О происхождении человека
Где возник род человеческий
Одна из интереснейших и сложнейших тем, изучаемых в курсе общей биологии, – происхождение человека. Где, когда и как возник род человеческий? Как он расселился по Земле?
В прошлом веке в европейской культуре существовало два ответа: один дан в Библии, другой – в теории Чарлза Дарвина. И хотя происхождение человека от обезьяноподобного предка было одним из частных следствий дарвиновской теории эволюции, естественно, именно этот вопрос – создан ли человек Богом или произошел от обезьяны – привлек внимание широкой публики.
Наиболее ортодоксальные сторонники библейской версии считают, что каждый вид, в том числе и человек, был создан Богом. Область исследований, направленных на поиск научных доказательств этой версии, называется креационизмом. Современные креационисты подтверждают тексты Библии точными расчетами. В частности, они доказывают, что Ноев ковчег мог вместить всех тварей по паре – если учесть, что рыбам и другим водным животным место в ковчеге не нужно, а остальных позвоночных животных – около 20 тыс. видов. Если умножить это количество на два (в ковчег были взяты самец и самка), получится примерно 40 тыс. животных. Средней величины автофургон для перевозки овец вмещает 240 животных. Значит, нужно было бы 146 таких фургонов. А ковчег длиной 300, шириной 50 и высотой 30 локтей вместил бы 522 таких фургона. Значит, место для всех животных нашлось и еще осталось – для корма и людей. Тем более что Бог, как утверждает Томас Хайнц из Института креационных исследований, наверняка догадался бы взять маленьких и молодых животных, чтоб они и места занимали меньше, и размножались активнее.
Чарлз Дарвин не отрицал существования Бога, однако считал, что Бог создал лишь начальные виды, остальные же возникли под действием естественного отбора. Альфред Уоллес, который пришел к открытию принципа естественного отбора почти одновременно с Дарвином, в отличие от последнего утверждал, что между человеком и животными существует резкая грань в отношении психической деятельности. Он пришел к выводу, что мозг человека не может рассматриваться как результат естественного отбора. Уоллес провозгласил, что этот “мыслительный инструмент” возник в результате потребностей его обладателя, и предполагал “вмешательство высшего разумного существа”.
Человек – это животное, интересующееся своим происхождением. Интерес к собственному происхождению свойствен человеку с глубокой древности. Чем дольше ученые изучают палеонтологическую летопись, тем яснее вырисовывается картина превращения обезьяны в человека. Современные представления гораздо сложнее излагавшейся в наших старых учебниках “единственно верной” теории, которую можно резюмировать словами Абрама Терца (Синявского): “Обезьяна встала на задние лапы и пошла прямым путем к коммунизму”.
По пути гоминизации шли многие виды приматов, и Homo sapiens в момент своего появления был просто представителем одной из нескольких конкурирующих линий. То, что именно он достигнет успеха на арене эволюции, не было предопределено. Высыпая ведро песка, вы не можете предсказать, какая из песчинок окажется сверху. Однако ясно, что какая-нибудь из них займет место наверху, чуть-чуть выше других. То же происходит и в процессе эволюции: один из близких видов оказывается чуть-чуть успешнее, чем другие, но какой именно – заранее предсказать нельзя.
Сегодня большинство ученых придерживаются теории африканского происхождения человека и считают, что будущий победитель в эволюционной гонке возник на Юго-Востоке Африки около 200 тыс. лет назад и расселился оттуда по всей планете (рис. 1).
Раз человек вышел из Африки, то, казалось бы, само собой разумеется, что наши дальние африканские прародители были похожи на современных жителей этого континента. Однако некоторые исследователи считают, что первые люди, появившиеся в Африке, были ближе к монголоидам.
Монголоидная раса имеет ряд архаичных черт, в частности в строении зубов, которые характерны для неандертальцев и Homo erectus (Человека прямоходящего). Популяции монголоидного типа обладают высокой адаптивностью к различным условиям обитания, от арктической тундры до экваториальных влажных лесов, тогда как у детей негроидной расы в высоких широтах при недостатке витамина D быстро возникают заболевания костей, рахит, т.е. они специализированы к условиям высокой инсоляции. Если бы первые люди были подобны современным африканцам, то сомнительно, что они смогли бы успешно осуществить миграции по всему земному шару. Однако эта точка зрения оспаривается большинством антропологов.
