Сообщения об исследованиях древней ДНК уже давно перестали удивлять. Но у любой самой фантастической технологии есть ограничения. После восторгов первых лет и ряда сенсационных результатов, оказавшихся ложными, наступило некоторое отрезвление.
Про исследование геномов динозавров — как мечталось авторам «Парка Юрского периода» — скорее всего, придётся забыть: в костях такой древности от нуклеотидных последовательностей не остаётся ничего. Конечно, сохранность ДНК сильно зависит от условий: есть больше шансов вытащить что-нибудь из костей, лежавших в сухой холодной пещере со стабильным микроклиматом. И всё же в самой идеальной ситуации максимальный возраст, на который могут рассчитывать палеогенетики — 1 млн лет. По крайней мере, такими были теоретические оценки. До недавнего времени древнейшей ядерной ДНК животного, которую удалось прочитать, был геном лошади из канадской многолетней мерзлоты, жившей 560—780 тыс. лет назад.
И вот, наконец, рубикон, похоже, пройден: в Nature опубликована статья о прочтении геномов из трёх мамонтовых зубов, два из которых, по-видимому, древнее 1 млн лет.
Что мы знаем про эволюцию мамонтов? Согласно общепринятым представлениям, эти замечательные животные сформировались, как и наши непосредственные предки, в Африке около 5 млн лет назад, а затем заселили большую часть северного полушария, породив несколько видов: южный мамонт Mammuthus meridionalis, степной мамонт Mammuthus trogontherii, от которого в свою очередь произошли мамонт Колумба Mammuthus columbi, эволюционировавший в Северной Америке, и звезда популярной литературы и кино — шерстистый мамонт Mammuthus primigenius, возникший на северо-востоке Сибири около 0,7 млн лет назад.
Все три зуба, попавшие в руки исследователей, происходят из отложений памятника Олёрская свита, слои которого подробно датированы по фауне и палеомагнитным методом. Образец «Крестовка» строением похож на зуб степного мамонта, и найден в отложениях возрастом 1,2—1,1 млн лет. Второй образец, «Адыча», тоже принадлежал степному мамонту, его вероятный возраст не так уверенно определён — 1,2—0,5 млн лет, но, исходя из особенностей строения, ближе к 1 млн лет. Третий зуб, «Чукочья», относится к ранней форме шерстистого мамонта, ему должно быть 0,5—0,8 млн лет.
Вот из этих-то зубов специалистам и удалось извлечь и собрать из коротких фрагментов значительную часть геномов. Авторы отмечают, что столь древняя ДНК гораздо сильнее фрагментирована и содержала больше повреждений, чем ДНК из «молодых» образцов позднего плейстоцена, с которыми раньше приходилось иметь дело. Тем не менее, учёным удалось, используя новейшие методики, восстановить для всех трёх образцов полный митохондриальный геном (с покрытием более 37х). Ядерный геном — более сложная задача, однако в итоге прочесть удалось 49 млн, 884 млн и 3 млрд 671 млн пар нуклеотидов Крестовки, Адычи и Чукочьи соответственно (для сравнения, длина генома африканского слона — 4,1 млрд пар нуклеотидов).
У исследователей появилась возможность оценить возраст образцов методом молекулярных часов. Поскольку в наличии уже есть мтДНК мамонтов, возраст которых надёжно установлен радиоуглеродным методом, можно сравнить новые ДНК с ними. Зная, что линии африканского саванного слона и мамонтов разделились 5,3 млн лет назад, вычислить скорость накопления мутаций. И по числу генетических отличий рассчитать примерный возраст образцов. По этой методике получилось 1,65 млн лет для Крестовки, 1,34 млн лет для Адычи и 0,87 млн лет для Чукочьи. Сходным методом по ядерной ДНК получилось 1,28 млн лет для Адычи и 0,62 млн лет для Чукочьи (по Крестовке данных маловато для оценки). Заметьте, что, с учётом погрешности, оба раза получились результаты, похожие на ранее имевшиеся датировки «традиционными методами», что намекает на их близость к истине.
Любопытно, что молекулярный возраст образца из Крестовки оказался более древним, чем датировка по биостратиграфии и палеомагнетизму. Либо зуб попал в отложения из более древних слоёв, либо митохондриальные часы в данном случае «спешат». В любом случае, подтверждается возраст более 1 млн лет.
