Наш загальний предок | Журнал Популярна Механіка

1. Все швидко поріднилися
2. точки сходження
3. Всі ми Рюриковичі і Чингізович
4. Випадкова Єва
5. Все давнє і древнє
6. Як відзначитися в історії
7. Так скільки їх було?

Що означає поняття «останній загальний предок всього людства»? Чи є мітохондріальна Єва і Y-хромосомний Адам - ​​Адамом і Євою Біблії, єдиними прабатьками всіх людей на Землі? Ці питання нерідко задає цікавість публіка, і хоч науці відомі відповіді, зрозуміти їх звичайній людині з позицій побутового здорового глузду не так-то легко.

Останній загальний предок людства, той, з ким кожен житель Землі - від австралійського аборигена до гренландського ескімоса - пов'язаний прямим спорідненістю. Інтуїція підказує, що цей наш спільний пращур мешкав на Землі в якісь фантастично стародавні часи, можливо, мільйон років тому. Однак насправді це не так, що підтверджується не найскладнішими розрахунками.

Все швидко поріднилися

Уявімо собі, що є якась популяція з постійною чисельністю, де з покоління в покоління число особин не змінюється. І уявімо собі, що з покоління в покоління шлюбні пари всередині популяції утворюються випадковим чином, тобто в ній не існує ізольованих підгруп. Кожен самець має рівні шанси скласти пару з будь-самкою і навпаки. Така популяція називається панміктіческой і являє собою широко використовується в біології ідеальну модель, схожа на ідеального газу або абсолютно чорного тіла у фізиці. У панміктіческой популяції кожна пара батьків буде залишати якусь кількість нащадків (наприклад, від 0 до 4), але в результаті виживає кількість особин, яке точно відповідає чисельності батьківського покоління. Тобто кожна пара батьків залишить в середньому двох дітей, що вижили. Це ж можна сказати і про кожну окрему особина з покоління «0»: в поколінні «1» у неї буде в середньому по два нащадка. Значить, в поколінні «2» у цій же особини виявиться четверо онуків, в поколінні «3» - вісім правнуків і т. Д. До тих пір, поки нащадки даної особини не почнуть схрещуватися один з одним, число їх буде зростати як 2 в ступеня N, де N - число поколінь. Тобто дуже швидко, і навіть після початку родинних схрещувань швидкість не сильно впаде. І ось одного разу прийде покоління, кожен представник якого буде пов'язаний прямим спорідненістю з однією з особин покоління «0».

точки сходження

Мітохондріальну Єву і Y-хромосомного Адама правильніше називати точками сходження. Це ті точки на еволюційному дереві, де всі гілки сходяться в один вузол. І така точка сходження є у дерева, побудованого за будь-якого гену. Якщо взяти який-небудь ген на ваутосомах (нестатевих хромосомах), то точка сходження виявиться, як правило, більш давнє, ніж мітохондріальна Єва і Y-хромосомний Адам. Справа в тому, що мтДНК і Y-хромосома мають більш низьку ефективну чисельність. МтДНК є і у чоловіків, і у жінок, причому тільки в одному варіанті, а потомству передається тільки материнська мтДНК. Y-хромосома є тільки у чоловіків і теж лише одна. Ген, що знаходиться на аутосоме, має в чотири рази більшу ефективну чисельність, так як і у самок, і у самців він існує в двох примірниках (варіантах) і потомству передається від обох батьків. Таким чином, можна очікувати, що останній загальний предок (точка сходження) з будь-якого аутосомним гену буде приблизно в чотири рази глибше в минулому, ніж мітохондріальна Єва. За деякими генам точка сходження може перебувати навіть раніше, ніж точка розбіжності предків людини і шимпанзе. Значить, ще тоді існувало дві варіації даного гена і обидва перейшли в популяцію Homo sapiens.

Коли це відбудеться? Підраховано, що перший спільний предок з покоління «0» виникне для покоління, номер якого орієнтовно можна обчислити за допомогою математичного виразу log2P (де P - чисельність популяції). Попросту кажучи, багато поколінь для цього не буде потрібно. Для чисельності 1000 особин це буде приблизно 10-е покоління. Після ще приблизно стільки ж поколінь вже все особини з покоління «0» стануть або загальними предками всіх нині живих членів популяції, або взагалі не будуть мати живуть нащадків (за рахунок перерваних ліній). Для популяції в 100 000 особин момент появи першого спільного предка настає приблизно через 17 поколінь, а через 30 або трохи більше все особини покоління «0» стануть спільними предками всій живе популяції, крім тих, хто взагалі не має живих нащадків.

Схема демонструє, яким чином в результаті генетичного дрейфу різноманітність мтДНК у популяції в кінці кінців приходить до одного єдиного варіанту, носієм якого стають все самки. Цей процес стохастичний, заснований на випадковості, але результат його неминучий.

