Доклад на  Круглом столе: «Генетика – мост между естественными и гуманитарными науками»  V Съезда Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Москва, 26.06.2009)

  

Тема нашего доклада: изучение по генетическим данным миграций людей - как в исторические, так и в доисторические времена.

А тема всего «Круглого стола» – технический осмотр того моста, который генетика строит через пропасть между гуманитарными и естественными науками.

Геногеография - наука уже не молодая, и потому  строит этот мост уже более восьмидесяти лет. Основатель геногеографии Александр Сергеевич Серебровский настаивал, что геногеография - наука историческая, а не биологическая. Он считал, что геногеография, используя маркеры генетические, должна описывать историю популяций и пути миграций человека. Сам А.С. Серебровский в качестве генетического маркера использовал фенотипы кур Дагестана – различия между куриными популяциями указывали на различия между генофондами их хозяев, на интенсивность обмена генами (и обмена курами) между разными ущельями Дагестана.  Перед Вами схема такого исследования. Пусть в одном ущелье – куры только рыжие, в другом, черные, в третьем - только белые.

 Обнаружив основной ареал белых кур на юге Дагестана и неожиданно встретив таких же кур совсем в другом месте, можно предполагать миграцию людей, а значит, и их генов.

За прошедший век инструментарий геногеографии изменился, но ее устремленность к истории лишь усилилась.

В арсенале генетики появились новые мощные маркеры истории популяций - «однородительские» маркеры. Первой завоевала популярность митохондриальная ДНК (мтДНК), передающаяся в поколениях по материнской линии: она позволила убедительно обосновать моноцентристскую теорию происхождения человечества и «выход из Африки» как важнейший этап в расселении по планете человека современного вида. В самый разгар бума исследований мтДНК, когда на ее изучении сосредоточились усилия большинства популяционных генетиков, на сцену стремительно вышла другая генетическая система – Y хромосома, наследующаяся в поколениях по отцовской линии. Хотя ей еще не удалось потеснить мтДНК с позиций лидера, Y хромосома уверенно заняла место рядом с ней. Образовавшийся дуэт стал общепринятым стандартом в мировых исследованиях. В чем же привлекательность этих маркеров? Отсутствие рекомбинации позволяет реконструировать цепочку последовательно происходивших мутаций (от Адама или же от Евы), определить место и время их возникновения,  а, следовательно – проследить и процесс расселения человечества по планете.

Поэтому современную геногеографию можно назвать наукой об опечатках. Если бы в генетических текстах не было опечаток - мутаций, то геногеографии было бы нечего изучать: все мужчины обладали бы идентичными Y хромосомами, а женщины – идентичными копиями одной и той же молекулы мтДНК. Мутации служат такими же маркерами, как и ошибки переписчиков летописей - благодаря их ошибкам можно дать относительную датировку разных изводов летописей: те изводы, которые включили и старые «опечатки», и свои собственные, рассматриваются как более поздние.

Такой же подход и в геногеографии. Здесь показана цепочка нуклеотидов, и красный кружок обозначает произошедшую опечатку-мутацию. В следующем поколении у потомка слева возникает еще одна мутация – зеленый кружок. Далее обе ветви эволюционируют самостоятельно, обрастая все новыми мутациями, но «зеленая» мутация обязательно присутствует у всех членов левой группы. Они образуют группу с общим происхождением – гаплогруппу. А «зеленая» мутация  служит специфическим маркером этой гаплогруппы.

По генетическим опечаткам можно построить филогенетическое древо происхождения всех современных генетических линий от одной исходной и выявлять древнейшее генетическое родство населения разных континентов. Наиболее древние мутации будут задавать основные, наиболее крупные ветви древа Y хромосомы или мтДНК (гаплогруппы). Более поздние мутации показывают, как эти ветви ветвятся на более мелкие (субгаплогруппы). Множество листьев (гаплотипов) различаются только по самым недавним мутациям и одевают все древо, отражая генетическое разнообразие современного человечества.

Если наложить частоты встречаемости различных мутаций на географическую карту, то мы увидим зоны их скопления – те регионы, в которых волей истории эти опечатки размножились. Чем дольше популяция развивалась в этом регионе, тем больше мутаций она могла накопить. Ее дочерние популяции, отправляясь в путь, захватывали с собой лишь малую часть этого разнообразия. Поэтому мы можем обнаружить и те дочерние регионы, в которые волны миграций занесли те или иные гаплогруппы и гаплотипы. А знание относительного времени возникновения мутаций поможет отделить древние миграции от более поздних.

