиріч, які завжди можна пояснити. Більше того, іноді та сама команда в наступних публікаціях значно переробляє свої ж власні висновки, зроблені раніше. Але процес триває, і в міру того, як прочитаних стародавніх геномів буде більше, а якість прочитання — надійніша, картина реконструкції заселення Євразії має ставати точнішою.

Світла шкіра, молоко та блакитні очі

За давньою ДНК можна простежити і те, як у наших предків змінювалися ознаки зовнішності, будову тіла чи обмін речовин. У процесі розселення по Євразії людина потрапляла у нові умови проживання, у яких якісь ознаки виявлялися корисними. Генетичні варіанти, відповідальні за ці корисні ознаки, підвищують пристосованість індивіда та підтримуються природним відбором. У цьому частота генетичних варіантів (алелей) підвищується і ознаки поширюються популяції.

Дослідження природного відбору, що відбувався в людських популяціях за 8 тис. років, з давньої ДНК зробила вже згадана команда Девіда Райха. У геномах 83 індивідів, від палеоліту до бронзи, генетики вивчили однонуклеотидний поліморфізм (SNP, «СНІП») — ділянки, де відбувається заміна одного нуклеотиду іншим. З 400 тис. мінливих ділянок вони обрали ті, які впливають на синтез білків і, отже, ті чи інші ознаки. Для кожної такої функціонально важливої ​​SNP-мутації оцінили її частоту в давніх і сучасних популяціях і перевірили, чи ця мутація підтримувалася природним відбором.Таких корисних мутацій, що допомагали виживати нашим предкам, виявилося кілька.

Одна з них міститься в складі гена лактази (ферменту, що розщеплює молочний цукор - лактозу). Ця мутація забезпечує синтез лактози протягом усього життя, тому дорослі, що нею володіють, можуть пити молоко, а власники вихідного варіанту гена без мутації можуть пити молоко тільки в дитинстві. Так от, мутантний ген дослідники не знайшли в ранньому неоліті, не знайшли навіть у скотарів ямної культури, незважаючи на те, що ті використовували рогату худобу. Виходить, що мутація вперше поширилася в популяції приблизно 4 тис. років тому, а значить, люди стали здатні вживати молоко не відразу після того, як одомашнили тварин. Але ця звичка виявилася настільки корисною, що мутація, що виникла, поширювалася дуже швидко і сьогодні є у 70% європейців.

Інша ознака - світла шкіра, яку забезпечують варіанти (аллелі) двох генів, що впливають на пігментацію. У західноєвропейських мисливців-збирачів таких алелів не було зовсім або вони були дуже рідкісні, так що, ймовірно, шкіра у них була досить темною. Аналіз показав, перший аллель вже у ранньому неоліті досягає високої частоти, а другий у той час тільки виникає, але швидко поширюється. У сучасних європейців ці світлошкірі варіанти зустрічаються майже поголовно, крім іспанців.

У європейських популяціях бронзової доби досягає помітної частоти і алель, що відповідає за блакитний колір очей. Але він має сильний географічний градієнт — висока частота північ від і низька Півдні. Це зрозуміло, оскільки світлий колір райдужної оболонки на півдні несприятливий: він не захищає сітківку від інтенсивного сонячного випромінювання.

Деякі найкорисніші гени прийшли з «паралельного людства». Наприклад, ген, що забезпечує виживання на великій висоті (в умовах нестачі кисню) у сучасних тибетських жителів, був запозичений ними у денісівців. Є дані, що ген, що дозволяє ескімосам ефективно зігріватися при метаболізмі жирів, також отриманий від денісівців. Поступово накопичується все більше прикладів того, що Homo sapiens, вийшовши з Африки до Євразії і зіткнувшись із новими для себе кліматичними умовами, скористався для адаптації генами, отриманими від змішування з денисовцями та неандертальцями, які на той час вже багато десятків тисячоліть обитали встигли пристосуватися до різних кліматичних зон.

Це лише кілька прикладів відкриттів, зроблених завдяки палеоДНК. Хто знає, які ще події минулого генетикам вдасться прочитати ДНК? Уривки подвійних спіралей, розкидані планетою, зберігають інформацію на кшталт бортових «чорних ящиків» в очікуванні експертів, здатних її точно прочитати і правильно зрозуміти.