Текст книги "Мир до нас: Новый взгляд на происхождение человека"

Автор книги: Том Хайэм

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]

Наделенный неисчерпаемой энергией и организаторскими способностями, он не только добился продолжения раскопок в Денисовой пещере, начатых Оводовым, но и реализовал в Алтайском крае программу поиска других археологических стоянок. Особое внимание он уделил бассейнам двух крупных рек – Ануй и Урсул. Двадцать с лишним лет его экспедиции выявляли в этих местах новые стоянки. К нынешнему дню на участке около 100 км² на северо-западе Алтая было найдено 10 стоянок на открытой местности и 6 – в пещерах. Для работы с огромным количеством обнаруженных материалов и публикации результатов Анатолий сформировал междисциплинарные исследовательские группы. По мере ускорения темпов открытий растет и расположенный в новосибирском Академгородке Институт археологии и этнографии.

Академгородок был основан в 1957 г. в пригороде Новосибирска специально для размещения множества научных институтов и трудившихся в них ученых, число которых достигало 65 000 человек. В советское время они жили и работали в привилегированных, по сравнению с большей частью населения, условиях. После перестройки и распада Советского Союза положение Академгородка и его обитателей заметно ухудшилось, но со временем туда начали поступать инвестиции, и городок ожил. Бывая там, я каждый раз замечаю, как город меняется и ввысь возносятся новые здания. Обычно я предпочитаю останавливаться в небольшом институтском музее, при котором имеется три по-спартански обставленных комнаты для гостей, нежели в, как правило пустующей, еще советских времен гостинице «Золотая долина», где в мой первый приезд приходилось ждать полчаса, чтобы «горячая» вода стала хотя бы теплой, и где мне постоянно казалось, что номер напичкан «жучками», вмонтированными в стены в эпоху холодной войны, чтобы подслушивать разговоры постояльцев. (Говорят, что за последнее время условия в «Золотой долине» стали получше.)

В музее хранится часть сокровищ, добытых новосибирскими экспедициями за несколько последних десятилетий: палеолитические ручные рубила и кремневые ножи, находки из монгольских кладбищ и курганов Бронзового века. А в плексигласовых саркофагах, укрытые от света черными покрывалами, покоятся легендарные татуированные скифские ледяные мумии, у которых сохранились кожа и волосы. Когда мне во время ночлега в музее, недалеко от этих потрясающе сохранившихся мумий, случается проснуться среди ночи, я всегда чувствую, как по спине бегут мурашки… Слишком много фильмов ужасов довелось мне посмотреть в детстве.

Благодаря усилиям Анатолия и его сподвижника Михаила Шунькова, раскопки в Денисовой пещере идут непрерывно с середины 1980-х гг., причем с начала 1990-х гг. увеличился и объем работ. Поначалу все внимание археологов было приковано к центральному залу – просторной (10 м в высоту, 11 м в длину и 9 м в ширину) сводчатой полости в толще мраморизованного известняка. В 1982–1983 гг. здесь были сняты верхние слои отложений, относящиеся к эпохе голоцена (последние 10 000 лет). Позднее, в 1984 г., а затем в 1993–1995 гг., 1997 и 2016 гг., ученые приступили к исследованию нижележащих слоев.

Рис. 8. Схема залов и областей раскопок в Денисовой пещере. Серым выделены нетронутые участки недавнего голоценового культурного слоя

В 1984 г. в центральном зале у нижнего края раскапываемого слоя 22 был найден сильно стершийся, но хорошо сохранившийся человеческий молочный зуб-моляр, явно не похожий на зубы «современных» людей; несколько исследовательских групп усмотрели в нем сходство с зубами неандертальцев. Впрочем, уверенности ни у кого не было, и находку обтекаемо назвали зубом древнего человека, имея в виду, что это действительно был человек, но не такой, как мы. Тридцать с лишним лет спустя этот зуб будет изучен с использованием передовых методов анализа древней ДНК и окажется, что он принадлежал человеку незвестного доселе вида – денисовцу. На сегодняшний день зуб, получивший название «Денисова 2»^{91}, является древнейшим фрагментом человеческих останков, найденным в Алтайском крае^{92}. Генетический анализ позволил установить, что зуб принадлежал девочке, лишившейся его в возрасте 10–12 лет.