Так, если мы посмотрим на слайде, а где географически распространен каждый из этих схематичных гаплотипов? Мы видим, что самые древние распространены в Африке (африканская «красная» мутация есть у всех), а далее правая ветвь уходит в Азию (все гаплотипы обладают «синей» азиатской мутацией), а левая (с европейскими «зелеными» мутациями) в Европу. То есть мы восстановили картину самой важной миграции в истории человечества – картину выхода из Африки.

Конечно, это лишь самые основы, «скелет» того инструмента, которым геногеография отслеживает древние и исторические миграции. Понять возможности и ограничения этого инструмента легче на живых примерах геногеографических работ.

Конечно же, невозможно рассказать обо всем разнообразии генетических исследований, изучающих миграции населения. Поэтому, мы ограничились только теми работами, в которых участвовали мы сами в сотрудничестве со многими другими коллегами. Мы наложили еще одно ограничение  - работы должны быть свежими – выполненными за последние два года.  Получившаяся совокупность работ  показана на слайде. Они охватывают обширные времена и пространства: по датам крайние точки  различаются в тысячу раз  (от 140 000 лет до 140 лет), а по географии – покрывают пространство от Южной Африки до Русского Севера и Памира.

Такая выборка исследований из мировой науки будет почти случайной – и, поскольку мы не отбирали работы, она обрисует Вам не только достоинства, но и возможные недостатки строящегося моста между гуманитарными и естественными науками.

ЮЖНАЯ АФРИКА: НА ЗАРЕ СОВРЕМЕННОГО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.

Первое исследование, о котором мы расскажем, обрисовывает африканскую часть глобального родословного древа мтДНК. В популяциях Южной Африки проведен анализ полных нуклеотидных последовательностей митохондриальной ДНК [Behar et al., 2008]. Эта трудоемкая работа была необходима для ответа на вопрос – каковы были самые первые этапы микроэволюции  Homo sapiens?  Главным результатом этой работы стало уточнение филогенетического древа человечества . Укажем две важнейшие черты.

Во-первых, мтДНК утверждает, что 140 000 лет назад произошло разделение древа на два крупных ствола – койсаны - и все остальное человечество. В тезисах следующего доклада (Дыбо, Старостин, 2009) сказано, что и лингвисты противопоставляют койсанские языки языкам остального человечества. Вот и высветился кусочек моста между гуманитариями и генетиками.

 Вторая черта – уже известная из более ранних работ, но от того не менее удивительная. Это древо также показывает, что все генетическое разнообразие сосредоточено в Африке, а гаплогруппы всех остальных континентов составляют лишь две тощие веточки на африканском стволе (показаны розовым цветом). Мы видим, что очень немногие африканцы покинули родину, чтобы заселить остальной мир  - Евразию, Америку, Австралию. Это древо хорошо иллюстрирует общий принцип отслеживания миграций –  расселяющиеся популяции, оторвавшиеся от исходного массива, забирают с собой в путь лишь малую часть ветвей, малую часть имеющегося генетического разнообразия. Дальнейшая микроэволюция приводит к росту новых вторичных субгаплогрупп в разных регионах планеты, позволяя прослеживать все более поздние миграции.

ЮЖНАЯ АФРИКА: ВЕЛИКАНЫ И КАРЛИКИ

Пропустим половину шкалы времени и окажемся в Центральной Африке на отметке 70 000 лет назад. Когда Луи Квинтано-Мурчи попросил доступа к нашей базе данных для сравнительного анализа, я очень обрадовался, потому что еще в ранней юности читал рассказы Николая Гумилева об этих экваториальных лесах: «Я поставил палатку на каменном склоне, Абиссинских, сбегающих к западу гор, И беспечно смотрел, как пылают закаты, Над зеленою крышей далеких лесов». Но потом из этих загадочных лесов к Гумилеву вышел умирающий француз, рассказавший о гибели их экспедиции в стране пигмеев-людоедов.

