Обсуждение

Генетические расстояния и методы кластеризации. Реконструкция популяционной истории должна опираться на генетическую информацию, отражающую изменчивость всего генома (Barbujani and Bertorelle 2001), что обеспечивается вовлечением в анализ большого числа локусов (Zhivotovsky and Feldman 1995, Goldstein et al. 1996, Jorde et al. 1997). Если в эволюционных исследованиях изучать только небольшую часть существующего разнообразия, то степень разрешения методов анализа может быть невелика и положение ветвей на популяционном дереве может оказаться неточным. Наше исследование опирается на информацию о маркерах, представляющих все хромосомы, и табл. 3 говорит о том, что увеличение числа изучаемых маркеров уменьшает стандартные ошибки оценок времени дивергенции популяций. Анализ, проведенный здесь (рис. 3, 4) и ранее (Rosenberg et al. 2002), показывает, что несколько сот STR-локусов стопроцентно различают континентальные группы популяций друг от друга.

Другие исследования также показывают, что популяции одного региона располагаются близко на популяционном дереве (напр., Cavalli-Sforza et al. 1988, Nei and Roychoudhury 1993, Bowcock et al. 1994, Deka et al. 1995, Takezaki and Nei 1996, Jorde et al. 1997, Pérez-Lezaun et al. 1997, Jin et al. 2000, Watkins et al. 2001), топология которого зависит от того, какие меры генетического расстояния и методы кластеризации использованы. Мы сравнили четыре типа деревьев, построенных методами ближайшего соседа и UPGMA на основе матрицы 52x52 величин F_ST и R_ST и обнаружили, что, как правило, на каждом из них популяции одного региона группируются вместе. Однако генные потоки, популяционная динамики, отклонения от генетического равновесия и другие нарушения предположений, на которых основана интерпретация генетических расстояний, могут привести к смещению оценок времени дивергенции и неверной топологии популяционного дерева. Важно подчеркнуть, что наши оценки времени дивергенции, основанные на T_D, слабо зависят от популяционной динамики и, в отличие от оценок, основанных на других мерах генетического расстояния, не предполагают генетического равновесия популяций.

Возможные сценарии эволюции популяций человека. Укажем наиболее важные особенности генетической изменчивости популяций из различных регионов мира, данные в табл. 1-2 и рис. 5. Во-первых, популяции охотников-собирателей Южной Африки имеют наибольшую генетическую изменчивость (дисперсию числа повторов) – бόльшую, чем другие популяции, в том числе и популяции «фермеров» Южной Африки. И это несмотря на то, что их численность (в среднем, около 50 тысяч, см. Cavalli-Sforza et al. 1994) несравненно ниже, чем популяции «фермеров» (миллионы людей); теоретически, в равновесной популяции генетическая изменчивость прямо пропорциональна численности. Кроме того, в ходе эволюции популяции охотников-собирателей Южной Африки не отличались устойчивым ростом: индекс экспансии, тестирующий устойчивый популяционный рост, незначимо отличается от нуля для популяций охотников-собирателей (табл. 3). Во-вторых, гораздо более многочисленные популяции Азии показывают меньшее генетическое разнообразие, чем африканские популяции (как охотников-собирателей, так и фермеров). В-третьих, индекс экспансии не показывает никакого роста численности популяций Океании и Америки. Более того, хотя нативные популяции Америки имели экологические возможности для роста численности до нашествия белых людей, генетическая изменчивость в них наименьшая среди изученных популяций. В четвертых, наблюдаемое уменьшение генетической изменчивости в направлении «Африка-Азия-Океания-Америка» полностью соответствует дивергенции соответствующих популяционных групп на популяционном древе (рис. 5). В-пятых, как следует из теории (Slatkin 1995, Zhivotovsky and Feldman 1995), для того чтобы обеспечить наблюдаемую максимальную величину генетической изменчивости (напр. 3.45 для STR-локусов с тетрануклеотидными повторами у охотников-собирателей Южной Африки), достаточно иметь эффективную численность, не превышающую 2700, т.е. неизмеримо меньшую, чем численность даже малых аборигенных популяций Южной Африки.