Раскопки прилегающих залов начались позднее. Южный зал раскапывали в 1999–2003 гг., и в 2017 г. работы были возобновлены, а в восточном зале раскопки ведутся с 2004 г. и до наших дней. За прошедшие годы во всех частях пещеры было сделано много других чрезвычайно интересных находок. В 1998 г. в слоях верхнего палеолита был обнаружен совершенно неожиданный для этого периода фрагмент обработанного темно-зеленого камня хлоритолита, вероятно являющийся обломком браслета; его возраст может составлять от 35 000 до 45 000 лет. Как правило, подобные изделия из полированного камня встречаются в отложениях значительно более поздней эпохи, неолита (новый каменный век, ~6000–5000 лет до н. э.)^{93}, когда возникло и начало распространяться сельское хозяйство. Однако браслет был найден гораздо глубже неолитических отложений, хотя нельзя исключать, что за бесчисленное множество веков он мог погрузиться в землю либо под действием просачивающейся воды, либо будучи втоптанным животными, что порой случается в пещерах. Раскопки показали, что в Денисовой пещере и во многих подобных ей животные, в том числе пещерные медведи, обитали чуть ли не все последние 200 000 лет. Случалось, что, устраивая лежки, они разрывали землю, при этом сдвигая археологические отложения и артефакты с их законных мест. Впрочем, Анатолий был уверен, что обломок браслета не претерпел значимых перемещений. Если он и впрямь настолько древний, как считается теперь, то нас ждут очень серьезные и неожиданные выводы. Возможно, нам придется переосмыслить данные о времени введения в обиход различных орудий труда и целях их применения.

Рис. 9. Зуб «Денисова 2», найденный в 1984 г. при раскопках в центральном зале

Одна из самых любопытных особенностей костного материала, до сих пор обнаруживаемого в Денисовой пещере, – его фрагментарность. Около 95 % костей разломаны на такие мелкие части, что не удается не то что определить вид животного, которому они принадлежали, но даже понять, чьи они вообще – животных или все-таки человека. Возможно, виновниками этого следует считать главных доисторических хищников этих мест – гиен, хотя медведи с волками также внесли свою лепту в разрушение останков. У гиен настолько мощные челюсти, что они разгрызают кости на мелкие кусочки, которые затем перевариваются в пищеварительном тракте. В Денисовой пещере часто попадаются кости со следами погрызов или пережевывания; кроме того, многие обломки разъедены желудочным соком животных. Случается, что гиены поедают и оленьи рога; в этом случае желудочный сок растворяет их острия. Проходя через пищеварительный тракт гиены, рога претерпевают довольно необычные изменения, и такие обломки, попадающиеся в археологических отложениях, вполне можно принять за обработанные людьми наконечники копий^[21].

Хотя в это и трудно поверить, но гиены, которых мы воспринимаем исключительно как африканских животных, некогда были широко распространены по всей Евразии. Таксономия определяет евразийских гиен как Crocuta spelaea, или Crocuta crocuta spelaea, что переводится как «пещерная гиена». Такое название этим животным дали потому, что они по возможности устраивали себе логовища и выращивали детенышей в пещерах. Судя по всему, популяция гиен в то время делилась на два основных таксона, европейский и восточный; зона обитания последнего охватывала и Алтай^{94}. Довольно часто следы пребывания гиен обнаруживаются в тех же самых пещерах, которые занимали люди. Из этого можно со значительной долей уверенности заключить, что люди и хищники конкурировали между собой за обладание пещерами. Представляю, какую тревогу испытывал охотник-собиратель каменного века, когда, после каждого похода за провизией, вынужден был проверять, не поселилась ли в пещере гиена и не залег ли там в спячку медведь в его отсутствие.

В те времена в Евразии обитали и другие животные, в том числе плотоядные, потомков которых мы теперь встречаем лишь в Африке. По всему континенту обнаруживаются останки пещерных львов и леопардов, а также шерстистых носорогов. Этих видов больше нет на Земле, но причины и обстоятельства их вымирания в этих регионах до сих пор не выяснены. Чаще всего объяснение сводится к изменению климата или охотничьей деятельности человека. Возможно, сказались оба фактора.

