На протяжении многих лет судьба неандертальцев, близких родственников людей современного типа, вызывала вопросы у исследователей. Что послужило причиной их вымирания, в то время как мы продолжили существовать? Возможно, ответ кроется не в военных столкновениях, а в процессе, который является ключевым для продолжения рода — вынашивании потомства. Новое исследование показало, что гибридные дети, особенно дочери, чаще страдали от потери беременности из-за генетических различий, и это, по мнению ученых, могло способствовать сокращению популяции неандертальцев.
Ученым хорошо известно, что предки Homo sapiens неоднократно пересекались с другим видом людей — неандертальцами (Homo neanderthalensis). Генетические данные указывают на то, что эти контакты не всегда были конфликтными. Известно, что как минимум две популяции этих видов вступали в близкие отношения. Ученые полагают, что между 50 тысячами и 45 тысячами лет назад группы современных людей, покинувших Африку и переместившихся в Евразию, активно скрещивались с неандертальцами.
От таких контактов рождались дети, и часть неандертальской ДНК перешла в популяции современных людей . Это подтверждается генетическими данными: у людей неафриканского происхождения в геноме содержится от одного до двух процентов генов неандертальцев.
Однако этот элемент не передался потомкам — митохондриальная ДНК. Эта незначительная по размеру молекула, выполняющая роль энергетического центра клетки, передается исключительно по материнской линии, через яйцеклетку. Возникает вопрос, почему сапиенсы не получили ее от неандертальских женщин? Если межвидовые скрещивания имели место и рождались потомки, то кто-то из неандертальских женщин должен был передать свой генетический материал следующему поколению. Этот вопрос на протяжении длительного времени оставался одной из ключевых неразрешенных задач палеогенетики.
Международная группа ученых, включающая антропологов, специалистов по эволюционной биологии и генетиков, во главе с Патриком Эппенбергером ( Patrick Eppenberger) исследователи из Цюрихского университета в Швейцарии, вероятно, приблизились к решению этой загадки. Они предположили, что женщины-гибриды, чьи родители были сапиенсы и неандертальцы, нередко теряли своих детей в младенчестве. Это могло быть связано с генетической несовместимостью между матерью и плодом, которая оказывала влияние на красные кровяные тельца.
Внимание специалистов привлек ген PIEZO1. Он имеет важное значение для функционирования эритроцитов, обеспечивая необходимые свойства клеток, способствующих эффективной транспортировке кислорода.
У Homo neanderthalensis и Homo sapiens были разные варианты этого гена. Исследователи назвали неандертальский вариант V1, а вариант сапиенсов — V2. Эппенбергер и его коллеги проанализировали ДНК неандертальцев и современных людей, чтобы выявить различия в одном конкретном гене — PIEZO1. Суть в том, что мы стремились понять, для чего природе необходимо наличие различных версий одного и того же гена.
Ученые разработали модель белка, определяемого PIEZO1. Иными словами, они воссоздали на компьютере его трехмерную структуру и изучили принципы ее функционирования. Благодаря сложному компьютерному моделированию и лабораторным исследованиям с настоящими человеческими эритроцитами, Эппенбергер и его соавторы установили, что белок PIEZO1 у неандертальцев действовал иначе, чем у сапиенсов.
Неандертальцы обладали формой гемоглобина с вариантом V1, которая обеспечивала более прочное связывание кислорода и затрудняла его высвобождение. У людей современного типа вариант V2 демонстрировал меньшую склонность к подобному удержанию».
V1 — доминантный аллель, поэтому, если человек получил одну его копию от неандертальского предка, а другую – от сапиенса, то его кровь проявляла свойства, характерные для «неандертальской»: гемоглобин обладал повышенной способностью к связыванию кислорода.
В первом поколении такие гибриды, как правило, развивались без отклонений, поскольку матери, будь то неандерталка или женщина-сапиенс, не имели генетических мутаций — их генотип был либо V1/V1, либо V2/V2. Однако на втором поколении картина менялась.
Когда у матери-гибрида присутствуют два варианта гена — V1 и V2, а плод обладает двумя копиями гена V2, гемоглобин матери удерживает кислород очень прочно и с трудом передает его плоду. Это препятствует нормальному переносу кислорода через плаценту и потенциально может приводить к недостатку кислорода у плода, увеличивая вероятность выкидыша.
У женщины, являющейся носителем двух вариантов гена — V1 и V2, во время беременности ребенком с двумя копиями гена V2 (оба родителя передали ему этот вариант PIEZO1 — из-за слишком прочного связывания кислорода гемоглобином в крови возникало препятствие для его передачи плоду. Это приводило к нарушению градиента переноса кислорода через плаценту, что ухудшало поступление кислорода к плоду и вызывало гипоксию, увеличивая вероятность выкидыша.
Исследователи научной работы считают, что подобная латентная генетическая несовместимость оказывала незаметное, но непрерывное воздействие на численность популяции неандертальцев. Преобладание сапиенсов приводило к тому, что их гены постепенно распространялись среди небольших неандертальских сообществ. Подобное смешение потенциально могло привести к печальным последствиям для гибридных дочерей, поскольку они сталкивались с потерей потомства.
«Подобные ситуации возникали на протяжении многих веков, ослабляя возможности неандертальцев для сохранения своей численности. Даже незначительный приток генов от сапиенсов в неандертальскую популяцию мог спровоцировать постепенное уменьшение рождаемости и усугубить демографическое снижение», — объяснил Эппенбергер.
Генетические различия практически не повлияли на сапиенсов, поскольку их численность значительно превышала численность неандертальцев. Даже если у некоторых гибридов возникали трудности с зачатием, это не сказывалось на благополучии вида в целом – слишком много других пар успешно рожали здоровых детей.
Помимо этого, когда неандертальцы и люди имели общих предков, неандертальские гены, согласно мнению экспертов, в большинстве случаев передавались по мужской линии. И вариант гена V1, вызывавший трудности с усвоением кислорода, со временем утрачивался – естественный отбор просто «исключил» его.
В геноме современных людей сохранились фрагменты ядерной ДНК неандертальцев (обычно полученные по мужской линии), в то время как митохондриальная ДНК, передающаяся исключительно от матери к ребенку, оказалась практически отсутствующей.
Особое значение открытия заключается не только в его вкладе в палеонтологию. Ученые также подчеркнули, что у современных людей наблюдаются мутации в том же гене PIEZO1 со схожим эффектом. Некоторые случаи необъяснимой потери беременности в современном мире могут быть вызваны точно таким же механизмом — скрытым конфликтом между сродством к кислороду в крови матери и плода.
Несмотря на логичные выводы, к данному исследованию следует подходить с определенной долей осторожности. Прежде всего, ученые проводили эксперименты с клетками в лабораторных условиях и разрабатывали компьютерные модели. Безусловно, это важная работа, однако она не позволяет в полной мере воспроизвести всю сложность живого организма, особенно организма беременной женщины, жившей 50 тысяч лет назад. Процессы, наблюдаемые в лабораторных условиях, могут не повторяться в реальном теле, обладающем компенсаторными механизмами.
Во-вторых, ген PIEZO1 действительно влияет на перенос кислорода, но не факт, что одна единственная разница между вариантами V1 и V2 могла привести к массовым выкидышам и исчезновению целого вида. На выживание неандертальцев наверняка влияли и другие факторы — климат и болезни.
Вполне возможно, что на деле эффект PIEZO1 был очень слабым. Даже если генетическая несовместимость действительно существовала, она могла лишь немного снизить шансы на успешную беременность, а не стать решающим фактором.
Выводы исследователей представлены на сайте препринтов по биологии bioRxiv.org.