Около 930 тысяч лет назад произошла величайшая катастрофа в истории человечества, о которой мы ничего не знали до сентября 2023 года
Именно такими представляли себе неандертальцев сразу после открытия в 1857 году в Пруссии неандертальцев древних человеческих костей 31 августа 2023 года журнал Science опубликовал статью с интригующим названием «Наши предки почти вымерли?», вызвавшую множество дискуссий как в научном мире, так и в широкой прессе. Исследователи Китайской академии наук (CAS) И-Сюань Пан и Хайпэн Ли создали математическую модель для анализа тысяч современных геномов и обнаружили существование ранее неизвестного узкого места в древней истории человечества.
По результатам их исследования, около 930 тысяч лет назад за очень короткий период число наших предков, участвующих в размножении, сократилось со 100 тысяч до всего 1300 человек – на 99%. Это были, очевидно, реальные люди вида Homo erectus (прямоходящий человек), общие предки современных людей, неандертальцы и денисовцы — немного меньше нас ростом, но с достаточно крупным мозгом, создатели развитой каменной культуры. Кое-где они уже заселили Европу, Азию и Африку. Получается, что речь идет о нескольких небольших группах в разных уголках мира, борющихся за существование на грани исчезновения. Эта борьба за выживание длилась вечность – почти 120 тысяч лет. Лишь 813 тысяч лет назад снова начался бурный рост человечества.
Откуда хайп
Эта работа является хорошим примером того, как работает позитивная шумиха, основанная на научном любопытстве в сочетании с технологическим прогрессом. Огромный интерес к теме обусловлен тем, что подобные исследования позволяют людям заглянуть в себя, прикоснуться к тайнам собственного происхождения: для человека нет ничего интереснее людей. «В журнале Science опубликован удивительный и заставляющий задуматься результат», — комментирует академик Алексей Хохлов. — По современным меркам наши предки в этот период должны были быть занесены в Красную книгу. Широкий научный взгляд позволяет определить место современного человека в великой игре Вселенной и заставляет задуматься о механизмах кризисов и способах выживания в них».
В последние годы палеоантропология стала одной из наук, приносящих самые интересные новости. Нобелевская премия Сванте Паабо в прошлом году была присуждена именно за расшифровку геномов древних людей, включая открытие в сотрудничестве с российскими учёными денисовского человека из знаменитой пещеры на Алтае и доказательство того, что евразийская ветвь человечества имеет гены родственных видов. - Неандерталец и денисовец (См статью «Эволюция человека, квантовая революция и химия в один клик», «Эксперт» №41 за 2022 год). Эта награда является признанием быстрого развития палеоантропологии, основанной на новейших технологиях расшифровки и анализа геномов.
Наряду с философским любопытством к тайнам природы приходит желание технологически освоить механизмы, открытые учеными. Знания о геноме человека и методах его анализа, конечно, будут продолжаться в практических областях, например, в медицине.
У обезьян, в том числе обезьян, 24 пары хромосом, а у человека только 23. Слияние двух хромосом было одной из генетических катастроф, которые могли произойти в результате эволюционного скачка как раз во времена демографического кризиса
Детективная биоинформатика
Материалом для китайских исследователей послужили секвенированные геномы 3154 человек из 10 современных популяций Африки и 40 современных популяций в других частях света. Как известно, генетический материал человека, состоящий из более чем 3 миллиардов буквенных нуклеотидов, был впервые расшифрован благодаря международному проекту «Геном человека» в 2003 году методы, позволяющие собрать геномную книгу из разрозненных кусочков, постоянно совершенствующиеся, приближая к тому моменту, когда геном будет не человека вообще, а отдельного человека, каждого из нас станут кладезем информации для персонализированных лекарство.