Концепции африканского происхождения противопоставляется концепция мультирегионального происхождения, предполагающая, что наш предковый вид Homo erectus превратился в Homo sapiens в различных точках земного шара независимо.
Homo erectus появился в Африке около 1,8 млн лет назад. Он изготавливал каменные орудия, найденные палеонтологами, и, возможно, более совершенные орудия из бамбука. Однако от бамбука через миллионы лет не остается следов. За несколько сотен тысяч лет Homo erectus распространился сначала по среднему Востоку, затем в Европу и до Тихого океана.
Самый близкий родственник человека был открыт в 1856 г. в местечке Неадерталь возле Дюссельдорфа. Рабочие, нашедшие пещеру со странными черепами и большими костями, решили, что это останки пещерного медведя, и даже не предполагали, какие жаркие споры вызовет их находка. Эти кости, а также кости, найденные позже на севере Англии, на востоке Узбекистана и на юге Израиля, были останками предка человека, получившего название неандерталец, – примитивный человек, живший от 200 000 до 27 000 лет назад. Неандерталец делал примитивные орудия, раскрашивал тело узорами, имел религиозные представления и похоронные ритуалы.
Предполагается, что неандерталец эволюционировал из Homo erectus в Европе и вымер, не способный конкурировать с пришедшим из Африки Homo sapiens. Причиной вымирания могла быть и слишком высокая специализация – неандертальцы были приспособлены к жизни в условиях ледниковой Европы. При изменении условий такая специализация обернулась для них бедой.
Долгие годы обсуждался вопрос, где место неандертальцев на эволюционном древе и могло ли происходить скрещивание между ними и Homo sapiens в период их сосуществования на протяжении десятков тысячелетий. Если скрещивание было возможно, то современные европейцы могли бы иметь некоторые гены неандертальцев. Ответ – хотя и не окончательный – получен совсем недавно при исследовании ДНК неандертальца. Генетик Сванте Пэбо – тот самый, который изучал ДНК из египетских мумий, экстрагировал ДНК из останков неандертальца, имеющих возраст несколько десятков тысяч лет. Несмотря на то что ДНК была сильно фрагментирована, ученым удалось с помощью самого современного метода анализа ДНК – метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) – установить нуклеотидную последовательность небольшого участка митохондриальной ДНК. Митохондриальная ДНК была выбрана для исследования потому, что в клетках ее молярная концентрация в сотни раз превышает концентрацию ядерной ДНК.
Экстракция ДНК проводилась в условиях высочайшей стерильности – ученые работали в костюмах, напоминающих скафандры, для того чтобы предотвратить случайное загрязнение исследуемых образцов посторонней, современной ДНК. В обычных условиях при помощи использованного учеными метода полимеразной цепной реакции удается “читать” фрагменты ДНК протяженностью до нескольких тысяч пар нуклеотидов. На изучаемых образцах максимальная длина “прочитанных” фрагментов составляла около 20 пар нуклеотидов.
Получив набор таких коротких фрагментов, ученые восстановили по ним исходную нуклеотидную последовательность митохондриальной ДНК. Сравнение ее с ДНК современного человека показало, что они значительно отличаются. Полученные данные позволяют предположить, что неандертальцы составляли отдельный, хотя и родственный человеку вид.
Скорее всего, скрещивание этих двух видов было невозможно – слишком велики генетические различия между ними. Следовательно, в генофонде человека нет генов, полученных от неандертальцев. По последовательности ДНК было оценено время расхождения ветвей неандертальца и современного человека, которое составило 550–690 тыс. лет. Однако полученные данные можно считать предварительными, т.к. это результаты исследования только одного индивида.