Исследование всей глубины археологических отложений в Денисовой пещере, в которой было выделено 22 культурных слоя, позволило нам понять, как менялись обстоятельства жизни людей на протяжении более чем 300 000 лет: что они ели, какого рода орудия делали и каким был климат той или иной эпохи. Тысячи выкопанных костей животных многое рассказали нам о погодных условиях в здешних местах в то время, ведь некоторые из представителей фауны были весьма чувствительны к состоянию окружающей среды^{95}. Такие звери, как благородный олень, способны выжить лишь в сравнительно теплом климате, а, скажем, мамонт, шерстистый носорог и северный олень без труда приспосабливались к холодам. Какие-то животные предпочитают открытые степные ландшафты, а другие – лесные заросли. Немало информации также приносит изучение найденных в отложениях частиц пыльцы. В Денисовой пещере была выявлена пыльца по меньшей мере 30 видов деревьев и примерно такого же количества видов трав и кустарников, что позволило ученым смоделировать смену местной растительности вследствие перемен климата. Теперь мы определенно знаем, что за 300 000 лет климат в тех местах не раз изменялся, и весьма существенно, и, конечно, это не могло не сказываться на образе жизни людей.

Рис. 10. График изменения климата на протяжении последних 300 000 лет, составленный по содержанию изотопов кислорода в морских фораминиферах. Чем выше пик, тем теплее

Как же нам реконструировать природу этих климатических сдвигов, понять, происходили ли они очень резко или в более щадящем режиме? К счастью, мы располагаем несколькими сводками глобальных изменений климата за этот период, созданными на основе содержания изотопов кислорода в глубоководных донных осадках и годовых слоев льда на полюсах. У кислорода есть два основных изотопа: ¹⁶O и ¹⁸O; в ядре ¹⁸O содержится на два нейтрона больше, поэтому он тяжелее. При испарении морской воды в атмосферу преимущественно уходит ¹⁶O, а вода все больше насыщается ¹⁸O. Изменение пропорции содержания изотопов называется фракционированием. Фораминиферы, одноклеточные животные с наружным скелетом, на протяжении своей жизни достоверно регистрируют соотношение изотопов кислорода: чем теплее окружающая среда, тем выше в них содержание тяжелого ¹⁸O. Умирая, они оседают на дно и становятся частью морского ила. За многие тысячи лет этот осадок составил летопись из бесчисленного количества страниц-слоев. Ученые берут пробы осадка, извлекают из него фораминиферы и определяют, как меняется содержание изотопов по мере углубления в осадочную толщу. Мы также в состоянии датировать эти изменения, составляя, таким образом, продолжительную морскую палеотемпературную сводку.

Испарившаяся дождевая вода поднимается в атмосферу, охлаждается, перемещаясь в высокие широты Земли, и конденсируется. Если из океана испаряется больше воды, содержащей ¹⁶O, то в виде дождя или снега конденсируется больше воды с ^l8O. Эта разница особенно заметна при более низких температурах, и потому изотопный состав кислорода снега и льда в полярных областях может дать нам достоверные сведения о температуре на полюсах Земли. Повышенное содержание во льдах ¹⁸O указывает на холодные климатические периоды, а его уменьшение – на теплые. Подобное исследование было проведено в Гренландии: в ледяном щите толщиной свыше 3000 м пробурили скважину вплоть до скального основания и извлекли множество ледовых кернов. Определяя уровень изотопов кислорода в CO₂, содержащемся во льдах, ученые составили график температурных вариаций за 125 000 лет. Аналогичное исследование в Антарктиде дало нам информацию об эпохе продолжительностью не менее 800 000 лет.

Эти разнообразные научные свидетельства позволяют представить, как менялись климат и окружающая среда в районе Денисовой пещеры на протяжении длительных отрезков времени. Случались периоды, когда условия были такими же, как в наши дни, или даже теплее, и тогда весь Алтай покрывался широколиственными лесами (период 5е на рис. 10). Первые денисовцы явились в пещеру в начале периода 7, также выдавшегося очень благоприятным. Однако бывали длительные эпохи, когда температура значительно понижалась и климат становился ледниковым^[22]. Лиственные леса сменялись растительностью, типичной для северной тайги или степей, и животный мир был представлен соответственно – леммингами, северными оленями и т. п. Порой климат менялся с ужасающей скоростью. Данные, полученные в ходе бурения в Гренландии, показали, что изменения климатической системы проявляются на шкале тысячелетий очень резко, а поразительные скачки температуры и вовсе происходят за два-три года.