Всі ми Рюриковичі і Чингізович

З цієї нехитрої математики випливає висновок: за останнім спільним предком як всього людства, так і його великих груп занадто далеко в минуле ходити не треба. З великою ймовірністю все нині живе населення Євразії - це нащадки будь-якої людини, який жив 1000 років тому і мав багато дітей або онуків. Наприклад, численний рід Рюриковичів розцвів приблизно 1000 років тому, з чого можна зробити висновок, що зараз всі російські практично напевно є прямими нащадками Рюриковичів. Навіть якщо врахувати, що вступ членів цього роду в шлюб було обмежено соціальними бар'єрами, мінімального протікання через ці бар'єри було досить, щоб модель спрацювала і гени російського князівсько-царського роду добралися до кожного з нас.

Було Батиєвої навали і проникнення на Русь монголів? Значить, можна сміливо стверджувати, що всі росіяни є нащадками якихось монголів і навіть особисто Чингісхана (про нього трохи нижче). Але як таке може бути? - заперечить хтось. - Адже в російській генофонді монгольських генів практично немає! Так, але це зовсім не доводить відсутність монгольських предків. Вся популяція може складатися з нащадків якогось одного людини, але не нести в своєму геномі його ділянок ДНК. Справа в тому, що при геометричному зростанні кількості нащадків частка генів предка в тій же геометричній прогресії буде спадати. Поколінь через 35 з великою ймовірністю у даного конкретного нащадка не буде більше жодного успадкованого від предка нуклеотиду. Частка решти від предка генів обчислюється в даному випадку як 1 ділити на 2 певною мірою 35. Якщо врахувати, що нуклеотидів у нас близько шести мільярдів, виходить, що ця частка складе менше одного нуклеотиду.

Повідомлялося, що сьогодні серед аборигенів Зеленого континенту вже неможливо знайти чистий австралійський геном. У всіх є європейська домішка, хоча абсолютно незрозуміло, звідки вона взялася у племен, що живуть ізольовано в пустелях. Зрозуміло, що це слід якогось дуже рідкісного контакту, але тепер все корінні австралійці - трохи білі. Справжній геном австралійського аборигена вдалося прочитати лише недавно, але для цього довелося використовувати зразок волосся аборигена, зібраний якимось антропологом понад 100 років тому.

Випадкова Єва

Отже, останній загальний предок людства набагато ближче до нас, ніж можна було б подумати. Зовсім інша справа, якщо ми будемо шукати не просто останнього загального предка, а останнього загального предка по якомусь конкретному гену або по конкретному шматочку генома, скажімо, по мітохондріальної ДНК або Y-хромосомі. Як відомо, ці дві частини нашого геному цікаві тим, що одна з них (мтДНК) передається строго по материнській лінії, а інша (Y-хромосома) - строго по чоловічій. Всі інші ділянки генома ми отримуємо і від батька, і від матері.

Генографічного карта показує, якими шляхами переміщалася людство по світу, вийшовши якось зі своєю африканської прабатьківщини. Дані науки свідчать про те, що предками людей, що заселили Євразію, Австралію і обидві Америки були всього кілька тисяч африканців.

Останній загальний предок по прямій материнській лінії, який традиційно називається «мітохондріальної Єви», знаходиться в минулому набагато далі, ніж просто останній загальний предок. Справа в тому, що кількість нащадків якоїсь жінки по прямій жіночій лінії не має властивість збільшуватися в геометричній прогресії в кожному поколінні, а веде себе зовсім інакше. Воно змінюється за законом випадкових блукань - за рахунок генетичного дрейфу. У кожному поколінні воно може збільшуватися на якусь випадкову величину і на якусь випадкову величину зменшуватися, і ніякої «пам'яті» цей процес не має. Однак ми все одно маємо справу з математично прораховуваної ситуацією, результат якої можна передбачити.

Припустимо, є покоління «0», і в ньому 20 жінок, кожна з яких має свій варіант мтДНК. У наступному поколінні кожна з цих жінок справляє на світло певну кількість (наприклад, від 0 до 4) дочок (синами в даному випадку можна знехтувати). Із загальної кількості дочок в поколінні залишаються знову 20. І якимось жінкам покоління «0» не пощастило: вони дочок не родили або їх дочки не вижили. Таким чином, в поколінні «1» різноманітність мтДНК дещо зменшилася. Так відбувається від покоління до покоління: поступово в популяції залишається все менше варіацій мтДНК. І хоча частота кожного з 20 гаплотипов коливається по закону блукань, приблизно до 30-го покоління з вихідних варіантів залишається один. У цей момент жінка, яка внесла в покоління «0» цей варіант мтДНК, стає мітохондріальної Євою всій живе популяції. Це стохастичний, заснований на випадковості процес, але результат його неминучий: всі, хто живе жінки популяції будуть прямими нащадками по жіночій лінії однієї-єдиної жінки з покоління «0».