Сколь мала была по численности древняя пра-популяция Южной Африки? Предполагая, что время первого ветвления популяционного древа (возраст корня) – это среднее значение нижней и верхней границ, данных на рис. 5, и что эта предковая популяция была в генетическом равновесии, ее эффективная численность оценивается как 700. Эта оценка, соответствующая данным Pritchard et al. (1999), Zhivotovsky et al (2000) и Tang et al. (2002), меньше по величине, чем оценки, полученные в других исследованиях (напр., 10000 в работе Harpending et al. 1998). Однако полученная нами цифра не отвергает возможности того, что в Африке в то время могли существовать многие популяции Homo sapiens sapiens, но при этом утверждает, что, скорее всего, они были генетически изолированы друг от друга и что современные народы произошли от одной или от малого числа тех древних популяций. Недавние генетические исследования южно-африканских племен, в языке которых имеются щелкающие звуки, показали, что вероятно именно они являются потомками той древней предковой популяции, от которой произошло все современное человечество (Knight et al. 2003).

Что происходило с внутрипопуляционной генетической изменчивостью в ходе эволюции? Согласно данным выше расчетам, современные популяции охотников-собирателей имеют бόльшую эффективную численность, чем древняя африканская предковая популяция, а это значит, что генетическая изменчивость могла неуклонно увеличиваться по мере роста численности этих популяций за прошедшее длительное время. (С другой стороны, эти популяции росли достаточно медленно и, вероятно, флуктуировали в численности, как это характерно для ряда аборигенных народов. Поскольку индекс экспансии более чувствителен к колебаниям численности, чем генетическая изменчивость (дисперсия числа повторов) (Zhivotovsky et al. 2000), то он не достигает значимого уровня в африканских популяциях охотников-собирателей). Аналогичным образом, рост численности в других региональных группах популяций также влек за собой увеличение внутрипопуляционной генетической изменчивости во времени в каждой из этих групп.

Однако темпы роста внутрипопуляционной изменчивости, вероятно, разнились в разных региональных группах. Действительно, в ныне существующих популяциях наблюдается четкий географический тренд в уменьшении генетической изменчивости (табл. 2): от максимальной величины в африканских популяциях и затем все меньшая изменчивость в ряду Азия-Океания-Америка. Этот тренд можно объяснить тем, что каждая новая ветвь популяционного дерева образовывалась небольшой по численности группой основателей. Эта группа несла достаточно изменчивости, чтобы не вызвать эффекта «генетического горлышка бутылки», но в то же время была малочисленной и уменьшала скорость роста этой изменчивости во времени. Поэтому достигшие большей численности более древние популяции Африки наращивали генетическую изменчивость быстрее, чем более молодые популяции Азии, а эти, в свою очередь, – быстрее, чем еще более молодые популяции Америки. Рост численности в популяциях Океании, и, следовательно, рост их генетической изменчивости, мог сдерживаться еще и условиями существования в этом регионе.

Заметим, что эффективная численность древней африканской предковой популяции (~700) могла обеспечить дисперсию числа повторов, равную 2 х 700 х 0.00064 = 0.90 (по тетрануклеотидным локусам), что гораздо меньше наблюдаемой дисперсии в минимальных по изменчивости амазонских популяциях (Karitiana и Surui) – 1.8. Следовательно, дисперсия числа повторов в древней африканской предковой популяции десятки тысяч лет назад была меньше, чем в ныне существующих амазонских популяциях. Этот расчет является дополнительным аргументом в пользу выбора амазонских популяций как модели генетической изменчивости древней пра-популяции: их генетическая дисперсия может быть взята в качестве верхней границы V₀ при датировке первого ветвления популяционного дерева в глубоком прошлом человечества (рис. 5).

