Но углубляясь в прошлое и начиная думать о своих бабушках и дедушках, а потом их бабушках и дедушках и так далее, мы теряем часть этого сигнала в каждом поколении. Я на 50 % соответствую своему отцу, но только на 25 % - деду, и лишь на 6 % - его деду. Это происходит потому, что, перемещаясь назад по времени, мы приобретаем новых предков в каждом поколении, и они начинают накапливаться довольно быстро. У каждого из моих родителей было двое родителей, и у каждого из них - двое родителей, и так далее. Генетик Кеннет Кидд из Йельского университета указал на то, что если число наших предков удваивается в каждом пропоколении (примерно каждые двадцать пять лет), то обернувшись на 500 лет назад, каждый из нас увидит более миллиона своих предков. Если мы вернемся к моменту вторжения в Англию норманнов, произошедшее около тысячи лет назад, наш расчет покажет, что мы должны были иметь более 1 трлн (1 000 000 000 000) предков - гораздо больше, чем общее число людей, существовавших в целом в истории человечества. Так в чем же дело? Ошибка в наших расчетах?
И да, и нет. С математикой тут, безусловно, все правильно - мощь экспоненциального роста была известна, по крайней мере, со времен древних греков, и все мы знакомы с выражением "размножаются, как кролики". Ошибка не в вычислениях, а в предположении, что все люди из нашей родословной были не родственны друг другу. Очевидно, что это не так, иначе мы не могли бы проводить количественную оценку. Здесь имеет место эффект умножения на число, меньше двух в каждом поколении - в действительности для большинства людей это число довольно близко к единице. И причину тому можно обнаружить, понаблюдав за птицами.
Вода, вода везде…
Сэмюэль Тэйлор Кольридж, поэт-романтик, неудавшийся классицист и любитель опиума, 1797–1798 годы провел в маленькой деревне Дорсет. В промежутках между бодрыми прогулками по холмам и длительными дискуссиями со своим соседом, Уильямом Вордсвортом, у Кольриджа случались приступы литературной активности, которые привели к созданию двух великих произведений: "Кубла хан" и "Поэма о старом моряке". Первое из них - созданное им в полубессознательном состоянии опиумной грезы, чтобы лучше вообразить себе "величественный храм удовольствия", выдающееся по своей образности литературное творение. Второе произведение, написанное в более трезвый период его жизни, повествует о злоключениях корабля в Южных морях. В этом стихотворении моряк убивает альбатроса, тем самым грубо нарушив один из неписаных морских законов, и весь экипаж вынужден страдать от последствий. Все заканчивается штилем под палящим солнцем, корабль окружен гниющим морем: "вода, вода везде, и нет ни капли для питья". Моряк выжил в этом испытании, но команде не так повезло, она стала жертвой корабля Смерти. В качестве епитимьи моряк проводит остаток жизни бродягой в проповедях об опасностях разрушения окружающей среды.
Через всю "Поэму о старом моряке" проходит образ альбатроса - символа удачи. Но почему считается, что эта птица приносит удачу? В общем-то, в результате неправильной интерпретации. Моряки проводили многие недели в море, не видя земли и мечтая о возвращении в порт. Часто одним из первых признаков того, что они скоро достигнут суши, были птицы. Они, подобно увиденному Ноем голубю с веткой оливы, указывали на то, что близко должна быть земля. Альбатрос, одна из самых крупных птиц на планете (размах крыльев некоторых особей составляет более 3,5 метра), был главным признаком близости суши. Вот только загвоздка в том, что альбатрос - это единственная птица, проводящая большую часть своей жизни в море. Некоторые из этих птиц более двух лет проводят в странствиях над открытым океаном, пролетая тысячи километров, и даже спят в полете. Таким образом, сочтя, что видят Ноева голубя, моряки в действительности были жестоко обмануты этим странствующим гигантом.
Если вы проводите жизнь, летая над океаном, будучи представителем наземного вида, пусть даже такого приспособленного к полету, как альбатрос, ваша проблема в том, что все равно придется возвращаться на землю, чтобы оставить потомство. Альбатрос нашел характерное только для него решение этой проблемы, представляющее собой удивительный факт из жизни животных. Несмотря на странствующий образ жизни, и ее продолжительность более пятидесяти лет, альбатрос всегда возвращается на один и тот же остров для спаривания. Он выбирает себе пару на всю жизнь, и его партнер тоже возвращается на тот же остров, где, встретившись, они выводят одного птенца, деля родительские обязанности поровну. Через несколько месяцев, когда юный альбатрос готов к самостоятельной жизни, его родители, попрощавшись и отметив в своих ежедневниках дату следующей встречи, направляются обратно в море.
