ДНК сквозь века: что анализ древних костей говорит о миграциях, болезнях и судьбах человечества

Вопросы о том, какими были люди тысячи лет назад, волновали человечество во все времена. Заглянуть вглубь веков и узнать, как климат, болезни и миграции повлияли на жизнь наших далеких предков, можно благодаря палеогенетике — науке, занимающейся изучением ДНК из древних останков. Но несмотря на научные достижения, ученые до сих пор сталкиваются с серьезными ограничениями: зачастую древняя ДНК оказывается поврежденной или загрязненной чужеродными молекулами, что ставит под угрозу точность исследований.

Решить проблему удалось сотрудникам Южного научного центра Российской академии наук (ЮНЦ РАН). Исследователи придумали метод, позволяющий эффективно очищать археологические образцы от лишних «загрязнений», в том числе современной ДНК. Подробнее об этом порталу Наука.РФ рассказала соавтор исследования, научный сотрудник ЮНЦ РАН, кандидат биологических наук Ольга Арамова.

Перемывая кости

Сам по себе новый метод не сильно отличается от классических способов, которые применяют для таких исследований. Особых технологий для этого не требуется — достаточно устройств, доступных в любой лаборатории, отмечает эксперт. Главная особенность заключается в использовании специального реагента. Но обо всем по порядку.

Сначала специалисты удаляют верхний слой материала (например, зуба или кости), так как он наиболее подвержен контакту с окружающей средой. Очищенный фрагмент гомогенизируют, чтобы увеличить его площадь контакта с раствором.

Затем идет ключевой этап — обработка. Чтобы удалить биологические загрязнения из твердого материала, авторы добавляют реагент, который они разработали. Раствор не содержит хлор и другие агрессивные соединения, поэтому удаляет только ненужные молекулы, попавшие в образец, а древняя ДНК при этом сохраняется под надежной защитой клеток костной ткани — остеоцитов. Реагент тщательно перемешивают с костным порошком в специальном устройстве, а затем, разделив материал на компоненты в центрифуге, удаляют вместе с чужеродными частицами.

«В результате мы получаем „отмытый“ костный порошок, который используем для извлечения необходимой нам ДНК», — отмечает Ольга Арамова, выступившая соавтором разработки совместно с главным научным сотрудником лаборатории палеогеографии, доктором биологических наук Игорем Корниенко.

«Котел народов»

Впервые опробовать этот метод исследователи смогли на сложных и довольно необычных образцах — костных останках представителей народов, населявших территорию юга России: сарматской и меотской культур (I век н. э.), а также относящихся к эпохе Хазарского каганата (VII–IX вв. н. э.). В коллекцию вошли экземпляры из крупнейших институтов и музеев региона, полученные в результате многолетних раскопок археологических памятников.

«Юг России — это настоящий „котел народов“, уникальное место с невероятным разнообразием населения во все исторические периоды. Как ни странно, до недавнего времени генетически он был изучен крайне мало», — объясняет эксперт.

В масштабный междисциплинарный проект вошли ведущие археологи и антропологи Южного научного центра РАН, Института археологии РАН и других научных организаций. Как отмечает Ольга Арамова, в подобных исследованиях главные вопросы и гипотезы формируют именно историки и археологи, а генетики, используя свои методы, стараются найти на них ответы или предоставить данные для новых интерпретаций.

«Чтобы доказать эффективность раствора, мы искусственно загрязняли древний костный порошок. Затем проводили сравнительный эксперимент: выделяли ДНК из этих специально „испорченных“ образцов двумя способами — стандартным (без предварительной обработки) и с использованием нашего нового подхода», — рассказывает кандидат биологических наук.

Результат превзошел все ожидания: после обработки реагентом ученые получили полностью аутентичный, «чистый» генетический профиль древнего индивида, который заранее определили. Позже подтвердить успех удалось получением патента на изобретение и независимыми проверками в других лабораториях.

Кстати, примечательно, что этот реагент оказался полезен не только в области палеогенетики. Во время пандемии COVID-19 выяснилось, что препарат эффективно борется с новой коронавирусной инфекцией (SARS-CoV-2) и другими патогенами. Это прекрасный пример того, как фундаментальные исследования в одной области могут дать совершенно неожиданные и практически значимые результаты в другой, утверждает ученый.

Этногенетика юга

По словам соавтора проекта, исследование принесло множество удивительных результатов, позволяющих по-новому взглянуть на историю региона. Например, изучив Y-хромосомы и митохондриальную ДНК (мтДНК), ученые смогли установить генетическую связь сарматских генотипов с представителями современной южноазиатской метапопуляции.

«Очень интересным стало подтверждение того, что сарматы, будучи кочевниками с совершенно иной культурой, активно скрещивались с меотами — оседлым населением Нижнего Дона. Это живое свидетельство тесных контактов, несмотря на культурные различия», — комментирует Ольга Арамова.

Что касается меотов, сведений об этих культурах сохранилось немного. Считается, что они жили племенным строем, были искусными воинами и населяли преимущественно территории современных Краснодарского края и Ростовской области. Об их происхождении и внешнем облике достоверных источников нет. Специалисты ЮНЦ РАН выяснили, что генетический профиль меотов указывает на их связи с европейскими и, отчасти, ближневосточными современными метапопуляциями. Скорее всего, у представителей меотской культуры была смуглая кожа, темный цвет глаз и волос.