Низкая численность древней предковой популяции может также объяснить, почему современные популяции человека не столь генетически разнообразны, как другие родственные виды. Например, разнообразие мтДНК всех людей гораздо меньше разнообразия мтДНК в небольшой группе шимпанзе (Gagneux et al. 1999). Следовательно, эволюционная линия, ведшая к древней предковой популяции, должна была быть небольшой численности (см. Gagneux et al. 1999, Yang 2002), а эволюционного времени, прошедшего со времени экспансии популяций человека, оказалось недостаточно для формирования большого разнообразия. Наши данные (табл. 2) о времени формирования основных популяционных групп (африканские популяции фермеров, Западная Евразия и Восточная Азия) находятся в соответствии с недавними исследованиями (Jorde et al. 1997, Di Rienzo et al. 1998, Excoffier and Schneider 1999, Gonser et al. 2000, Jin et al. 2000, Shen et al. 2000), хотя в ряде работ не отмечалось генетических следов роста численности за пределами Африки (Reich and Goldstein 1998, Jin et al. 2000). В некоторых работах предполагается наличие эффекта «горлышка бутылки» (Kimmel et al. 1998, Watkins et al. 2001, Gabriel et al. 2002), хотя этот эффект и подразделение на субпопуляции может одинаково сказываться на статистических тестах экспансии (Frisse et al. 2001, Reich et al. 2001, Pluzhnikov et al. 2002).

Древность популяций охотников-собирателей Южной Африки. Популяционное дерево рис.5 подтверждает теорию африканского происхождения человека современного анатомического типа, расселившегося по миру через цепочку миграций на Ближний Восток, Европу, Азию, Океанию и Америку. Это качественно соответствует результатам, основанным на данных о мтДНК, Y-хромосоме и аутосомных микросателлитов с динуклеотидными повторами (напр., Bowcock et al. 1994, Ingman et al. 2000, Underhill et al. 2000), хотя не исключен вклад архаичного человека в современный пул генов. Наш анализ указывает на то, что охотники-собиратели Южной Африки являются потомками тех, кто был в корне популяционного дерева, т.е. они потомки наиболее древних популяций (рис. 5). Сказанное подтверждается данными о распределении «приватных» (private) аллелей, т.е. аллелей, которые встречаются только в данной популяции и больше ни в какой другой. Оказалось, что чаще всего приватные аллели есть среди охотников-собирателей, а после них – в популяциях «фермеров» Южной Африки (табл. 4). Это соответствует наблюдению, что популяционно-специфичные гаплотипы, выделяемые комбинациями внутригенных SNP, наиболее часты у афро-американцев, по сравнению с белым и испано-язычным населением Америки (Stephens et al. 2001). Еще одним аргументом в пользу древности популяций охотников-собирателей Южной Африки является максимальное разнообразие аллелей в этих популяциях, в т.ч. внутри-популяционная дисперсия числа повторов: 3.45 ± 0.119 (табл. 2). Хотя эта величина статистически незначимо превышает таковую для популяций «фермеров» (3.31 ± 0.108), она гораздо выше, чем для не-африканских народов: 2.90±0.035, 2.61±0.036, 2.27±0.100, и 2.11±0.070 для Западной Евразии, Восточной Азии, Океании и Америки, соответственно.

Какие из ныне живущих народов Африки являются самыми древними, – это проблема, требующая детального исследования. Анализ RFLP- и SNP-маркеров митохондриальной ДНК (Chen et al. 2000) и полных последовательностей мтДНК (рис. 2 в Ingman et al. 2000) показывает, что San и Mbuti входят в один генетический кластер, а Biaka – в другой. Согласно нашим данным (рис. 5), племена San и Mbuti представляют, вероятно, древнейшие ветви человечества среди изученных здесь популяций. Не исключено, что именно San – наиболее древняя ветвь, хотя различие между временами отделения San, а затем Mbuti по нашим данным статистически незначимо. Эволюционная ветвь, ведущая к племени Biaka, вероятно, отделилась значительно позднее и она гораздо ближе к следующей по времени ветви «фермеров» (Банту) Южной Африки (рис. 4 и 5), хотя на интерпретации наших данных мог сказаться значительный генный поток между популяциями Банту и Biaka (Cavalli-Sforza 1986). Другим генетическим свидетельством древности эволюционной ветви, ведущей к San, являются статистики приватных аллелей (табл. 4), которые достигают максимальных значений именно в популяции San. Далее, наиболее древние линии Y-хромосомы встречаются с высокой частотой именно в популяции San (Underhill et al. 2000, Cruciani et al. 2002, Semino et al. 2002). И, наконец, язык San, включающий щелкающие звуки, вероятно, самый древний среди ныне существующих языков (Knight et al. 2003).

