Как новосибирские ученые проследили происхождение домашних собак, лошадей и медведей

В прошлом году за исследования древней дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК, наследственный материал) впервые была вручена Нобелевская премия, но в мире таких лабораторий по-прежнему совсем немного. Новосибирские ученые организовали палеогенетическую лабораторию в рамках междисциплинарного проекта, в этом году ей исполнилось 15 лет. За это время в отделе разнообразия и эволюции геномов Института молекулярной и клеточной биологии (ИМКБ) СО РАН были проанализированы сотни древних животных, а количество расшифрованных геномов древних животных Алтая и Сибири составило более десяти, некоторые из этих работ стали мировой сенсацией. О работе лаборатории корреспонденту «Ъ-Наука» рассказали ее ведущие сотрудники.

Во время раскопок в пещерах Алтая археологи находят не только каменные и костяные орудия, но и множественные останки костей. Иногда это крупные фрагменты скелета, но в большинстве случаев их размер не превышает нескольких сантиметров. Чем древнее археологический слой, тем меньше размер кости. Человеческие кости встречаются одна на тысячу, остальные принадлежат разным животным, обитавшим десятки тысяч лет назад на территориях, где жили денисовцы, неандертальцы и первые люди современного облика — Homo sapiens.

Наиболее часто встречающиеся виды животных периода 30–50 тыс. лет назад: бизон, косуля, лошадь, медведь, собака, шерстистый носорог, мамонт, верблюд, гиена, волк. Новосибирские ученые из ИМКБ СО РАН проанализировали ДНК более десяти видов плейстоценовых животных из знаменитой Денисовой пещеры и других алтайских пещер. Их результаты опубликованы в ведущих мировых журналах: Nature, Science, Current Biology, Genes, Plоs One, Mitochondrial DNA.

Бутерброд с динозавром

Первый опыт работы с древней ДНК в начале 2000-х показал, что медицинской стерильности для этих исследований совершенно недостаточно. В древних образцах генетической информации крайне мало, кроме того, она загрязнена бактериями и грибами древних и современных видов. Российские ученые поначалу столкнулись с теми же проблемами, что и ведущая мировая лаборатория палеогенетики в Лейпциге, руководитель которой — ныне нобелевский лауреат Сванте Паабо, который около 20 лет назад, анализируя останки динозавра, прочел ДНК курицы, которая была в бутерброде одного из сотрудников. Все биохимические реакции идут намного эффективнее с современной ДНК: от одного чихания в воздухе лаборатории окажется в тысячи раз больше современной ДНК, чем в косточке, пролежавшей в пещере 40 тыс. лет.

Работа палеогенетика с образцами в стерильном боксе немного похожа на работу космонавтов. Кроме герметичного скафандра на них надеты бахилы, маска, хирургическая шапочка, очки, двойные перчатки. И если в космосе опасность окружает того, кто в него шагнул, в палеогенетической лаборатории опасность — это тот, кто в скафандре, он и есть главный источник загрязнений. Высокая стоимость, необходимость специального стерильного бокса и трудоемкость этих исследований объясняют их небольшое количество в нашей стране.

За 15 лет ученые выяснили, как выявлять и убирать загрязнения с образцов ДНК, чтобы амплифицировать (размножить) именно древние гены животного для дальнейшего анализа, а не какую-то случайную молекулу, попавшую из воздуха на образец. С нуля микробиологами были построены стерильные боксы и закуплено в те годы еще доступное лабораторное оборудование. Вскоре пришло понимание, что если идет работа, например, с ДНК древней собаки, то никто из сотрудников не должен был даже близко подходить к современным собакам, не говоря уже о том, чтобы иметь такого друга в своей квартире. Современные виды не должны пересекаться с древними.

Сегодня уже появились биоинформационные способы достоверно отличить древнюю ДНК от современной, но в течение десятилетий это было огромной проблемой. В этом плане палеогенетикам, работающим с ДНК животных, все же было легче: не так часто в лаборатории встретишь медведя или косулю. А собственный вид Homo sapiens тут, как говорится, в ассортименте: его-то и надо было отличить Сванте Паабо и его коллегам при работе с Homo sapiens neanderthalensis.