Определить охотничьи предпочтения обитателей Денисовой пещеры можно путем тщательного изучения порезов и следов разделки мяса на костях, обнаруживаемых при раскопках. Пещера расположилась прямо в том месте, где начинается узкое ущелье. Через это место животные обязательно проходили при перемещениях на новые пастбища или миграциях, оно неминуемо должно было привлечь внимание людей-охотников. К тому же здесь обнаружилась одна из редких в регионе пещер, так что это место во многих отношениях оказалось идеальным для заселения. Широкий ряд найденных костяных инструментов и артефактов позволяет заключить, что люди палеолита обрабатывали дерево и шкуры и получали волокна из растений. Позднее, в верхних слоях палеолитического уровня, 45 000 и менее лет тому назад, мы видим появление орудий и артефактов, имевших декоративное значение. К примеру, периодически из земли выкапывают мелкие проколотые пластинки из скорлупы страусиных яиц, которые могли использовать для украшения одежды или надевать на шнурок и носить на шее. В эпоху плейстоцена^[23], в ходе ледникового периода, страусы, как и гиены, были распространены гораздо шире, чем в наши дни. Исследования показали, что они исчезли из Евразии лишь 10 000–12 000 лет назад. Древние люди отыскивали их яйца и делали из скорлупы украшения. Скорлупки яиц страусов возрастом до 40 000 лет обнаруживаются в Сибири, Монголии и Центральной Азии.

Рис. 11. Автор держит в руке пластиковый пакетик с только что найденной в Денисовой пещере замечательно сохранившейся костяной иглой

Денисовская экспедиция также находила зубы лисиц, северных и благородных оленей и бизонов, просверленные для создания украшений. Среди находок попадались просверленный в двух местах фрагмент кольца из бивня мамонта, трубчатые кости птиц с нанесенными в правильном порядке надрезами (для какой цели – неизвестно), мраморные кольца и костяные иглы, в которые можно было без труда продевать нитки и с помощью которых, вероятно, шили меховую одежду, штаны и обувь. Когда в 2016 г. одна из групп, раскапывавших центральный зал, обнаружила там совершенно целую костяную иглу длиной 7,5 см, я как раз находился рядом и видел это своими глазами. Невозможно передать, с какими чувствами берешь в руки только что извлеченный из земли предмет, изготовленный 35 000–40 000 лет назад, столь красивый и изящный. Я часто представляю себе время, прошедшее с тех пор, когда человек далекого прошлого в последний раз держал его в руках, как череду разделяющих нас поколений. Считается, что поколения сменяются через 21–23 года, и это значит, что с тех пор родились, жили и умерли более 1700 поколений. Я думаю о людях, изготовивших эти предметы, об их детях, родителях и дедах, о том, как была устроена их повседневная жизнь.

Что занимало их мысли? Какие надежды они питали, о чем мечтали? Что им приходилось делать, чтобы пережить пугающие изменения климата и условий окружающей среды, так часто и безжалостно дававшие о себе знать на протяжении последних 100 000 лет? А с недавних пор я начал задумываться и о том, что за люди – с антропологической точки зрения – могли сделать тот или иной предмет. Принято считать, что все эти находки были изготовлены руками наших прямых предков из вида Homo sapiens, но, как мы увидим далее, это мнение весьма и весьма неоднозначно.

В июле 2008 г. один из археологов откопал в восточном зале Денисовой пещеры маленькую косточку. Анатолий Деревянко и Михаил Шуньков решили, что она может быть фрагментом останков анатомически современного человека. Кость представляла собой концевую фалангу мизинца особи, которой было где-то 13 лет от роду. Эта кость была зарегистрирована как «Денисова 3».

В следующем году крохотный кусочек этой кости отправился в Германию, где в лейпцигском Институте Макса Планка из нее добыли ДНК. За последние 20 лет в древней геномике произошла революция. В главе 6 мы досконально разберем ее значение для археологии в целом и для мелких фрагментов человеческих останков наподобие «Денисова 3» в частности. Но прежде я хочу рассмотреть ключевые аспекты «генетической революции», объяснить, как устроена геномика и что она может поведать нам о глубоком археологическом прошлом.