Популяции охотников-собирателей Южной Африки не несут генетических следов устойчивого роста их численности в древние времена: индекс экспансии S_k незначителен и незначимо отличается от нуля (табл. 2), что находится в соответствии с заключением Excoffier и Schneider (1999). В отличие от них, популяции Банту имеют ясно выраженные следы роста численности. Анализ моделей динамики роста дисперсии V и индекса S_k привел к заключению, что наблюдаемые значения этих статистик могут быть объяснены тем, что популяции фермеров-банту стали расти в численности, по крайней мере, 35 тыс. лет назад, когда их эффективная численность была лишь около 2000 (табл. 2), что соответствовало физической численности племен около 6000. Вероятно, данная величина это нижняя граница времени экспансии, поскольку вариации в скорости мутирования могли уменьшить эту цифру и поскольку метод оценки предполагает «скачок» численности: при постепенном росте динамика исследованных показателей замедляется.

Охота и простое собирательство не допускало этого, в результате чего популяции охотников-собирателей «застыли» в своей численности (см., Cavalli-Sforza et al. 1994, p. 106). В тоже время, рост численности африканских популяций «фермеров» мог быть обусловлен техническими достижениями того времени – например, улучшением каменных орудий труда, датируемым примерно 50 тыс. лет (Cavalli-Sforza et al. 1994, p. 64), что хорошо соответствует приведенной выше нижней границе в 35 тыс. лет для экспоненциального роста в эволюционной ветви Банту, а также прежними оценками времени начала роста численности популяций Южной Африки: 70 тыс. лет (Excoffier and Schneider 1999) и 60 тыс. лет (Zhivotovsky et al. 2000).

Заселение других континентов. Каждая из больших популяционных групп (южно-африканские «фермеры», Западная Евразия, Восточная Азия) является мета-популяцией, т.е. состоящей из популяций с определенным уровнем генетического обмена и с общим происхождением. Это подтверждается статистикой приватных аллелей S4, величина которой для объединенных данных по всей системе гораздо выше, чем ее усредненное значение для отдельных популяций (табл. 4). (Сравним эти данные с величинами S4 для африканских охотников-собирателей: 0.89 для объединенных данных San, Biaka и Mbuti против среднего значения 0.85 для S4 в каждой из этих популяций в отдельности; такое соотношение означает их относительную изоляцию друг от друга).

Согласно нашим оценкам, ветвь, ведущая к современным популяциям Океании, сформировалась в период образования популяций Центральной и Южной Азии (рис. 5); археологические находки подтверждают, что человек появился в Новой Гвинее примерно 40–60 тыс. лет назад. Популяции Океании содержат наибольшее число приватных аллелей среди всех не-африканских популяций (табл. 4). Одно из возможных объяснений этого – несколько волн древних миграций из Африки, одна из которых направилась в Океанию (см. Jin et al. 1999) – с последующей длительной изоляцией популяций Океании от континента и, напротив, обменом мигрантами между континентальными популяциями

Наиболее спорным в современной теории эволюции человека – это время заселения Америки: предполагается несколько волн миграций на континент через Берингию от 12 до 40 тыс. лет тому назад. Поскольку археологические данные свидетельствуют об увеличении численности стоянок около 12-ти тыс. лет назад (Nettle 1999) и поскольку индекс экспансии для американских популяций не показывает роста численности (табл. 2), можно предположить, что общий рост численности населения Америки был связан с увеличением числа небольших по объему популяций с незначительным генетическим обменом между ними. Вероятно, некоторые популяции Америки прошли через «бутылочное горлышко»; по крайней мере, это произошло с племенем Surui, для которого индекс экспансии наименьший среди всех изученных нами популяций: S_k = –0.221±0.138. Хотя значение индекса экспансии статистически незначимо отличается от нуля, имеется еще ряд свидетельств тому: Surui наиболее отклоняющаяся из всех популяций в координатах, полученных многомерным шкалированием генетических расстояний (рис. 4), а внутрипопуляционная дисперсия в Surui наименьшая среди всех изученных нами популяций – 1.68±0.139. Кроме того, был обнаружен аллель (под номером 275) тетрануклеотидного локуса D9S1120, который представлен во всех изученных популяциях Америки и отсутствует в не-американских популяциях. Этот аллель практически фиксирован в Surui (частота 0.97), вероятно вследствие генетического дрейфа, и достигает величин 0.2-0.3 в остальных популяциях Америки: 0.30 в Maya, 0.22 в Pima, 0.19 в Colombia, 0.25 в Karitiana. Столь широкое распространение этого аллеля в пределах Америки означает, что он возник среди основателей аборигенного населения Америки.