З пояснення видно, що мітохондріальна Єва ні в якому разі не є якоюсь єдиною жінкою, яка існувала в далекі часи і від якої всі відбулися. Ні, крім неї жила ціла популяція, і багато хто з жінок покоління «0» теж є предками молодого покоління, але не по прямій жіночій лінії, а вже за посередництвом синів, онуків, правнуків, тобто предків чоловічої статі. Вік у мітохондріальної Єви принципово більше, ніж у просто останнього загального предка. Її відділяє від живе покоління кількість поколінь, приблизно дорівнює кількості особин в популяції.

Правда, варто обмовитися, що всі ці викладки мають відношення до ідеальної панміктіческой популяції. В реальності міграції, ізоляція частини популяції на інших континентах і островах - все це може впливати на процес і збільшувати число поколінь. Проте в реальній історії повна ізоляція якщо і буває, то довго за мірками антропогенезу зазвичай не триває. Населення Америки 10-12 тисяч років перебувало в майже повній ізоляції від населення Євразії, але потім приплив Колумб, і обмін генами продовжився.

Все давнє і древнє

До недавніх пір виходило, що і мітохондріальна Єва, і Y-хромосомний Адам приблизно «одновікових» і обидва жили в Східній Африці 180-190 тисяч років тому. Але, можливо, ця оцінка ґрунтувалася на неповному знанні про генетичному різноманітності людства. Досить знайти в нетрях тропічної Африки якогось одного людини з невідомим раніше варіантом мтДНК (якесь дуже давнє відгалуження), і Єва відразу стане древнє. Нещодавно було повідомлення, що у чорношкірого жителя США провели аналіз ДНК і виявили невідомий раніше тип Y-хромосоми. А це означає, що «постаріти» доведеться Y-хромосомного Адама.

Як відзначитися в історії

Що стосується Y-хромосомного Адама, то можна очікувати, що, оскільки в різних культурах час від часу виникає полігінія, гаремна система, і можливі ситуації, коли один чоловік може залишити тисячі нащадків, різні варіанти Y-хромосоми будуть витісняти один одного швидше, ніж різні варіанти мтДНК. І тому Y-хромосома може часом дуже швидко поширюватися. Цікава наукова робота була пророблена в 2003 році, коли генетики проаналізували Y-хромосоми у дуже великої кількості популяцій сучасних азіатів і виявили один її варіант, який виник близько 1000 років тому і присутній у 8% чоловіків в 16 популяціях. Загальна чисельність носіїв гена становить приблизно 16 млн чоловік. Як же міг настільки «молодий» варіант Y-хромосоми так широко поширитися? Випадковим дрейфом, коливаннями частот алелей він таких показників досягти не міг. Отже, йому допоміг відбір, невипадкове, виборче розмноження носіїв цієї Y-хромосоми. За багатьма непрямими ознаками можна припустити, що цей варіант виник або у самого Чингісхана, або у його найближчих предків по батьківській лінії і поширився в результаті завоювань. Цю гіпотезу підтверджує і збіг кордонів ареалу розповсюдження даного варіанту Y-хромосоми з контурами імперії Чінгісхана. Є і спеціальні випадки, які підтверджують цю гіпотезу. Наприклад, в Пакистані живе невеликий народ, люди якого вважають себе нащадками Чингісхана. І саме серед них виявлено високий відсоток «чінгісхановского» варіанту, при тому що у навколишніх племен такої Y-хромосоми немає.

Так скільки їх було?

Але якщо генетичні дослідження не підтверджують біблійний міф про походження всіх людей від однієї пари, то від якої кількості особин відбулося людство? Тут можливі тільки дуже приблизні оцінки, засновані на характері генетичного поліморфізму сучасного людства. Справа в тому, що «пляшкові горлечка» - періоди різкого скорочення чисельності - залишають характерні сліди в геномі, і можна з певною часткою ймовірності прорахувати коливання чисельності предковой популяції в минулому. Розрахунки показують, що предки всього внеафріканского людства зазнали «пляшкове горлечко» 100 000 років тому - це відповідає виходу з Африки невеликої групи «сапієнсів». Предки людей, що заселили потім всю Євразію, Австралію і обидві Америки, мали початкову чисельність порядку декількох тисяч.

Якби популяція скоротилася до однієї пари особин, ми б мали дуже різке згущення точок сходження по різним генам в цей гіпотетичний період в минулому. Але нічого подібного не спостерігається: еволюційні дерева, побудовані за різними генам, йдуть далеко в глиб часів і навіть за момент появи Homo sapiens. Це говорить про те, що чисельність нашої предковой популяції ніколи не знижувалася до екстремально низьких значень. Адамов і Єв було кілька тисяч, а може бути, тисяч 10-20.

Стаття «Адам, Єва і математика» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2013 ).