Эволюционные последствия неизменного возвращения на один и тот же остров состоят в том, что это не только способствует видообразованию на островах - со временем на каждом острове образуются свои виды альбатросов, - но и приводит к однородности популяции птиц, гнездящихся на каждом конкретном острове. Когда молодые альбатросы, повзрослев, в первый раз собираются на острове, где они родились, самцы исполняют ритуальный брачный танец, чтобы произвести впечатление на самок. А те выбирают себе партнера, не обращая внимания на то, с какой части острова он родом. Если вы, будучи альбатросом, прилетели на остров в нужное время (естественный отбор в данном случае не благосклонен к запоздавшим), есть шанс, что вам повезет.
Такие виды, как альбатрос, называются панмиктическими. Это означает, что каждый индивидуум имеет возможность спариваться с любым другим индивидуумом своего вида. Хотя альбатрос в течение своей жизни может летать над значительной частью мирового океана, он нигде, кроме своего родного острова, не пускает корни. У людей все не так. Если мы куда-то переезжаем, то стремимся вступать в брак с человеком, живущим в этом новом месте. Если мы на карте обозначим места рождения супругов, то увидим, что до недавнего времени - последние лет сто или около того - расстояние между ними было довольно небольшим. Моя жена и я родились настолько далеко друг от друга, насколько можно себе представить - в Атланте, штат Джорджия и в Гонконге. Несколько поколений назад это было бы неслыханным. В то время она закончила бы свои дни с кем-либо, живущим на Коулуне или Мид-Левелсе, а я бы женился на красавице из какого-нибудь южного штата.
Обычай сочетаться браком по месту жительства приводит к тому, что люди, живущие в одном и том же месте, со временем становятся все более похожими друг на друга и все более отличающимися от жителей окрестностей. Если бы вы встретили своего троюродного кузена или кузину, распознали бы вы в этом человеке родственника? А если бы не распознали, понравились друг другу и родили ребенка, что было бы? Тогда ваши сын или дочь имели бы родителей, чьи геномы имели бы часть общих генов. И генетика совершенно справедливо объявила бы, что у вашего потомка чуть меньше двух родителей, она имела бы в виду двух несвязанных или неродственных родителей… Это означает, что множитель в нашем расчете количества предков был бы меньше двух, и это дает нам разгадку нашей математической загадки. Поскольку исторически сложилось так, что чаще всего люди выбирали себе супругов среди соседей, они неизбежно коротали свой век с родственниками, хотя и дальними. В результате люди, живущие в одном и том же регионе, достаточно похожи друг на друга.
И конечно, в некоторых регионах степень родства между людьми достаточно высока, так как браки с двоюродными братьями и сестрами довольно распространены. Но даже если степень родства невысока, со временем небольшая степень инбридинга, имевшая место во всех традиционных обществах, приводит к частоте полиморфизмов, характерной именно для данного региона. Таким образом, подобно тому, как по уникальному характеру ваших полиморфизмов можно установить ваших родителей, так и целые народы несут генетический сигнал о своем географическом происхождении. Эти сигналы, которые мы, как популяционные генетики, изучаем, являются отражением не только видового единства наших общих предков, генетических Адама и Евы, но и признаком "региональных общностей", из которых, подобно лоскутному одеялу, состоит современное человечество. Как мы увидели из результатов исследований Дика Левонтина, эти сигналы довольно слабы, но они есть. Весь фокус в том, чтобы найти полиморфизмы, которые объединяют нас в региональные группы, а для этого нам нужно провести немного больше времени в лаборатории.
…ни капли для питья
Поняв, что дивергирующие молекулы могут служить эволюционными часами, позволяющими взглянуть в прошлое и увидеть нашего общего предка, Цукеркандль и Полинг дали нам ключ к разгадке данных о митохондриальной ДНК и помогли сделать выводы относительно Евы. А поскольку Y-хромосома тоже свободна от рекомбинации, это же относится и к ней. Следуя путем, заданным полиморфизмами Y-хромосомы, мы можем легко и быстро добраться и до Адама, и все, что для этого нам нужно - полиморфизмы. И здесь Y-хромосома имеет козырь, потому что до недавнего времени казалось, что полиморфизмов у нее не так уж много.