5

Генетическая революция

Древняя геномика, или знание о древней ДНК, сыграла революционную роль в изучении человеческой эволюции, а также в археологии: она помогла нам проникнуть в прошлое, вызвав сейсмические сдвиги во всех наших представлениях о нем. Мне посчастливилось быть свидетелем того, как древняя геномика начала совершенствоваться, а затем все более широко применяться. Это совпало с моим приходом в Оксфорд, где я познакомился с сотрудниками Центра биомолекулярной археологии Генри Уэллкома и начал работать с ними. Благодаря им и вместе с ними я мог в подробностях наблюдать развитие данной отрасли. В этой главе я собираюсь представить некоторые довольно замысловатые концепции, которые иногда бывают трудными для восприятия, но позволяют получить общие сведения хотя бы об основах геномики, а они, в свою очередь, очень пригодятся при чтении следующих частей книги. Я очень надеюсь, что, прочитав эту главу, а в дальнейшем увидев мою фразу об идентификации какого-нибудь количества ОНП в древнем геноме, вы сразу поймете, о чем идет речь.

Помню, как в конце 1980-х гг. я впервые услышал о потенциальных возможностях, которые способен дать науке анализ древней ДНК, извлеченной из человеческих костей. Поначалу результаты казались невероятными, а в некоторых случаях даже слишком хорошими, чтобы быть правдой^{96}. Позднее несколько ученых своими трудами доказали, что иногда эти сомнения были оправданными. Случалось, что генетики, работая с костями, по неосторожности загрязняли их современной человеческой ДНК, и в результате анализ давал совершенно бессмысленные данные. В отдельных случаях выяснялось, что нуклеотидные последовательности «древней» ДНК относятся к бактериям с пола лаборатории, а не имеют древнее происхождение. Раздавались призывы к радикальному улучшению лабораторных протоколов и дублированию работ, что могло бы помочь избежать публикации недостоверных результатов^{97}. От нескольких коллег, работающих в этой области, я слышал, что, по их мнению, эти вездесущие загрязнения вообще никогда не позволят извлечь подлинную ДНК древних людей. Они говорили, что даже мимолетное прикосновение к кости одним пальцем несет загрязнение, которое неизбежно проникает в самое «сердце» находки. Мой ныне покойный коллега Роджер Якоби иногда попросту лизал кости, предназначенные для радиоуглеродного датирования, чтобы узнать, не покрыли ли их каким-нибудь консервантом или клеем для сохранности. Интересно, что в 1850-х гг. археологи считали облизывание найденных костей надежным способом их датировки. Древняя кость, в отличие от находок современной эпохи, прилипала к языку, и потому многие исследователи старательно вылизывали кости, чтобы оценить их возраст. Наиболее известным примером такой датировки считается случай с первым найденным неандертальцем, фельдхоферской особью из Германии, упомянутой в главе 3^{98}. А ведь таким облизыванием дело не ограничивается: представьте себе, сколько народу прикасается к найденным костям непосредственно на раскопках или в музеях, и вам станет ясно, что они не могли избежать неустранимого загрязнения^{99}. Исследователи были вынуждены биться над вопросом: как аутентифицировать извлеченную ДНК, чтобы убедиться, что она подлинная, а не попала в объект исследования уже после его обнаружения?

К счастью, за последние годы все заметно изменилось в лучшую сторону. Ученые разработали потрясающие способы устранения загрязняющих веществ и фрагментов ДНК, полученных от других организмов, таких как микробы и бактерии, и выделения для анализа только эндогенной, или исходной, ДНК. Особое внимание уделяется обеспечению чистой среды в процессе извлечения ДНК. В лабораторных помещениях создают повышенное давление, чтобы, когда открывается дверь, наружный воздух ни в коем случае не попадал внутрь. Ученые также носят в лаборатории защитную одежду, чтобы гарантированно избежать загрязнения образцов костей и зубов своей собственной ДНК. При посещении чистой лаборатории необходимо не только использовать одноразовые бахилы или тапочки, предназначенные лишь для данного помещения, но и облачаться в средства индивидуальной защиты для всего тела. Наши тела щедро рассыпают частицы, содержащие ДНК, и крайне важно не допустить их попадания на предметы исследования. Едва ли не параноидальное отношение нескольких исследовательских центров – для нашей истории существенно, что к их числу относятся и лаборатории Института Макса Планка в Лейпциге, – к борьбе со всепроникающим загрязнением является одним из ключевых факторов, обеспечивающих нам сегодня возможность извлечь достоверно подлинную ДНК древнего человека.

Генетики также разработали методику извлечения ДНК с признаками «повреждения» или химического изменения, приобретенными с течением времени и говорящими о том, что она имеет древнее происхождение, а не получена из современных, загрязняющих источников.

