Scisne?

Генетические следы исторических и доисторических миграций: континенты, регионы, народы

Комментарии: 0
/ax/d1/1/a1427/01.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/02.jpg

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

/ax/d1/1/a1427/03.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/04.jpgОбнаружив 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.

/ax/d1/1/a1427/05.jpgЗа прошедший век инструментарий геногеографии изменился, но ее устремленность к истории лишь усилилась.

/ax/d1/1/a1427/06.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/07.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/08.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/09.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/10.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/11.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/12.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/13.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/14.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/15.jpgТри 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.

/ax/d1/1/a1427/16.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/17.jpg Вероятная родина Киргизов - енисейские степи. Мы изучили две популяции. И при общем сходстве генофондов, на юге высока частота гаплогруппы N, отсутствующей на севере.

/ax/d1/1/a1427/18.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/19.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/20.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/21.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/22.jpg

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?

/ax/d1/1/a1427/23.jpg

/ax/d1/1/a1427/24.jpgПокажем 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.

/ax/d1/1/a1427/25.jpg

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

/ax/d1/1/a1427/26.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/27.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/28.jpgВторая 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.

/ax/d1/1/a1427/29.jpgТретья 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.

/ax/d1/1/a1427/30.jpg 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.

/ax/d1/1/a1427/31.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/32.jpg

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.

/ax/d1/1/a1427/33.jpg

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

Лаборатория популяционной генетики ГУ МГНЦ РАМН
Genofond.ru
Комментарии: 0