К счастью, экспедиция наших французских коллег была успешнее, и мы изучили генофонды самого низкорослого и самого высокорослого населения планеты - пигмеев и бантуязычных народов Африки. МтДНК утверждает, что 70 тысяч лет назад они были еще единой популяцией.  Их разделение было вызвано климатическим кризисом в истории нашей планеты. Ледниковые периоды в истории земли имели для Африки не менее катастрофичные последствия, чем для Европы. Это было время иссушения планеты – исчезали леса, их место занимали саванны и пустыни. Возникла экологическая граница, разделившая предков пигмеев и банту. Прошло много тысяч лет, и обе популяции приобрели своеобразные антропологические черты. Когда же их ареалы вновь перекрылись, поток генов между ними, как показала мтДНК, стал односторонним: лишь мужчины банту брали в жены маленьких женщин пигмеев, приносивших свои гаплогруппы мтДНК. Обратный поток генов не обнаружен -  у пигмеев не прослеживаются линии мтДНК бантуязычных народов Африки.

Неолит Европы: палеоДНК древних популяций.

Первая волна заселения Европы связана с палеолитом. Вторая волна - мезолитическая реколонизация Европы после отступления ледника. Но больше всего споров вызывает третья волна – неолитических земледельцев (на слайде слева показано математическое моделирование распространения земледелия в Европе ).

В классическом труде археолога Аммермана и генетика Кавалли-Сфорца была сформулирована гипотеза «демического распространения» [Ammerman, Cavalli-Sforza, 1984]: именно третья – неолитическая - волна расселения земледельцев сформировала основные черты европейского генофонда. Однако впоследствии данные по мтДНК указали на палеолитический возраст большинства европейских гаплогрупп [Richards et al., 2000]. Это стало обоснованием альтернативной гипотезы «культурного распространения»: миграцию земледелия без земледельцев. Оба этих подхода реконструировали генофонды былых эпох по генетической структуре их современных популяций-потомков.

Но лишь данные по древней ДНК (полученные в надежных лабораториях и получившие мировое признание) дают прямую информацию о генофонде древних популяций. Исследование палеоДНК одной из первых в Европе неолитической культуры - линейно-ленточной керамики (красный овал на карте слева)- неожиданно выявило высокую частоту гаплогруппы N1a мтДНК [Haak et al., 2005], которая у современных европейцев почти не встречается. Это может означать, что первое земледельческое население Европы действительно почти не оставило потомков. Новые данные, полученные той же группой исследователей в соавторстве с нашим коллективом, позволили уточнить этот вывод [Haak, Balanovsky et al., unpublished data]: они обнаружили ближневосточные корни первых земледельцев Европы. Их миграция шла примерно так, как показывают красные стрелки. Но у большинства современных европейцев совсем другой генофонд. Это значит, что появление  земледелия в Европе было связано с миграцией первых земледельцев, которая была немногочисленной, и последующее распространение земледелия внутри Европы носило в основном характер «культурных заимствований».

Это хотя является своеобразным компромиссом между «демической» и «культурной» гипотезами распространения земледелия: распространение земледелия внутри Европы носило характер «культурной диффузии», но появление  земледелия в Европе связано с далекой миграцией первых земледельцев.

Три тысячи лет назад по Средиземноморью расселился первый «морской народ» - финикийцы. Были изучены ПАРЫ популяций. Одна – на месте древних финикийских колоний, где предположительно до сих пор живут их потомки, а другая популяция – соседние материковые области, но где финикийцев не было. Оказалось, что в каждой такой паре популяций определенные STR гаплотипы приурочены к «финикийской» популяции, что позволило проследить их миграции.

Спустя пару тысяч лет пришло время для обратной миграции – из Европы на Ближний Восток. Речь идет о крестовых походах. Как известно, по призыву папы рыцари из большинства западноевропейских государств отправились в Палестину, где их государства просуществовали более ста лет. Вопрос о генетических последствиях этих событий оставался открытым - по историческим данным трудно понять, много ли европейских переселенцев осталось в Леванте. Но геногеография выявила в современном населении Ливана специфический гаплотип (красный кружок). Как видите, на востоке этого гаплотипа больше нигде нет  (вокруг – только синие кружки: отсутствие этого гаплотипа). Но он есть на западе (красные кружки), и его география даже повторяет географию стран - участниц крестовых походов: этот  гаплотип встречен в генофондах всех стран-участниц (и, конечно же, и за пределами их – это «европейский» гаплотип ). Это был пример периода, для которого уже есть письменные источники. Но даже для исторически достоверных миграций остается вопрос - было ли это событие только истории или оно оставило след и в генетике. Есть и события, неизвестные письменной истории. Здесь генетика может сообщить неожиданные факты.