Чтобы понять, зачем нужна борьба за чистоту при извлечении генетического материала и как осуществляется это извлечение, необходимо уяснить, что, собственно, представляет собой ДНК. Молекула ДНК похожа на закрученную вокруг воображаемой вертикальной оси веревочную лестницу. Сами веревки образованы чередующимися друг с другом молекулами дезоксирибозы и фосфатной группы. Ступеньки-поперечины формируются из так называемых оснований ДНК, или нуклеотидов: аденина (А), всегда находящегося в паре с тимином (Т), и гуанина (Г) – с цитозином (Ц). Со временем некоторые части ступенек претерпевают химические изменения. Нуклеотид цитозин, например, может превратиться в урацил, который при репликации ДНК связывается не с гуанином, а с аденином. Очень важно, что частота нахождения молекул урацила в ДНК тесно коррелирует с возрастом: чем древнее кость, тем больше в ней обнаруживается вкраплений урацила. При секвенировании ДНК в лаборатории фермент, используемый для расшифровки последовательности, будет указывать на привязку А к Т, а не к Г, с которым всегда связан цитозин^{100}. Таким образом, Ц, словно по волшебству, превратится в Т. Эта замена Ц на Т приводит к повышенному содержанию Т на концах каждой лесенки ДНК. У непосвященных это может вызвать недоумение, но важно знать, что такая диспропорция указывает на высокую вероятность истинной древности цепочек ДНК и, как следствие, отсутствие в них загрязнений со стороны современной ДНК. Генетики способны физически отделять в лаборатории молекулы ДНК с высоким содержанием урацила, являющиеся, как им известно, древними, от загрязненных^{101}.

Кроме того, древние молекулы ДНК с гораздо большей вероятностью будут состоять из коротких цепочек парных нуклеотидов, нежели из очень длинных. Дело в том, что более длинные цепочки оснований, как правило, относятся к современной ДНК и, следовательно, должны восприниматься как загрязнители, тогда как более короткие последовательности стали такими естественным путем из-за возраста и распада. Ученые знают это и, прежде чем приступить к анализу, стараются устранить длинные загрязняющие цепочки ДНК.

Для удаления загрязняющих веществ и повышения концентрации исходной (эндогенной) ДНК используются и другие химические методы, в том числе с применением химических очищающих средств, такие как отбеливание костей перед экстракцией ДНК^{102}. Благодаря этому и другим достижениям науки мы, примерно с 2003 г., можем извлекать из человеческих костей бесспорно древние последовательности ДНК. (Здесь же я должен сообщить, что те из моих коллег, кто ранее был настроен скептически, очень рады тому, что оказались неправы.)

Другим крупным успехом древней геномики стала разработка мощных инструментов секвенирования, которые позволяют надежно секвенировать генетический код чуть ли не на промышленной основе.

В 1990-х гг. ученые преимущественно использовали метод ПЦР – полимеразной цепной реакции. Он не потерял своей значимости и сегодня; так, ПЦР широко применялась для выявления вирусной РНК в ходе исследований, связанных с началом пандемии Covid-19 в 2020 г. Этот метод основан на копировании маленьких фрагментов ДНК с использованием фермента полимеразы и их амплификации – многократного точного воспроизведения, что облегчает их исследование. Метод ПЦР оказался поистине революционным, и его автор Кэри Муллис заслуженно получил в 1993 г. Нобелевскую премию по химии^{103}. Метод дает нам возможность добывать путем амплификации огромное количество пригодной для исследования ДНК. Исходный фрагмент ДНК используется полимеразой как шаблон для синтеза все новых и новых копий. Копия остроумно строится из новых нуклеотидов (оснований), которые связаны друг с другом полимеразой, начиная с так называемых праймеров – отдельных коротких отрезков ДНК (около 20 оснований), которые присоединяются к концу одной из частей фрагмента древней ДНК. Полимераза играет примерно ту же роль, что и застежка-молния, – собирает созданные, так сказать, в пробирке одиночные свободные основания-дезоксинуклеотиды и химически привязывает их к фрагментам ДНК одно за другим, в должном порядке, многократно увеличивая количество исходной ДНК.

На этом рассказ об амплификации можно завершить. Теперь о другом: как не только извлечь хорошо знакомую нам последовательность нуклеотидов – А, Т, Ц, Г (аденин-тимин и цитозин-гуанин), уникальный код ДНК, который формирует двойную спираль, также известную как древо жизни, – но и узнать, что же она означает? Чтобы разобраться в этом, необходимо сперва понять, что такое секвенирование, а для этого нужно вернуться в 1977 г., к разработке первой технологии геномного секвенирования нобелевским лауреатом Фредериком Сэнгером^[24].

