Расшифрованный код Ледового человека: От кого мы произошли, или Семь дочерей Евы
Шрифт:
Прямое измерение частоты возникновения мутаций — дело слишком трудное. Оно означает, что надо ловить различия между матерями и их детьми. Мы прикинули, что для того, чтобы заметить единственную новую мутацию, придется протестировать тысячу пар родителей с детьми. Этот вариант отпадал сразу. К счастью, процесс мутаций в митохондриях происходит постепенно, и, как оказалось, его не так сложно наблюдать другим способом. Мутации возникают в индивидуальных молекулах ДНК, находящихся в индивидуальных митохондриях. Однако у большинства людей последовательность ДНК во всех митохондриях всех клеток тела в точности одна и та же. Здесь возникает некий парадокс. Новая мутация может возникнуть только в одной молекуле ДНК одной митохондрии одной клетки — так как же ей удается разойтись по всему телу?
Чтобы мутация передалась следующему поколению, она должна возникнуть в незрелой половой клетке, одной из тех, которые после серии делений образуют яйцеклетки. Мутации возникают и в разных других клетках тела — в коже, костях, крови и так далее,— но из этих клеток они не могут быть переданы следующим поколениям, а значит, такие мутации не играют никакой роли в эволюционных процессах. По-видимому, происходит следующее: каждый раз когда незрелая половая клетка делится, каждый раз она забирает с собой только часть митохондрий. Если той митохондрии, в которой произошла новая мутация ДНК, удастся преодолеть этот барьер, то в результате это может привести к изменению уже большего процента митохондриальной ДНК в новых клетках. По мере того как разделятся и эти клетки, появляется шанс, что новая мутация еще продвинется, и так далее.
От одного поколения до другого незрелая половая клетка претерпевает в общем и целом двадцать четыре деления. Это двадцать четыре шанса на распространение новой мутации; только в редких случаях этого может хватить, чтобы мутация полностью «захватила» весь организм за одно поколение. Чаще у ребенка, который разовьется из этой яйцеклетки после ее оплодотворения, будет иметься сочетание двух митохондриальных последовательностей: старой, той же самой, что и у его матери, и новой, которая появилась как новая мутация где-то в одной из митохондрий незрелой половой клетки его матери.
Мы очень тщательно просмотрели результаты нашей работы, все расшифрованные нами за последние несколько лет последовательности, стараясь обнаружить смесь митохондриальных последовательностей у одного и того же человека. Такие случаи действительно были, приблизительно у 1,5% обследованных мы нашли смесь двух митохондриальных ДНК. Затем мы проследили судьбу этих смесей в семьях и обнаружили, что новой мутации было достаточно в среднем шести поколений, чтобы установиться в своих позициях полностью. Помните необычный случай с российским императором, у которого в клетках костей была смесь двух разных митохондриальных последовательностей? По всей видимости, это и была переходная стадия, когда новая мутация боролась за свое место. В результате она его и заняла окончательно, в чем мы могли убедиться, исследуя клетки современных нам родственников царя, например, князя Трубецкого. Насколько мы могли судить по своим образцам, такой результат не был стопроцентной неизбежностью — некоторые новые мутации прекрасно чувствовали себя в одном-двух поколениях, но затем незаметно исчезали. Мы непосредственно наблюдали процесс возникновения и распространения новых мутаций, и на основании этих данных появлялась возможность оценить частоту возникновения мутаций, избежав при этом трудностей и осложнений, связанных с точной датировкой давно прошедших событий, вроде эволюционного разделения человека и шимпанзе. Эта независимая оценка, хотя и приблизительная, соответствовала частоте мутаций, которую мы использовали в своей работе. Так мы ответили и на второе критическое замечание. Митохондриальной ДНК удалось сохранить незапятнанную репутацию.
Вопросы, которые Лука задавал в своем письме и на которые мы ответили, были серьезны и по-настоящему важны,— они касались нового исследовательского метода, а само исследование к тому же претендовало на пересмотр принятой версии доисторических событий. Эти вопросы должны были возникнуть, это было правильно. То, что произошло после, поставило под угрозу не только нашу работу по Европе, но и все эволюционные исследования, использовавшие митохондриальную ДНК, которые когда-либо проводились на человеке. Нам пришлось иметь дело с рекомбинациями.