Для большинства млекопитающих, эволюция которых насчитывает миллионы лет, 40 тыс. лет — это не срок. Поэтому исследования описывали не то, как эти животные изменились, а то, откуда они пришли и куда ушли,— по митохондриальной ДНК (по материнской линии) костей из разных раскопок, а также по сравнительным анализам современных особей сибирским ученым удалось восстановить пути миграции животных и изменение численности.

Собака Оводова

Первая работа палеогенетической лаборатории отдела разнообразия и эволюции геномов ИМКБ СО РАН вышла в журнале Science в 2008 году и стала настоящей сенсацией. Череп древней собаки был найден в 1975 году известным красноярским ученым и спелеологом старшим научным сотрудником Института археологии и этнографии СО РАН Николаем Оводовым в пещере Разбойничья. Исследователь сразу догадался, что это не волк, поскольку черепа волков разного возраста у него имелись в большом количестве — Николай Оводов интересовался животными четвертичного периода. Кроме того, у волка более ровная линия от лба до кончика носа, а у собаки лоб более выраженный, а морда заметно короче волчьей. Но данные морфологии уступали по надежности генетическому анализу и требовали проверки.

Более 30 лет череп собаки ждал, пока мировая наука разовьется до состояния, когда можно будет расшифровать древнюю ДНК. В ХХI веке генетические исследования полностью подтвердили его гипотезу, и собака стала первым научно подтвержденным доместицированным животным. Вообще-то этот факт не был секретом еще для Киплинга: свою сказку «Кошка, гулявшая сама по себе» он начал с доместикации собаки. Но никто из ученых не мог предположить, что друг человека впервые появился не на сотни и даже не на тысячи лет, а на десятки тысяч лет раньше других домашних животных.

В течение нескольких лет геном древней собаки изучал большой международный коллектив из Финляндии, США, Германии, Испании, Бельгии, Аргентины и России. В числе соавторов — заместитель директора по научной работе ИМКБ СО РАН Александр Графодатский и его ученица, кандидат биологических наук Анна Молодцева. Ученые выяснили, что собаки были одомашнены много раз и не теми людьми, которые стали оседлыми и занялись скотоводством и земледелием, а охотниками, мигрирующими вслед за уходящими ледниками. Причем собаки постоянно скрещивались обратно с волками, путая генетикам стройную картину эволюции.

Радиоуглеродные анализы костного материала показали, что собаки обитали в Разбойничьей пещере 33 тыс. лет назад. До этого считалось, что собаки были приручены в Леванте (общее название для территорий Восточного Средиземноморья — Сирии, Израиля, Ливана, Палестины) примерно 14 тыс. лет назад. Гены алтайской собаки были обнаружены у европейских пород собак спустя 15 тыс. лет. А древние родственники собаки из Разбойничьей пещеры были в Америке до ее открытия Колумбом. Возможно, при освоении континента люди, которые пришли туда из Азии, взяли с собой своих собак. Открытому виду было присвоено название ее первооткрывателя — собака Оводова. Но это не единственный вид древнего животного, который назван в честь этого замечательного ученого.

Лошадь Оводова

Первый фрагмент вида Equus ovodovi был найден Николаем Оводовым в пещерах Хакасии еще в советские времена. Сначала палеонтологи приняли найденные фрагменты за кости кулана или плейстоценового осла, но в 2009 году анализ ДНК в лаборатории Людовика Орландо в Лионе (Франция) показал, что они ошибались. Это оказался новый вид. Ареал лошади Оводова охватывал территорию юго-востока Западной Сибири: Приобское плато, Алтай и Кузнецкий Алатау. Древняя лошадь была очень маленького роста по сравнению с современными и по своей комплекции больше походила на зебру или осла.