В 1994 году Роб Дорит, Хироси Акаси и Уолтер Гилберт (тот самый человек, который в 1970-х годах создал метод секвенирования ДНК) в престижном научном журнале Science опубликовали необычную статью. Странность состояла не в том, что они обнаружили, а в том, чего не нашли. Статья под названием "Отсутствие полиморфизма в локусе ZFY человеческой Y-хромосомы" описывала результаты проведенного в рамках целенаправленного поиска полиморфизмов на конкретном участке Y-хромосомы тридцати восьми мужчин из разных стран мира. Хотя несколько полиморфизмов Y-хромосомы и было установлено - впервые их открыли Мириам Касанова и Жерар Люкотт в 1985 году независимо друг от друга, - их было гораздо меньше, чем в любой другой хромосоме. Удивительным результатом исследования Дорит и его коллег было то, что в изученном участке Y-хромосом не было найдено никаких различий. Не было обнаружено ни одного изменения в последовательности ДНК, что подразумевает, будто все мужчины произошли от общего предка совсем недавно. Но поскольку не было обнаружено изменений, нельзя было и сказать, когда именно он жил. Было похоже на то, что все эти мужчины имели одного отца - этакого Казанову, который сеял свое семя по всему миру. Однако из-за относительно небольшого размера изученного фрагмента ДНК - около 700 нуклеотидов - и небольшого числа исследованных мужчин, была вероятность, что ученым просто не повезло, и они выбрали участок ДНК, в котором эти конкретные Y-хромосомы не менялись. По этой причине оценка времени жизни ближайшего общего предка мужчин - иными словами, Y-хромосомного Адама - была между 0 и 800 000 лет назад. Это не дало ничего нового для понимания происхождения и миграции человека, но послужило сдерживающим фактором для исследователей, которые хотели изучать популяционную генетику по Y-хромосоме.
Вскоре все же было открыто несколько полиморфизмов, и Майкл Хаммер из Университета Аризоны смог обнаружить достаточное количество различий, чтобы сделать вывод о том, что Адам жил 200 000 лет назад в Африке. Это подтвердило результаты, полученные по митохондриальной ДНК, и подготовило почву для свидания наших предков в велде. Однако общее количество информативных полиморфизмов Y-хромосомы было еще совсем мало. Настало время для расширения масштабов поиска разнообразия, и снова район залива Сан-Франциско в Калифорнии становится подходящим местом.
Под давлением
Питер Андерхилл начал свою научную карьеру с изучения морской биологии в Калифорнии в конце 1960-х, получив в итоге докторскую степень в 1981 году в Делавэрском университете. Затем он вернулся в Калифорнию и окунулся с головой в только что возникшую область биотехнологии, занимавшуюся такими вещами, как проектирование новых ферментов для молекулярно-биологических исследований. Но самое главное, он увлекся новыми технологиями, которые тогда разрабатывались генетиками в ошеломляющем количестве. Это было бурное время для молодой биотехнологической отрасли, и эпицентр революции, которую предвещала технология получения рекомбинантной ДНК, находился неподалеку от Сан-Франциско. Вырезание и сшивание генов стало биологическим аналогом развивающейся в Кремниевой долине и окрестных городках компьютерной индустрии.
В 1991 году, устав от мира коммерции, Питер Андерхилл подал заявление на должность научного сотрудника лаборатории Луки Кавалли-Сфорцы в Стэнфордском университете. После того как он убедил Луку в том, что сможет вписаться в его сплоченный и дружный коллектив, он был принят. Свою деятельность в лаборатории Питер начал с секвенирования мтДНК, но вскоре его заинтересовала Y-хромосома. О работе в лаборатории Кавалли-Сфорцы в то время можно было только мечтать, это был поистине передовой край науки. Я считаю себя счастливчиком, что работал там после защиты докторской диссертации. Новые методы статистического и генетического анализа разрабатывались почти каждую неделю, и интеллектуальный климат был безупречен. Почти все крупные фигуры популяционной генетики человека в 1990-х годах работали какое-то время в Стэнфорде - среди них были и студенты, и доктора наук, такие как Дэвид Гольдштейн, Марк Сейелстад и Ли Цзинь, которых мы еще встретим в этой книге. Но на нашу историю повлиял, как ни странно, один химик-аналитик. И чтобы объяснить, почему, мы должны узнать немного больше о молекуле, которая образует наш геном.
Один из основных методов исследования в техническом арсенале генетиков - разделение фрагментов ДНК по размеру. Подобно белкам, молекула ДНК является линейной цепочкой, состоящей из блоков, называемых нуклеотидными основаниями. Генетическая информация кодируется в последовательности оснований, составляющих ДНК подобно тому, как аминокислоты образуют белки. Однако в отличие от белков ДНК имеет только четыре строительных блока, которые называются нуклеотидными основаниями: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). Информация, которую они кодируют - инструкция по созданию вас - содержится в определенной последовательности этих четырех видов нуклеотидов. Подобно тому, как азбукой Морзе можно передать огромный объем информации с помощью точек и тире, так и ДНК кодирует биологические характеристики организма с помощью этих четырех нуклеотидов. А если работать с последовательностью из 3 млрд нуклеотидов, получается огромное количество информации.