Но кем же хозяева зубов приходились другим, более поздним мамонтам из Европы, Сибири и Северной Америки? Оказалось, что Чукочья и Адыча родственны популяции, предковой для всех мамонтов позднего плейстоцена, а вот Крестовка относилась к другой группе, которая отделилась от общего «мамонтового» ствола до того, как произошло разделение мамонтов Колумба и шерстистого. Это отделение, видимо, произошло более 2 млн лет назад (2,66—1,78 млн лет по мтДНК) — после расхождения с азиатским слоном, но до выделения в отдельные линии любых других мамонтов и до первого появления мамонтов в Северной Америке. Выходит, восток Сибири в конце раннего плейстоцена населяли две отдельные группы мамонтов: одна доселе не описанная и другая — предковая для всех шерстистых мамонтов.
А особенно интересно происхождение мамонта Колумба (кстати, в российских источниках этого мамонта часто называют «колумбийский», что вносит некоторую путаницу: эти животные никогда не водились на территории нынешней Колумбии, а названы так в честь Христофора Колумба). Так вот у мамонта Колумба оказалось многовато примеси, восходящей к популяции Крестовки. Объяснить такую картину возможно только смешением разных линий: колумбов мамонт получился настоящим гибридом, то есть результатом смешения 38—43% от линии «Крестовки» и 57—62% от линии шерстистого мамонта. Такой результат дали несколько разных методик. А сравнив геном мамонта Колумба и шерстистого мамонта из Вайоминга (запад США), исследователи обнаружили следы ещё одного, более позднего потока генов — от шерстистых мамонтов к колумбовым.
Таким образом, геном мамонта Колумба — результат двух событий смешения: за первым последовало второе, добавив еще около 12% от североамериканских шерстистых мамонтов.
Гибридная природа колумбовых мамонтов объясняет, почему все известные мтДНК этих гигантских хоботных попали в диапазон изменчивости их шерстистых родственников. Исследователи высчитали, что «последний общий женский предок» всех мамонтов Колумба жил примерно 420 тыс. лет назад — это минимальная оценка даты, когда произошла гибридизация. Известно, что мамонты жили в Северной Америке уже 1,5 млн лет назад, и значит, до смешения североамериканские мамонты принадлежали к линии «Крестовки». Если учесть строение зубов Крестовки, подтверждается гипотеза, согласно которой древнейшие мамонты Северной Америки произошли от «степно-подобного» евразийского предка.
Ещё одна уникальная возможность, которую даёт исследование геномов разной древности — шанс уточнить детали эволюции исследуемого вида. Известно, что шерстистый мамонт отлично приспособился к жизни в холодном климате северных степей. Но как давно возникли эти адаптации? Исследователи выбрали кодирующие позиции в геноме, в которых у всех шерстистых мамонтов аллели производные, а у нынешних африканских и азиатских слонов — предковые. Среди отобранных аллелей явно должны быть те самые приобретённые мамонтами инновации. Оказалась, что в тех позициях из этого списка, которые содержались в прочтённых частях геномов Адычи и Чукочьи, большей частью уже присутствовали те же производные варианты (85% у Адычи и 89% у Чукочьи). Кроме того, судя по отношению числа несинонимичных замен к синонимичным (то есть меняющих аминокислоту к не меняющим) у особей разной древности, интенсивность естественного отбора у мамонтов в течение плейстоцена не менялись, несмотря на климатические коллизии.
Исследователям известны и некоторые генетические особенности, которые, как полагают, лежали в основе адаптаций шерстистых мамонтов к арктическому климату. Выяснилось, что большинство этих генетических вариантов, связанных с ростом волос, циркадными ритмами, термальной чувствительностью и жировыми отложениями, присутствовали у Адычи и Чукочьи. Авторы сделали вывод, что уже столь древние сибирские мамонты успели, вероятно, обрасти густой шерстью и приобрести морозостойкость. Надо, однако, добавить, что в одном из самых изученных «мамонтовых» генов TRPV3 (вовлечённом в чувствительность к изменениям температуры и в рост шерсти) из четырёх аминокислотных замен, характерных для шерстистых мамонтов, у Чукочьи нашлись только две. Значит, около миллиона лет назад адаптация к морозной сибирской степи ещё продолжалась.
Всё это здорово, но главный результат, на мой скромный взгляд — принципиальная возможность получения ДНК из остатков возрастом в миллион лет и даже больше. Конечно, важную роль в успехе исследования играют экстраординарные условия многолетней мерзлоты. Найти бы в мерзлоте какого-нибудь заблудившегося Homo erectus…
Автор: Александр Соколов