История в наших генах
История эволюции человека записана в наших генах и в наших способах действий. Профессор Стэнфордского универститета (США) Лука Кавалли-Сфорца составил карты распределения частот нескольких сотен генов в европейских популяциях (он назвал эти карты “генетическими ландшафтами”) и по генетическим дистанциям между популяциями вычислил даты их разделения.
Ему удалось реконструировать несколько волн миграций людей. Первая, оставившая наиболее заметный генетический след (частота встречаемости комплекса из 95 генов плавно понижается от районов Среднего Востока к месту обитания басков, см. рис. 2, а), соответствует экспансии неолитических земледельческих народов из мест зарождения земледелия (район Месопотамии) на север и запад Европы. Ее датировка на основе генетических дистанций совпадает с археологическими датировками (6–9 тыс. лет назад). Баски – популяция, уникальная по генетическим характеристикам, – являются, видимо, единственными современными представителями древнейших жителей Европы – кроманьонцев. Вероятно, они сохранили свою генетическую уникальность, т.к. жили в дальней точке миграционного пути, по которому в Европу были привнесены гены, земледельческая культура и индо-европейские языки ранненеолитическими племенами с Ближнего Востока. Выводы генетиков подтверждаются и данными лингвистов об уникальности языка басков.
Частота встречаемости другого комплекса генов наиболее высока на юге России и снижается как в направлении к северу, так и к югу от этой области. Этот след оставили миграции скотоводов-кочевников 4–6 тыс. лет назад (рис. 2, б).
Изменение распространенности третьего комплекса генов соответствует экспансии греческой культуры в I тысячелетии до нашей эры (рис. 2, в).
Не только миграции приводят к изменениям концентрации генов в популяциях. Например, частота встречаемости генов, связанных с адаптацией к холоду, плавно уменьшается с севера на юг.
“Молекулярные часы”
Кроме сравнения частот встречаемости генов в популяциях для реконструкции истории человечества используется метод “молекулярных часов”. Он основан на том, что скорость изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК за счет точечных мутаций (т.е. изменения только одной пары нуклеотидов) настолько постоянна, что ее можно использовать для датировки отхождения данной эволюционной ветви от общего ствола. Так как большинство этих мутаций, по современным представлениям, нейтральны, т.е. не оказывают какого-либо полезного или вредного влияния на их обладателя, они не элиминируются отбором. Эти “молекулярные часы” были откалиброваны при сравнении скорости изменения ДНК тех видов, время расхождения которых было надежно установлено по ископаемым останкам.
“Молекулярные часы” помогли определить дату разделения ветвей человека и обезьян – от 5 до 7 млн лет назад. До этого палеонтологи полагали, что разделение произошло около 25 млн лет назад. Однако теперь “молекулярная” датировка является общепринятой. Считается, что предки человека и шимпанзе разделились около 5 млн лет назад, отделение горилл произошло раньше, а еще раньше, около 10–15 млн лет назад, отделилась ветвь орангутанов.
Гены и языки
Метод “молекулярных часов”, позволяющий установить степень родства разных видов по различиям в их ДНК, очень похож на метод глоттохронологии, используемый при установлении родства разных языков. За 1000 лет в так называемом базовом словаре (он включает те слова, которые есть в любом языке, – “дом”, “земля”, “небо”, названия частей тела и т.д.) сохраняется 86% слов, т.е. каждый из языков двух народов, разделившихся 1000 лет назад, имеет 86% общих слов с предковым языком. Следовательно, друг с другом эти языки имеют 74% (86% от 86%) общих слов. Сопоставление эволюционного древа популяций человека с лингвистическими данными и классификацией языков по надсемействам показало, что в большинстве случаев языки генетически родственных популяций принадлежат к одной лингвистической группе. Чем раньше разделились две популяции, тем дольше они эволюционировали независимо и тем больше накопилось замен в их ДНК и в их языках. Конечно, языки не зависят от генов, и корреляции генетического и лингвистического родства определяются лишь историческими обстоятельствами.