Авторы статьи взяли отдельные геномы из доступных баз данных. Их наличие само по себе не означает, что мы можем их разумно читать и анализировать: эти «тексты» слишком велики. Но для этой работы требовался не весь геном, а лишь его часть, необходимая для достаточно строгого расчета того, что ученые называют молекулярными часами. Известно, что чем дальше организмы расходятся в эволюции, тем сильнее различаются их геномы. Следовательно, можно оценить время, необходимое для накопления различий, и определить, когда жил общий предок двух сравниваемых организмов. Проблема в том, что молекулярные часы тикают по-разному в разных частях генома. Например, небольшое количество внеядерной ДНК в митохондриях (энергетических органеллах клеток) меняется быстрее, чем ядерная ДНК. Но даже внутри ядра есть очень консервативные гены, которые трансформируются медленно (потому что эти гены очень нужны и их поломка фатальна), а есть относительно бессмысленные и нейтральные области, где часы идут ровно, без скачков, связанных с развитием важных генов.
Прежде чем взглянуть на тайну происхождения жизни, авторы статьи более десяти лет работали над моделями гораздо более скромных геномов плодовых мух, совершенствуя метод.
Стремясь сократить вычислительные затраты и уменьшить количество ошибок, возникающих при переводе молекулярных часов в далекое прошлое, И-Сюань Пань и Хайпэн Ли выбрали большое, но ограниченное количество областей человеческого генома для анализа, чтобы уменьшить влияние сохранение генов на тактовой частоте.
Не только время, но и размер популяций в разные периоды определяет, сколько изменений накапливается в генах. Если мутации в нейтральных участках генома почти не накапливались ни в одной популяции за сто тысяч лет, значит, людей в то время было очень мало — разнообразия взять было неоткуда, все были родственниками.
Понятно, что полученный результат – это не фиксация факта, а модель. Поэтому некоторые комментаторы настроены скептически. Так, Джанет Келсо, компьютерный биолог из немецкого Института эволюционной антропологии Макса Планка, утверждает, что генетический сигнал «узкого места» силен только у современных африканских племен, а не у людей с других континентов. Это говорит о том, что демографическая катастрофа затронула лишь некоторые популяции предков современного человека. Келсо называет выводы китайских исследователей захватывающими, но говорит, что «вероятно, их следует воспринимать с некоторой осторожностью и продолжать исследования по этой теме».
Тем не менее выводы авторов статьи согласуются с предыдущими предположениями. Десятилетия назад антропологи обнаружили, что человеческая популяция генетически очень однородна по сравнению с другими видами животных, включая обезьян, и заподозрили, что это произошло потому, что наши предки столкнулись с демографическим кризисом. Эволюционный генетик из Принстона Джошуа Экей, очевидно, имеет в виду именно это, когда говорит, что работа «заполняет еще несколько частей головоломки эволюционной истории человека».
В целом современные представления об эволюции описывают ее скорее как цепочку резких скачков, а не как равномерное, длительное накопление мутаций. Более века назад биологи начали изучать процессы возникновения новых видов, появлявшихся прямо на наших глазах. Особенно это проявляется в популяциях, которые в результате изменения условий жизни или изоляции просто проходят через «узкое место», и доминирующими становятся новые характеристики, которые могут потеряться в генетическом разнообразии многих особей. Некоторые из них помогают адаптироваться к необычным условиям и пережить трудные времена.
Доктор Ли и его коллеги обратили внимание на то, что современные люди отделились от других человеческих видов вскоре после описанной ими демографической катастрофы. Кроме того, хорошо известны некоторые радикальные отличия генома современного человека от его древних предков. Так, у человекообразных обезьян, в том числе обезьян, имеется 24 пары хромосом, а у человека — только 23. Слияние двух хромосом было одним из генетических последствий эволюционного скачка, скорее всего, в момент катастрофы. «Все люди с 24 парами хромосом вымерли, и только небольшая изолированная популяция с 23 парами хромосом, к счастью, выжила и передала эту особенность», — говорит Цзыцянь Хао, соавтор статьи. Обычно хромосомные мутации фатальны или приводят к серьезным генетическим дефектам, но в этом редком случае слияние способствовало эволюционному скачку.