Как и в истории с собакой, кости лошади Оводова около 30 лет пролежали в архивах, пока генетики смогли взяться за их исследования. Возраст лошади из Хакасии оказался 48 тыс. лет. А в 2017 году в ходе раскопок Денисовой пещеры в ней также были обнаружены фрагменты костей лошади Оводова, которой было около 36 тыс. лет. Костные остатки лошади Оводова в настоящее время описаны всего лишь из девяти местонахождений. По-видимому, этот вид не был широко распространен, поскольку являлся слишком легкой добычей для древнего человека и всех хищников. Исследователи выяснили, что эти грацильные лошадки обитали на территориях до начала последнего максимума похолодания (LGM — Last Glasial Maximum), примерно от 48 до 25–20 тыс. лет назад.

Первые домашние лошади

В отличие от кулана и лошади Оводова, домашние лошади благодаря миграциям людей широко распространились по Евразии — от Каспийской степи и Волго-Донского региона до Южного Урала и Зауралья, а также степного Казахстана, Монголии и Алтая. Если обнаруженные костные останки лошади Оводова исчислялись единичными фрагментами, то останки хорошо нам знакомой домашней лошади — сотнями. Возраст ее появления несравнимо моложе — всего 5–6 тыс. лет назад. Широкомасштабное полногеномное исследование 273 древних лошадей из разных регионов Евразии определило время и географическое место центра одомашнивания всех современных лошадей. Статья была опубликована в Nature в октябре 2021 года совместно с Центром антропобиологии и геномики Тулузы (Франция). Один из главных авторов этой работы — младший сотрудник ИМКБ СО РАН Мария Куслий.

Сотрудники ИМКБ СО РАН получили 22 ядерных генома древних лошадей Алтая и сопредельных территорий, датированных с верхнего палеолита до раннего железного века. Ученые выявили, что первые домашние лошади появились в Понтийско-Каспийской степи, в низовьях Волго-Донского региона в конце IV — начале III тысячелетия до н. э. Самая древняя из них (ее гены также имеются у современных лошадей) — это ботайская лошадь. Она относилась к ямной культуре, эпоха энеолита (III тысячелетие до н. э.). Ездовых лошадей в те времена не было, животных просто ели.

Основные два гена, по которым шел отбор ездовых домашних лошадей,— это гены, отвечающие за выносливость и послушание. Современные длинноногие лошади совсем не похожи на своих далеких низкорослых предков. Длинные ноги сегодняшних скакунов — это исключительно результат тщательной селекции, которую проводил человек, целенаправленно увеличивая высоту пястной кости лошади. Древние лошади десятки тысяч лет назад были чуть больше осла. А миллионы лет назад их предки были и вовсе размером с собаку, полагают специалисты по эволюционной генетике. Вот такая мегафауна...

Медведь: родом из Сибири

Если все миграционные пути лошадей вели из Америки через Берингов пролив в Европу и Сибирь, а оттуда в Африку, то с медведем дела обстояли с точностью до наоборот. Анализ останков древних и современных бурых медведей с привлечением уже полученных данных международных лабораторий показал, что его родина — Сибирь. Отсюда медведи расселялись в Америку и Японию. Работа опубликована в Biological Journal of Linnean Society.

Останки десяти древних медведей возраста от 40 до 5 тыс. лет назад были доставлены палеогенетикам из Денисовой пещеры на Алтае, а также из Новосибирской области с берегов рек Чик, Чумыш и археологического памятника «Колыванское». Ученые отметили, что чем древнее генетическая линия, тем больше у нее совпадений с современными медведями на других континентах и островах. Древний медведь с реки Чумыш оказался ближайшим родственником линии медведей с острова Хоккайдо.

Медведи с самыми древними генами по одному экземпляру были обнаружены также в Красноярске и Иркутске. Генетический след вел исследователей по карте древних территорий миграции животного. Медведь с реки Чик по своему генотипу лег в основание всех ветвей медведей, распространенных на территории Евразии и Японии. По результатам исследований современных белых медведей ученые выяснили, что бурые медведи на протяжении какого-то времени проживали с ними на одних и тех же территориях и скрещивались. И хотя по составу ядерной ДНК это разные виды медведей, но они даже имели общих потомков, как происходило и в истории эволюции человека, когда денисовцы оставили свой след в геноме неандертальцев, а те — в нашем геноме homo sapiens.

Мария Роговая