“Митохондриальная” Ева
Чем выше скорость накопления мутаций в ДНК, тем меньшие отрезки времени эволюции видов могут быть определены при помощи “молекулярных часов”. Быстрее всего накапливаются мутации в митохондриальной ДНК. Митохондрии содержат кольцевую молекулу ДНК, состоящую из 16 500 пар оснований, – это совсем немного по сравнению с ДНК хромосом, находящихся в ядре клетки и состоящих из десятков и сотен миллионов пар оснований. При оплодотворении митохондриальная ДНК (мтДНК) сперматозоида не попадает в яйцеклетку, так что и мужчины, и женщины получают мтДНК только от матери.
Американский генетик Алан Уилсон изучил мтДНК людей различного происхождения – африканцев, европейцев, азиатов, австралийцев и жителей Новой Гвинеи. По количеству различий в нуклеотидной последовательности мтДНК он определил степень родства различных групп людей и построил родословное древо человечества. Самая ранняя точка ветвления на этом древе отделяет группу африканцев от остальных людей – по современным данным это произошло 137±15 тыс. лет назад.
Были определены различия между последовательностями мтДНК людей и шимпанзе. По известной дате отделения ветви шимпанзе (5 млн лет назад) было вычислено время первого разделения групп предков ныне живущих людей, которое произошло 180–190 тыс. лет назад. Это дата наиболее древней мутации в мтДНК, которую генетики могут распознать.
Древнюю обладательницу этой мтДНК сразу окрестили Евой, что внесло некоторую путаницу. Из данных анализа мтДНК вовсе не следует, что 190 тыс. лет назад на Земле жила всего лишь одна-единственная женщина. “Ева” не была единственной женщиной в это время и не отличалась от своих современниц по способности к размножению. Просто мтДНК ее современниц были утрачены (ведь не все женщины оставляют потомство, и если женщина имеет только сыновей, то они не передают ее мтДНК следующему поколению). По независимым оценкам нескольких групп генетиков, размер популяции, к которой принадлежала африканская “Ева”, составлял в то время около 10–30 тыс. человек.
Близкая оценка времени появления и численности исходной популяции Homo sapiens получена при исследовании Y-хромосомы. Эта хромосома передается только от отца к сыну и представляет удобный объект для эволюционных исследований в поисках “Адама”.
Эти выводы противоречат мультирегиональной гипотезе происхождения человека, предполагающей широко распространенное превращение популяций Homo erectus в Homo sapiens – такого небольшого количества людей просто не хватило бы, чтобы заселить всю землю.
Сильно ли мы отличаемся друг от друга?
У всех людей генетические тексты очень похожи. Два любых человека, кроме однояйцевых близнецов, различаются всего лишь одной буквой-нуклеотидом из 300. А вот от наших ближайших родственников в мире животных – человекообразных обезьян – мы отличаемся уже одним нуклеотидом из 30. Чем дальше родство, тем больше различий в генетических текстах. Исследование сходства ДНК позволяет выяснить родственные отношения между людьми – от установления отцовства, часто применяемого в криминологической экспертизе, до установления происхождения целых этнических групп. При этом иногда генетики делают, казалось бы, удивительные открытия, которые оказываются уже давно известными людям из сказаний и легенд. Например, древнее предание гласит, что все монголы произошли от трех матерей. Изучение мтДНК, наследующейся только по материнской линии, показало, что большая часть населения Монголии по генетическим характеристикам очень четко разделяется на три группы.
Генетическое исследование людей европейской расы показало, что люди с белым цветом кожи произошли от группы числом около 20 человек, при этом число мужчин в два раза превышало число женщин.
В октябре 1997 г. в Колд Спринг Харбор (США) прошла конференция по эволюции человека. Постоянные упоминания теории африканского происхождения человека и исследований африканских и неафриканских популяций вызвали тревожное замечание одной из участниц об этичности такого деления человечества, связанное со щепетильностью общественного мнения в США относительно расовых вопросов. На это остроумно отреагировал швейцарский генетик д-р Андре Лангани: вместо запланированного доклада по геногеографии он прочел лекцию о том, что, судя по генетическим данным, все мы являемся африканцами, просто есть азиатские африканцы, европейские африканцы и африканские африканцы.