Методы разделения смеси молекул на основе их размера могут быть использованы для установления последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Это возможно благодаря биохимическим технологиям, с помощью которых можно получать фрагменты ДНК определенной длины. После того как эти фрагменты получены, они могут быть разделены при их прохождении через желеобразное вещество (гель) под действием электрического поля. Так как ДНК заряжена отрицательно, фрагменты мигрируют к положительно заряженному концу геля - на молекулярном уровне противоположности действительно притягиваются. Интересно, что, проходя через гель, фрагменты замедляют свое движение, потому что они должны пройти через лабиринт крошечных каналов, находящихся в геле. То, насколько замедляется их движение, зависит от их длины - длинные молекулы отстают в большей степени, чем короткие, так как им необходимо протиснуть через эти каналы в геле большее количество вещества. Все это кажется очень сложным в теории, но прекрасно работает на практике. Этот метод, известный как секвенирование, лежит в основе почти всех важных генетических открытий, сделанных за последние тридцать лет. Секвенирование генома человека, например, включало в себя применение этого метода десятки миллионов раз - не слишком-то увлекательное, но зато эффективное занятие.
Одна из проблем секвенирования состоит в том, что это довольно медленный процесс, и биохимические реакции, которые позволяют определить последовательность нуклеотидов изучаемой вами ДНК, могут быть очень дорогими. По этой причине генетики пытаются использовать более быстрые и дешевые методы для изучения последовательностей ДНК, часто путем поиска различий между ДНК изучаемого индивидуума и той ДНК, последовательность которой уже была определена трудоемкими биохимическими и электрофоретическими методами. Различия между последовательностями ДНК - это наши полиморфизмы, и они предопределяют индивидуальную восприимчивость к болезням, цвет волос (если вы не меняли его) и все другие наследственные различия между людьми. Но большинство из них не оказывают никакого влияния на их носителя - это переданный по наследству багаж, маркер вашей родословной. Эти маркеры представляют наибольший интерес для антропологов и историков.
Питер Эфнер, химик-аналитик, австриец по происхождению, в 1990-х годах проводил в Стэнфордском университете исследования по разделению молекул ДНК с помощью метода, называемого высокоэффективной жидкостной хроматографией (сокращенно - ВЭЖХ). В частности, он пытался разработать метод определения последовательности ДНК с использованием ВЭЖХ, что позволило бы разделять молекулы намного быстрее, чем в геле. Презентацию его метода на семинаре в отделе генетики увидел Питер Андерхилл. Андерхилл сразу же понял применимость этого метода к задаче нахождения полиморфизмов Y-хромосомы и подошел к Эфнеру с предложением о сотрудничестве. Вскоре они уже исступленно работали вместе, на полтора года забыв о выходных.
Партнерство двух Питеров привело в конечном итоге к созданию метода, известного как денатурирующая ВЭЖХ, или сокращенно дВЭЖХ. Он основан на замечательном свойстве молекул ДНК: они являются двухцепочечными, их парные цепи удерживаются вместе силой взаимного притяжения между составляющими их нуклеотидными основаниями. В мире ДНК аденин всегда образует пару с тимином, цитозин с гуанином благодаря природе их молекулярной структуры. Это означает, что если вы знаете последовательность нуклеотидов в одной из цепей, то автоматически знаете ее и в другой. Такая структура молекулы ДНК имеет два преимущества. Во-первых, она стабилизирует молекулу ДНК, делая ее менее восприимчивой к разрушению под действием ферментов и факторов окружающей среды. ДНК была выделена из костей возрастом 50 000 лет, тогда как ее одноцепочечный эквивалент, также содержащийся в наших клетках и известный как РНК, слишком неустойчив, чтобы сохраняться так долго. А во-вторых, такая структура предоставляет возможность восстановить информацию, содержащуюся в нуклеотидной последовательности ДНК. Если изменение (то есть мутация) произойдет в одной цепи молекулы ДНК, то соответствующий нуклеотид во второй цепи больше не будет образовывать с ним идеальную пару. В этой точке образуется небольшая петля из-за несоответствующих друг другу пар оснований. Эти петли легко обнаруживаются корректирующим аппаратом клетки, и поломка устраняется.