Почему хромосомы ядра клетки не используют для того, чтобы прослеживать эволюционную историю? Говоря коротко, это слишком трудно из-за того, что они имеют обыкновение перемешиваться, перетасовывая всю генетическую информацию в каждом поколении. До того момента, когда зародышевые клетки начинают свое последнее деление, в результате которого образуются гаметы (сперматозоиды или яйцеклетки), хромосомы живут каждая своей жизнью, не обращая особого внимания на соседок. Однако во время последнего деления все меняется: пары хромосом, унаследованные от родителей — по одной от каждого — сближаются, точно спаривающиеся червяки, и начинают обмениваться фрагментами ДНК. После этих объятий они отдаляются друг от друга и расходятся в разные гаметы. Теперь это уже не прежние хромосомы, а своего рода мозаика ДНК. Произошло то, что в генетике называется рекомбинацией.В ней-то, в конечном итоге, и кроется причина образования пола как такового. При помощи рекомбинации происходит образование новых и лучших генных сочетаний, которые способствуют успешной эволюции.
Для ученых в рекомбинации есть свои преимущества. Она очень помогает при серьезных наследственных заболеваниях для картирования генов в специфических хромосомах, трудно переоценить и ее роль в расшифровке генома человека в целом. Но если вы занимаетесь тем, что прослеживаете ДНК через поколения, рекомбинация — это большая помеха. Почему же митохондриальная ДНК так отлично подходит для изучения далекого человеческого прошлого? Да именно благодаря той своей особенности, что информация, которую она несет, неперемешивается путем рекомбинации. Последовательности митохондриальной
ДНК у меня и моих прямых предков по материнской линии не имеют отличий, за исключением тех, которые возникают при мутациях — по одной за каждое тысячелетия. Если бы здесь происходила рекомбинация, нам пришлось бы иметь дело не с одной цепочкой митохондриальных предковых последовательностей, а с целыми десятками. В этом случае все, чего достигла митохондриальная генетика, было бы поставлено под сомнение.
И вот, в марте 1999 года в престижном издании Королевского общества «Proceedings of the Royal Society»появились две статьи, в которых доказывалось наличие рекомбинации в митохондриальной ДНК. Публикации вызвали потрясение во всем научном мире. Первые страницы широкоизвестных научных журналов «Science» в Вашингтоне и «Nature» в Лондоне были посвящены тому серьезнейшему вызову, который был брошен митохондриальной ДНК. Если бы оказалось, что рекомбинация действительно существует, как говорилось в статьях, то это означало бы, что все результаты, достигнутые с помощью митохондриальной ДНК в изучении эволюции человека за последние десять лет, полностью теряют свое значение.
Широкий отклик и известность, которые получили эти две публикации, объяснялись не только их содержанием, но и огромным авторитетом одного из авторов: Джон Мэйнард Смит, признанный глава биологов-эволюционистов Британии, автор учебников, монографий и других солидных научных трудов, который, несмотря на свои восемьдесят с лишним лет, по-прежнему представляет активную и значимую величину в науке. Раз уж такой известный и выдающийся деятель, который вдобавок, по всей видимости, не преследовал никаких корыстных целей, возвысил свой голос, это означало смертный приговор нам и всем, кто еще работал в нашей области — в том случае, если обвинения в адрес митохондриальной ДНК будут доказаны. Суть дискуссионного выступления Мэйнарда, носящего в основном теоретический характер, заключалась р том, что количество вариаций в митохондриальной ДНК слишком велико, чтобы можно было отнести их за счет одних только мутаций. Это утверждение, само по себе, было не столько доказательством наличия рекомбинации, сколько игнорированием других механизмов, которые могли вызывать то, что, по мнению Мэйнарда, намного превышало прогнозируемое количество мутаций. Аргументация напоминала совет Шерлока
Холмса, который он дает доктору Ватсону в «Знаке четырех»: «Отбросьте все, что не могло иметь места, и останется один-единственный факт, даже немыслимый — он-то и есть истина». Но было нечто, что придавало словам Мэйнарда Смита особую силу, а именно — сообщение во второй опубликованной статье о доказательстве рекомбинации в митохондриальной ДНК, полученной на материале с крошечного далекого острова Нгуна в Тихом океане. Первым соавтором (из шести) второй статьи была Эрика Хагельберг.
Эрика, как вы помните, трудилась в моей лаборатории, когда мы впервые извлекали ДНК из человеческой кости в конце 1980-х годов. После этого она работала самостоятельно, приобрела имя, занимаясь ДНК ископаемых тканей, ее несколько раз приглашали участвовать в качестве эксперта в громких криминальных делах — самым нашумевшим был случай, когда Эрика и ее коллеги извлекали ДНК из останков Йозефа Менгеле, печально известного врача-фашиста, проводившего отвратительные эксперименты на заключенных концентрационного лагеря Аушвиц. В ее послужном списке были и другие интересные случаи, и со временем она приобрела репутацию одаренного ученого. Обе стороны несколько раз предпринимали попытки сломать лед, образовавшийся в последние (трудные для всех нас) дни пребывания Эрики в лаборатории. Но ничего не выходило, отношения оставались натянутыми. Эта напряженность придавала масштаб драме, которая должна была разыграться.