Вечность в молекуле: сколько на самом деле может прожить ДНК и где искать геномы древних людей
Ученые начали использовать древнюю ДНК для изучения вымерших животных еще в 1984 году, когда исследователям удалось извлечь два фрагмента ДНК из музейного образца квагги — похожего на зебру вида, исчезнувшего в XIX веке. За последние 40 лет технологический прогресс позволил секвенировать все более древнюю ДНК животных и растений, и текущий рекорд принадлежит образцам возрастом 2,4 миллиона лет из экосистемы Гренландии.
Но может ли ДНК в принципе сохраняться еще дольше? Поскольку ее сохранность зависит от огромного количества environmental factors (факторов окружающей среды), ученые все еще бьются над вопросом, как долго ДНК может существовать теоретически и на практике.
«Сейчас мы знаем, что этот срок меньше, чем предполагали в начале 90-х, но больше, чем считалось в начале 2000-х», — говорит Том Гилберт, директор Датского национального исследовательского фонда «Центр эволюционной гологеномики». — Причина, по которой я так говорю, в том, что начало 90-х было эпохой «Парка Юрского периода».
Научно-фантастический роман Майкла Крайтона «Парк Юрского периода» (1990), в котором миллиардер извлекает ДНК динозавров из насекомых, застывших в янтаре, и воскрешает несколько вымерших видов, стал входным билетом в мир древней ДНК для целого поколения, включая ученых. «Люди начали искать ДНК в окаменелостях Мелового периода [организмов, живших 145–66 миллионов лет назад], — поясняет Гилберт, — но эта ДНК оказывалась, к примеру, бактериальной и не такой уж древней».
В 2012 году Гилберт стал соавтором исследования, которое с помощью статистического моделирования оценило «период полураспада» ДНК в костях и проверило заявления о невероятной сохранности ДНК в образцах времен Мелового периода. Команда проанализировала митохондриальную ДНК в 158 костях вымерших птиц моа, возраст которых был установлен с помощью радиоуглеродного анализа. Изучив, как ДНК разрушалась со временем, ученые обнаружили, что ее «период полураспада» — момент, когда разрушается половина связей в образце, — составляет около 521 года.
Эта модель предсказала, что в идеальных условиях ДНК могла бы сохраняться около 6,8 миллиона лет — этого недостаточно, чтобы мечты о «Парке Юрского периода» стали реальностью.
«Лучшие условия для сохранности древней ДНК — это холод, темнота, сухость и… молодость образца, — объясняет Дженнифер Рафф, биологический антрополог из Университета Канзаса. — Как правило, лучшая ДНК находится в условиях вечной мерзлоты». Это объясняет, почему самая древняя на сегодняшний день ДНК была найдена в 2,4-миллионных sediments (отложениях) Гренландии, а самый древний секвенированный геном принадлежит мамонту из Сибири, жившему 1,2 миллиона лет назад.
Это поднимает вопрос о самом древнем ДНК человека или его близких родственников. Люди эволюционировали в основном в географических регионах, которые являются жаркими и влажными, а сохранность ДНК там плохая. Это ограничивает наши возможности изучать генетику наших далеких предков и родственных видов. ДНК неандертальцев, наших ближайших вымерших родственников, была впервые извлечена в 1997 году из образца возрастом 40 000 лет, найденного в Германии. В то же время древнейшая в мире ДНК родственника человека происходит из испанской пещеры Сима де лос Уэсос («Яма костей»). В 2022 году исследователи секвенировали ДНК из бедренной кости гоминина, жившего 400 000 лет назад, что suggests (предполагает) возможную связь этой группы с неандертальцами и денисовцами.
Данные же древней ДНК из Африки, где происходила эволюция человека на протяжении миллионов лет, пока очень скудны. Из-за проблем с сохранностью древнейшая ДНК из Африки южнее Сахары имеет возраст всего 20 000 лет и принадлежит современному Homo sapiens. Вместе с предсказанным периодом полураспада ДНК это означает, что ученые сильно ограничены в исследованиях генетики наших самых ранних предков.
Однако наука не стоит на месте. Современные прорывы в области палеопротеомики — изучения древних белков — начинают предоставлять крошечные фрагменты генетической информации от родственников человека, живших 3,5 миллиона лет назад. Белки разрушаются медленнее, чем ДНК, и их структура может косвенно указывать на последовательность генов, которые их кодировали. Это своего рода молекулярный палеонтологический детектив, где по отпечатку восстанавливают облик пальца.
Но надежды получить полноценную ДНК от таких видов, как австралопитеки (к которым принадлежит знаменитая Люси), практически нет. «Я не думаю, что мы сможем получить ДНК австралопитеков, — считает Рафф, — потому что все их останки найдены в Африке, а условия там далеки от идеальных».
Гораздо больше оптимизма у ученых вселяет перспектива найти ДНК у более поздних гоминин, например, Homo erectus (человека прямоходящего). «У вас есть Homo erectus в таких местах, как Республика Грузия и Китай, где условия для сохранности ДНК могли быть вполне благоприятными», — добавляет Рафф.
Но даже если experts (эксперты) найдут место с идеальными условиями — холодным, темным и сухим — есть еще один критически важный параметр, который необходимо учитывать, предупреждает Гилберт: является ли уцелевшая ДНК осмысленной для анализа. «Существует минимальная длина последовательности ДНК, которую можно однозначно идентифицировать, — объясняет он. — Если вы возьмете книгу и разрежете ее на главы, вы сможете опознать книгу. Если вы разрежете ее на слова, это будет much harder (гораздо сложнее). Разрежьте на буквы — и это станет невозможно».
Хотя 2,4 миллиона лет — это текущий рекорд для самой древней полноценной ДНК, которую удалось секвенировать, Гилберт не исключает, что в будущем могут быть найдены и более древние образцы, например, под ледяными щитами Антарктиды. «Если честно, спроси меня в 2003 году, как долго может сохраняться ДНК, и любой сведущий человек ответил бы — 100 000 лет. Так что мы уже ошиблись в 20 раз», — заключает он с улыбкой, намекая на то, что в науке никогда нельзя говорить «никогда». Охотники за древней ДНК продолжают свои поиски, и кто знает, какие еще сюрпризы приготовила для нас вечная мерзлота и геологические слои планеты.