Вероятная родина Киргизов - енисейские степи. Мы изучили две популяции. И при общем сходстве генофондов, на юге высока частота гаплогруппы N, отсутствующей на севере.

Но глядя на карту этой гаплогруппы, можно ожидать лишь обратную картины.

Вот где часта эта гаплогруппа. Но она встречена не в соседней, а удаленной

южной популяции киргизов, заставляя предполагать причудливый путь миграции.

Другое событие, подробнейшим образом освещенное письменной историей, но вокруг которого ведутся жаркие споры. Татаро-монгольское иго одни называют тяжкой катастрофой для восточных славян, а евразийцы считают счастливым случаем рождения российской государственности. Эти вопросы не имеют отношения к генетике, но часто можно услышать мнение, что русский генофонд стал промежуточным между народами Европы и Центральной Азии. А здесь слово уже за генетикой.

Генетические следы пришельцев с востока обнаружить не удается. Эта карта генетических расстояний по мтДНК показывает сугубо европейские корни русского генофонда (синие тона) и чуждость генофондов Центральной Азии (коричневые тона). И к тем же выводам приводит анализ всех других маркеров – от Y хромосомы до изучения зубной системы.

А как насчет обратной миграции, когда спустя несколько столетий уже русские приступили к завоеванию Азии? Генетические различия между коренным населением Кавказа (мажорные гаплогруппы G и J обозначены синим цветом) и восточными славянами  (мажорные гаплогруппы R1a и I обозначены красным цветом) очень четкие. Мы изучили две группы казаков Северного Кавказа. Оказалось, что кубанские казаки генетически неотличимы от русских и украинцев. А терское казачество вобрало в себя почти половину местных кавказских гаплотипов (синий цвет). Это тоже пример того когда генетика вносит новую информацию даже для тех событий истории, которые считаются хорошо документированными.

Фамилии – признак лингвистики, и их использование для изучения генофондов – явный мост между двумя науками. Есть четыре способа совмещения фамилий с генетикой, но мы расскажем только о четвертом, возникшем в России за последний год благодаря интересу наших сограждан к их фамилиям. Это проект РГНФ «Однофамильцы или родственники?». Для групп однофамильцев мы бесплатно проводим анализ их Y хромосом. Если они идентичны, то люди получили и фамилию, и Y хромосому от одного общего предка, а значит, являются родственниками. Если Y хромосомы различны – они друг другу только однофамильцы.

На данный момент проанализировано около четырехсот человек, представляющих шестьдесят фамилий. На этой картинке с нашего сайта видно, что например, двое участников, показанных темно-зеленым цветом, родственники друг другу – они отличаются лишь по одному микросателлиту из семнадцати STR маркеров, а другой участник (светло-зеленый цвет) отличается от них по двум другим STR маркерам.

Десяток приведенных примеров иллюстрирует реальность моста, построенного между генетикой и гуманитарными науками трудами многих исследователей.

Но прочен ли этот мост?

Не выглядит ли он так, как на этой картинке?

Покажем на одном примере. Из всех континентов мира подробнее всего изучен генофонд Европы. А в Европе самой простой и хорошо документированной является история генофонда исландцев. Тысячу лет назад этот необитаемый остров колонизировали викинги из Скандинавии. Но они привозили рабов еще и с Британских островов. Вопрос - в какой пропорции соединились эти генофонды. Самый простой вопрос, самый изученный регион, но каждое новое генетическое исследование дает новый ответ. Даны ссылки на 6 работ. Их итоги: от доли Британии 98% - до доли Скандинавии  80%. И представьте себе, что должен подумать специалист-гуманитарий, ознакомившись с этими исследованиями. Поверит ли он  еще хоть одному выводу, сделанному генетиками? По нашим наблюдениям, пока верят. Но самые проницательные уже переходят от доверия к скепсису.

 Поэтому нужна реконструкция моста – и это третья часть нашего доклада.

Ситуацию можно нарисовать примерно так: мост построен, и по нему идут очень многие, на надежность моста невелика, и хождение по нему, как видите, небезопасно.

Что же делать, как укрепить этот мост?