Третья категория костных образов, оказавшихся в руках исследователей, относилась к представителям Хазарского каганата. Известно, что это было мощное средневековое государство, сложившееся из кочевых и оседлых народов на территории Северо-Восточного Кавказа и между Волгой и Доном в VII–VIII веках нашей эры. Из-за его сложного исторического становления и нехватки письменных источников, многие вопросы, в том числе о происхождении хазар и их внешних характеристиках, в наши дни остаются открытыми.

Изучив находки, генетики Южного научного центра РАН смогли подтвердить полиэтничный характер этого государственного образования. В генофонде представителей древнего народа ученые обнаружили вклад потомков сармато-аланских и, предположительно, меотских групп, а также различных кочевых популяций иранского и тюркского происхождения.

Кроме того, исследования показали, что у хазар были предки из Восточной Азии. У большинства исследованных индивидов (81,8%) была смуглая кожа, темный оттенок волос и глаз. Это косвенно согласуется с некоторыми антропологическими данными, указывающими на монголоидные черты у части населения, и письменными источниками, описывающими «кара-хазар» (черных хазар).

Но, пожалуй, один из самых необычных результатов ДНК-анализа показал, что оставшаяся часть (почти 20%) представителей Хазарского каганата имела нетипичные для этого описания светло-голубые глаза и светлые волосы. Этот факт перекликается с историческими упоминаниями о так называемых «белых хазарах». Такие генетические различия во внешности могут говорить о социальном расслоении, либо сложном этническом составе внутри средневекового государства.

«Мы впервые смогли на детальном генетическом уровне показать сложность и многокомпонентность этногенетических процессов на юге России в рассматриваемый период, отойти от упрощенных схем и увидеть живую, динамичную картину смешений и взаимодействий», — говорит руководитель проекта Ольга Арамова.

По ее словам, раньше подобные анализы представителей культур, населявших южные территории современной России, не проводились. Хотя отдельные попытки изучения предпринимались, настолько комплексный палеогенетический проект, охватывающий широкий хронологический и географический диапазон на юге России, стал первым в истории научных исследований.

«Опечатки» в генах

Как ученым удалось определить у представителей древних народов цвет глаз и волос? Такие данные можно получить благодаря исследованию однонуклеотидных полиморфизмов — еще одному направлению в работе палеогенетиков.

Проще говоря, это самые частые генетические различия между людьми. Если представить, что наш геном — это большая книга, написанная всего четырьмя буквами-нуклеотидами (А, Т, Г, Ц), то SNP — это «опечатка» или замена одной буквы на другую в определенном месте этой книги. Например, у большинства людей в конкретной точке гена находится буква «А», а у других в этом месте оказывается «Г». Это и есть однонуклеотидный полиморфизм.

«Многие такие SNP, расположенные в определенных генах или рядом с ними, напрямую влияют на наши внешние признаки. Существуют хорошо изученные SNP, которые с высокой долей вероятности позволяют предсказать цвет глаз (например, голубые, карие или зеленые), цвет волос (светлые, темные, рыжие), оттенок кожи и принадлежность к той или иной группе крови», — рассказывает Ольга Арамова.

Подобные методы появились сравнительно недавно, около 40 лет назад, и сегодня играют одну из важнейших ролей в генетических исследованиях. Например, их широко применяют в криминалистике, для составления фоторобота неизвестного человека по оставленным им биологическим следам.

«Появление и широкое внедрение палеогенетических методов, позволяющих напрямую анализировать ДНК и выявлять SNP, стало настоящим прорывом. Мы получили инструмент, благодаря которому можно увидеть древних людей такими, какими они были», — подчеркивает эксперт.

Наука XXI века

Хотя эти исследования недавно завершились, на юге России есть еще много уникальных мест, сохраняющих загадки истории. В ближайшее время авторы проекта планируют пополнить коллекцию образцов новыми археологическими находками. Это позволит уточнить выводы по локальным группам и временным срезам.

Кроме того, специалисты намерены более детально изучить отдельные участки генома, чтобы проследить не только популяционную историю, но и адаптацию древнего населения к условиям окружающей среды и образу жизни. Сотрудничество с другими исследовательскими группами поможет расширить ученым данные и создать масштабную картину генетической истории Евразии.

Палеогенетика — это наука XXI века, открывшая людям доступ к ранее недостижимой информации, говорит эксперт. Изучение прошлого с помощью палеогенетики помогает современным людям и в медицине, и в криминалистике, и борьбе с вирусами.

Особое значение для развития этой научной области имеет устойчивое финансирование, обеспечивающее не только доступ к передовым технологиям, но и возможность тщательной, многократной проверки результатов — золотого стандарта работы палеогенетиков. Критически важна синергия умов: тесное сотрудничество генетиков, археологов, историков и биоинформатиков, а также этически выверенный доступ к бесценным коллекциям.

И, конечно, ключевую роль играет подготовка нового поколения исследователей. Будущим специалистам предстоит расшифровывать сложнейшие генетические послания из прошлого. Хотя конкуренция, как и в любой передовой науке, здесь довольно высока, студентам, выбравшим эту научную область, переживать не стоит.

«Не бойтесь „стучаться в двери“: уже на этапе бакалавриата лучше стараться попасть в лабораторию, занимающуюся интересующей вас тематикой, пусть даже для выполнения курсовых работ или волонтерства. Это даст бесценный практический опыт. И откроет перед вами путь к уникальным исследованиям, позволяющим совершить открытия, которые ранее никому не удавалось», — заключает научный сотрудник Южного научного центра РАН Ольга Арамова.

Анна Шиховец