В конце кризиса из давно существовавшего прямоходящего человека Homo erectus появился новый, весьма прогрессивный вид — Homo Heidelbergensis, от которого произошли все три популяции Homo sapiens: сапиенсы, денисовцы и неандертальцы. Важнейшим событием в видообразовании гейдельбергского человека, по-видимому, было слияние двух хромосом. Культура также сделала скачок: люди освоили огонь и стали на нем готовить, тем самым набирая гораздо больше калорий.
Что все же произошло и как мы выжили
Выводы авторов статьи можно объяснить историческими климатологическими данными. Описываемая учеными демографическая катастрофа совпала с сильным похолоданием планеты, которое называют переходом к среднему плейстоцену, и со значительным хронологическим разрывом в палеонтологической летописи Африки и Евразии – палеоантропологи находят в слоях очень мало человеческих останков и орудий труда относящиеся к этому периоду. Возможно, именно холод подстегнул эволюцию и помог нам сойти с вершины: популяция наших предков сократилась, а редкие носители необычного генома из 23 хромосом почему-то стали лучше выживать.
Так или иначе, небольшое человечество существовало целых 117 тысяч лет, примерно с 930 по 813 тысяч лет назад. Однако нельзя сказать, что планета обезлюдела: на Земле в это время жили Homo и другие виды, в первую очередь эректусы, первыми распространившиеся из Африки, и их различные потомки с маленьким мозгом. Мы не знаем, что с ними произошло в этот период, но кризис они пережили и впоследствии вымерли.
Палеоантропологи уверены, что когда человечество оказалось на грани вымирания, произошло несколько демографических катастроф. Один из них, как предполагают некоторые ученые, произошел около 1,2 млн лет назад, когда число размножающихся особей в популяции наших предков составляло всего 18,5 тыс. Это также связано с экстремальным похолоданием, продолжавшимся несколько десятков тысяч лет – По недавно полученным данным, Европа тогда была пуста.
Согласно другой популярной теории, человечество пережило «узкое место» 75 тысяч лет назад из-за извержения вулкана Тоба (и последовавшего за ним сильного похолодания), когда репродуктивная популяция внеафриканских сапиенсов сократилась до нескольких тысяч человек. Известно, что африканское население имеет гораздо большее генетическое разнообразие, чем представители других рас.
Насколько велик был риск вымирания, когда осталось всего 1280 предков современного человека (согласно модели из статьи, речь идет не об общей численности, а о количестве особей, внесших вклад в геном будущих поколений, то есть в эту цифру не входят дети, старики и те, кто по каким-то причинам не оставил потомства)?
К 1940 году популяция амурских тигров сократилась до 40 особей, а охотники в 19 веке ежегодно убивали до сотен животных. По переписи 2015 года на Дальнем Востоке осталось всего 523–540 тигров, и риск исчезновения уже не считается слишком высоким. Но естественных врагов, кроме человека, у тигра нет — охота запрещена, а численность популяции зависит только от площади леса и наличия добычи. Обезьяны колобусы, обезьяны, обитающие в реке Тана в Кении, сейчас сократились до 1300 особей и находятся на грани исчезновения из-за вырубки леса. Чтобы спасти редкие виды обезьян, необходимо остановить уничтожение лесов, в которых они обитают.
Сколько человек понадобится, чтобы выжить и продолжить род? Ответ на этот вопрос можно найти в научной литературе. До недавнего времени считалось, что для устойчивого выживания населения необходимы как минимум сотни людей. Но в августе 2023 года на сайте препринтов появилась публикация Эдгара Аргуэлло и его коллег из Университета Джорджа Мейсона, которые смоделировали население для колонизации Марса — как по количеству людей, так и по ролям и персонажам. Исследователи обнаружили, что минимальное требование для поддержания жизнеспособного размера колонии в долгосрочной перспективе составляет 22 особи в исходной популяции, а также обнаружили, что приятные типы личности выживают с большей вероятностью, чем агрессивные.
Хочется верить, что очередное испытание человечества на преодоление «узкого места» на Земле нам не грозит в обозримом будущем.
Больше интересных статей здесь: Технологии.
Источник статьи: Около 930 тыс.