По опыту совместной работы со специалистами в самых разных естественных и гуманитарных науках – археологии, лингвистике,  палеогеографии, картографии, и конечно же генетики, нам видятся шесть опор (показанных красными стрелками), которые могут сделать мост удобным и прочным.

Первая опора – повышение надежности данных самой генетики. Способы известны – корректность сбора выборок, объем выборок, и уменьшение ошибок генотипирования. Например, улучшение выборок по Европе в три раза повысило надежность моста с лингвистикой. А улучшение качества генотипирования позволило вернее интерпретировать историю армянского генофонда.

Вторая опора – древняя ДНК, естественная пограничная область генетики и археологии. На секции по генетике народонаселения достаточно говорилось о трудностях этого направления, поэтому этот слайд мы сделали оптимистичным.

Третья необходимая опора – базы генетических данных, доступные для гуманитариев. Очень немногие лингвисты умеют работать с Ген-банком. И если этнографы сделали атлас Мердока, которым пользуются генетики, то не пришла ли пора для ответной любезности? Мы пытаемся создать в интернете  портал genofond.ru, эти попытки отчасти успешны и даже поддержаны грантом РГНФ,  но тут нужны усилия многих генетиков.

Неожиданная помощь приходит от интернет-сообщества. Интерес к этой тематике велик, и возник целый ряд форумов и тематических сайтов, сотрудничество с которыми порой полезно для самих лабораторий, и уж несомненно полезно для популяризации нашей науки.

Недавно возник даже он-лайн журнал (Russian J. Genetic Genealogy). Вряд ли он станет ВАКовским, но в нем уже есть статьи Малярчука, Долуханова, наша, а также исследования самих форумчан.

Пятая опора – и мы считаем ее одной из главных - участие генетиков и гуманитариев в совместных проектах.  Только за последний месяц я участвовал в трех - в Америке, Испании и России.

 В проекте «Генография» такие маститые специалисты, как археолог лорд Ренфью, автор классификации языков мира Меррит Рулен и Миив Лики из династии палеоантропологов. Их своевременные консультации порой уберегают нас от… неточностей.

В других проектах общение с гуманитариями дорастает уже до подлинного сотрудничества.  Это проект по первоначальному заселению Арктики и Субарктики и проект по неолитизации Европы.

Вторая встреча проходила в Испании. Трехлетний проект направлен на моделирование  неолитического заселения Европы. Рабочая группа под руководством Павла Марковича Долуханова  включила в основном математиков, археологов, палеогеографов и генетиков. Уже издан том работ коллектива..

Третий  проект – в России. Его задача – заселение человеком Севера Евразии. Рабочая группа включила палеогеографов, палеозоологов, палеоботаников, генетиков, антропологов, «датировщиков» и множество археологов их всех регионов страны. Результатом работы станет коллективная монография-Атлас.

Наконец, чисто генетической подпоркой, помогающей усилить надежность выводов, служит полисистемный подход. Например, обнаружив сходство в изменчивости антропологических признаков, классических и ДНК маркеров, можно не сомневаться в объективности долготной закономерности. Об этом подходе мы написали целую книгу (см.  монографию «Русский генофонд на русской равнине»), - но всю ее здесь рассказать мы не успеем.  

 Важным шагом на этот пути является одновременное использование данных по мтДНК и Y хромосоме: при этом надежными следует признавать только те результаты, которые подтверждены обеими системами. 

 Однако обе эти системы, с сущности, очень похожи: обе гаплоидны, обе не рекомбинируют, обе анализируются одними и теми же филогеографическими методами, обе наиболее уязвимы для действия дрейфа генов. А это может привести к искажениям реконструируемой картины миграций.  

 Поэтому следующий шаг – это свидетельства многих очевидцев, то есть расширение спектра анализируемых генетических систем за счет аутосомных ДНК и классических генных маркеров, а также включения информативных квазигенетических систем – фамилий, антропологических, археологических и лингвистических признаков. Когда  картины мира – русского, европейского, евразийского – совпадают вопреки тому, что они обрисованы совершенно разными свидетелями (генетикой, антропонимикой, антропологией), мы можем быть уверены, что генетические следы миграций реальны и достоверны.

Использование многих систем – полисистемный подход – открывает путь к реальному синтезу знаний об истории популяций человека, полученных самими разными науками.

Надеемся, что благодаря этим и другим опорам генетический мост станет не только модным, но и надежным местом встречи представителей естественных и гуманитарных наук.