Точно выстроить буквенную последовательность ДНК удается благодаря весьма находчивому методу прекращения ПЦР на том самом основании, которое нужно прочитать. Для приостановки реакции добавляются дезоксинуклеотиды другого типа, не способные образовать химическую связь со следующим основанием в последовательности, – так называемые дидезоксинуклеотиды, или ддНТФ.

Рис. 12. Схема полимеразной цепной реакции

Фрагменты амплифицированной ДНК поровну распределяются по четырем колбам, в каждой из которых содержатся дезоксинуклеотиды, включающие в себя одно из оснований: аденин, тимин, гуанин или цитозин. Затем в каждую колбу добавляется определенный ддНТФ, или нуклеотид-терминатор. Итак, в первой колбе содержится только ддНТФ, помеченный аденином, во второй – цитозином и т. д. Таким образом, в первой колбе репликация ДНК продолжится до тех пор, пока реакция не остановится в точке, где к последовательности этого фрагмента ДНК добавляется меченный конкретным основанием ддНТФ. Вы получите четыре колбы, содержащие фрагменты ДНК переменной длины, которые оканчиваются на определенном основании: аденине, тимине, гуанине или цитозине.

Теперь, чтобы выяснить, какую позицию занимают эти основания в общей последовательности ДНК, необходимо количественно определить размеры каждого фрагмента, для чего служит следующая часть сэнгеровского процесса – электрофорез. Это слово всего-навсего означает движение различных частиц под действием постоянного электрического тока в жидкости – в нашем случае, в полиакриламидном геле. Содержимое каждой из четырех колб выливают в четыре отделения с гелем и включают ток. В каждом из отделений фрагменты ДНК перемещаются от отрицательного полюса к положительному. Чем меньше и легче фрагменты, тем дальше они продвигаются, образуя при остановке видимые полосы. В первой емкости будут находиться фрагменты, движение которых прервалось на А, во второй – на Ц, в третьей – на Г и в четвертой – на Т. После завершения опыта последовательность оснований можно прочитать снизу вверх в порядке увеличения массы фрагментов, а затем расположить в правильной очередности согласно известной парности нуклеотидов. Таким образом мы получаем последовательность ДНК – АГТТЦАГЦАТАГА и т. д. Этот метод был использован для создания человеческого генома в амбициозном проекте «Геном человека», который продлился 10 лет и обошелся его спонсорам в 3 млрд долларов.

Рис. 13. Схема секвенирования по Сэнгеру

ПЦР – безусловно, гениальное изобретение – все же имеет определенные недостатки, в частности касающиеся древней ДНК. Загрязняющая ДНК подвергается амплификации с тем же успехом, что и древняя; так удобрения, которые вы вносите в почву своего сада, способствуют росту не только роз, но и сорняков. Именно это на заре применения метода было главным затруднением при анализе фрагментов ДНК, извлеченных из костей и зубов.

Однако технология секвенирования непрерывно совершенствовалась, что сильно изменило положение вещей в области изучения древней ДНК. В авангарде этой революции шла американская биотехнологическая компания 454 Life Sciences. Говорят, что ее руководитель Джонатан Ротберг пришел к мысли об усовершенствовании технологии секвенирования ДНК, когда у одного из его детей начались серьезные проблемы с дыханием. Ротберг был удручен тем, что врачам никак не удается установить природу заболевания – наследственное оно или нет. Предположительно, ответ мог бы дать полный геном. Листая в больнице журнал, Ротберг заметил на его обложке фотографию нового микропроцессора Intel Pentium и подумал, что ускорение секвенирования путем параллельной работы с многочисленными фрагментами ДНК и управление процессом посредством мощной компьютерной системы позволят улучшить генетический анализ. Как итог, он основал компанию 454 Life Sciences, целью которой было повышение скорости секвенирования. Позднее компании предстояло стать ведущим партнером проекта «Геном неандертальца», заключавшегося в секвенировании ядерного генома неандертальского человека^{104}. Это исследование и другие оригинальные научные работы принесли Ротбергу большие деньги. Как известно, часть этих денег он потратил на воссоздание в своем имении на Лонг-Айленде копии Стоунхенджа. Для этого сооружения, получившего название «Круг жизни», потребовалось 700 тонн гранита, доставленного из Норвегии.