Указанный аллель 275 локуса D9S1120 можно рассматривать как генетический маркер для популяций Америки. Это наименьший по числу повторов аллель из обнаруженных по этому локусу. Помимо этого аллеля обнаружен еще один в этом же локусе, также встречающийся только в популяциях Америки – на один повтор больше (279). Следующие по размеру аллели (283 и 287) обнаружены в разных популяциях мира, не только в Америке, но частота их очень низкая.

В других популяциях и региональных группах по изученным локусам не были найдены столь четкие специфичные маркеры, как ка маркер 275 для популяций Америки, хотя некоторые приватные аллели были достаточно частые. Например, в Южной Африке имеются два приватных для этого региона аллеля, частота которых превышает 10%, в то время как в популяциях охотников-собирателей имеются свои собственные приватные аллели, частота одного из которых около 16%. В популяции San обнаружено большое число приватных аллелей, два из которых превышают 30%. В популяциях Океании обнаружены два частых приватных аллеля с частотой превышающей 10%, а в каждой из ее популяций (New Guinea и Melanesia) имеются свои собственные относительно частые приватные аллели. В отличие от этого, в Западной Евразии и Восточной Азии приватные аллели редки и не превышают 3%. В популяциях южно-африканских фермеров-банту ни один из приватных аллелей не достигает частоты выше 5%, за исключением одного – около 8%. Ни в одной из указанных выше популяций или региональных групп не найдено маркера, который бы отделил их – однако, эти группы выделяются комбинациями сотен не-приватных аллелей (Rosenberg et al. 2002, и рис. 3-4 данного исследования).

Наши данные демонстрируют очень сложную популяционную структуру и сложную популяционную историю трех наиболее крупных групп популяций – южно-африканских «фермеров», Западной Евразии и Восточной Азии. Это хорошо видно по распределению приватных аллелей: если различные пары популяций или групп популяций объединить, то в них появляются дополнительные, специфические для этих пар приватные аллели. Например, в популяциях южно-африканских охотников-собирателей и фермеров-банту обнаружено, соответственно, 160 и 100 приватных аллелей. Однако если их «слить», то общее число приватных аллелей возрастет до 321; таким образом, имеются 61 дополнительных приватных аллелей, характерных только для выборок из Южной Африки. То же самое обнаружено для не-африканских популяционных групп: Центральной/Южной Азии и Восточной Азии, и Центральной/Южной Азии и Европы (32 и 24 дополнительных аллеля, соответственно). Вероятно это обусловлено миграционными потоками, что находится в соответствии с данными Karafet et al. (1999) и Wells et al. (2001) о том, что центрально-азиатские популяции являются источником миграций в Восточную Азию и в Европу. Аналогичный анализ распределения приватных аллелей показал, что популяции Ближний Востока и Северной Африки аналогичным образом связаны с популяциями Европы и Азии. Анализ приватных аллелей позволяет также выявить сильную связь между популяциями Южной Африки и популяциями Ближнего Востока/Северной Африки, Центральной/Южной Азии и Восточной Азии, что соответствует гипотезе обратных миграций в Африку по данным анализа Y-хромосомных линий (Cruciani et al. 2002), хотя не исключено, что дифференциальная потеря аллелей вследствие генетического дрейфа также внесла свой вклад в наблюдаемую картину распределения приватных аллелей.

В заключение статьи укажем, что изучение распределения в популяциях географически и этнически ограниченных приватных аллелей и аллелей, распространенных широко, т.е. обнаруживаемых в различных этнических группах, в т.ч. географически удаленных друг от друга, позволяет выявить различные стороны популяционной истории: первые представляют генные потоки между популяциями, в то время как широко распространенные аллели позволяют обрисовать глобальную демографическую картину давнего прошлого в истории человечества. Наше исследование обнаруживает четкую генетическую дифференциацию основных региональных групп популяций – Южной Африки, Западной Евразии, Восточной Азии, Океании и Америки – (рис. 3, 4), представляющих большие расы, и выявляет эволюционные взаимосвязи между ними (рис. 5).