Довелось ли нашим предкам жить во времена настоящей Долгой Ночи?
Горстка людей бредет по бескрайним пустошам, заваленным пеплом. Лучи багрового солнца с трудом пробиваются сквозь мутное небо — даже в этих краях, никогда не знавших холода, вечное лето сменилось тревожной прохладой. Нет, эти строки описывают не наше постапокалиптическое будущее — уже состоявшееся прошлое человечества.
Биологические виды постоянно появляются и исчезают. Несмотря на то что видовое разнообразие биосферы в среднем неуклонно возрастает, статистика неумолима: более 99% когда-либо существовавших видов вымерло. Не остались в стороне и люди. Из примерно полутора десятков описанных видов рода Homo в живых остался лишь один, наш с вами — Homo sapiens. При этом уже не одно десятилетие обсуждается гипотеза о том, что и наши предки побывали на самой грани вымирания, едва не разделив судьбу своих менее везучих современников — коренастых неандертальцев, загадочных денисовцев и прочих странных ребят вроде островитян-полуросликов Homo floresiensis.
В нашем митохондриальном геноме довольно ясно вырисовываются следы резкого сокращения численности, произошедшего, по меркам эволюции, буквально на днях — в позднем плейстоцене, не позднее чем 50 тысяч лет назад. Что же случилось с нашим видом в эти тяжкие годы?
Для того чтобы подступиться к этому захватывающему вопросу, нам придется начать издалека. Давайте разберемся в том, как вообще генетики узнают о численности вида тысячелетия спустя.
Молекулярные часы и бутылочные горлышки
Скорость появления новых мутаций у представителя каждого вида примерно постоянна. Из этого мы можем сделать вывод, что генетическое разнообразие популяции зависит от двух факторов — времени ее существования и ее численности. Иными словами, чем дольше существует популяция и чем она многочисленнее, тем пестрее ее генофонд. Если мы вдруг обнаруживаем, что разнообразие генофонда популяции ниже, чем ей положено по возрасту, то это повод кое-что заподозрить. Самым простым объяснением этой таинственной нестыковки будет резкое снижение численности популяции в недалеком прошлом.
При резком и масштабнейшем — в разы — сокращении численности многие генные варианты просто исчезают из популяции вместе со своими невезучими носителями. Ученые, охочие до красивых метафор, назвали это прохождением через бутылочное горлышко. Если популяция заметное время остается малочисленной, то процесс обеднения генофонда неумолимо усугубляется.
При резком и масштабнейшем — в разы — сокращении численности многие генные варианты просто исчезают из популяции вместе со своими невезучими носителями. Ученые, охочие до красивых метафор, назвали это прохождением через бутылочное горлышко. Если популяция заметное время остается малочисленной, то процесс обеднения генофонда неумолимо усугубляется.
 |
Эффект
бутылочного горлышка
Схема: Анатолий Лапушко |
Нейтральные генные вариации, по определению незаметные естественному отбору, в масштабах многочисленной популяции подчиняются закону больших чисел и потому почти не подвержены изменениям. Чем крупнее популяции, тем ниже вероятность изменения их частоты в генофонде. Но, если популяция мала, на первый план выходит Его Величество Случай. Это делает обеднение генофонда неизбежным, ведь в маленьком племени любое демографическое событие приводит серьезным изменениям частоты генного варианта. Молодой кареглазый охотник попался под ноги истеричному гиппопотаму, а его безутешная вдова родила голубоглазую тройню? Цепочка роковых случайностей может навсегда вывести невезучий аллель темных глаз из игры. Подобное неизбежное и абсолютно непредсказуемое обеднение генофондов малых популяций ученые именуют дрейфом генов.
Следы обоих этих процессов и были найдены при исследовании митохондриального генома человека в начале 90-х. Используя данные о скорости мутации митохондриальной ДНК и разнице в ее последовательностях, ученые провели математическое моделирование. Его результаты сходились в том, что примерно 50—70 тысяч лет назад человечество было вымирающим видом, имеющим численность примерно в 10 000 человек.
Конечно, современный читатель, знающий историю медицины и видевший с десяток фильмов про зомби-апокалипсис, тут же скажет, что большую часть человечества запросто могла выкосить пандемия какой-нибудь особенно ядреной заразы. Но нет. Судя по-всему, эпидемические заболевания — сравнительно недавняя проблема нашего вида. Они стали постоянными спутниками человечества лишь после перехода к земледелию, безобразно увеличившему плотность населения и сделавшему возможным быстрое распространение инфекций.
Остается еще одно объяснение — природное бедствие глобального масштаба. Именно такая катастрофа произошла примерно 74 000 лет назад, прямо накануне нашего «бутылочного горлышка». Это — извержение индонезийского супервулкана Тоба. Чудовищный взрыв Тобы создал огромную кальдеру, ставшую сегодня крупнейшим озером острова Суматра, и поднял из нее в воздух около 1000 кубических километров породы. Эти невообразимые горы пепла рассыпались по территории в 40 миллионов квадратных километров (более 1% поверхности планеты), покрыв почти всю Южную и Юго-Восточную Азию. По шкале силы вулканических извержений неистовый Тоба получает восемь баллов из восьми возможных, что ставит его в ряд самых мощных извержений в истории Земли.
Следы обоих этих процессов и были найдены при исследовании митохондриального генома человека в начале 90-х. Используя данные о скорости мутации митохондриальной ДНК и разнице в ее последовательностях, ученые провели математическое моделирование. Его результаты сходились в том, что примерно 50—70 тысяч лет назад человечество было вымирающим видом, имеющим численность примерно в 10 000 человек.
Конечно, современный читатель, знающий историю медицины и видевший с десяток фильмов про зомби-апокалипсис, тут же скажет, что большую часть человечества запросто могла выкосить пандемия какой-нибудь особенно ядреной заразы. Но нет. Судя по-всему, эпидемические заболевания — сравнительно недавняя проблема нашего вида. Они стали постоянными спутниками человечества лишь после перехода к земледелию, безобразно увеличившему плотность населения и сделавшему возможным быстрое распространение инфекций.
Неистовый Тоба
Остается еще одно объяснение — природное бедствие глобального масштаба. Именно такая катастрофа произошла примерно 74 000 лет назад, прямо накануне нашего «бутылочного горлышка». Это — извержение индонезийского супервулкана Тоба. Чудовищный взрыв Тобы создал огромную кальдеру, ставшую сегодня крупнейшим озером острова Суматра, и поднял из нее в воздух около 1000 кубических километров породы. Эти невообразимые горы пепла рассыпались по территории в 40 миллионов квадратных километров (более 1% поверхности планеты), покрыв почти всю Южную и Юго-Восточную Азию. По шкале силы вулканических извержений неистовый Тоба получает восемь баллов из восьми возможных, что ставит его в ряд самых мощных извержений в истории Земли.
 |
Наши дни. Озеро, возникшее на месте Тобы.
Фото: Henrik Hansson Globaljuggler |
Само собой, геологическое событие такого масштаба не могло не повлиять на климат планеты. Первые расчеты, проведенные в начале 90-х, во многом опирались на нашумевшие в предыдущем десятилетии модели ядерной зимы. Они показали, что во время извержения в воздух было выброшено от 1 до 10 миллиардов тонн пепла и сернистых газов. Причем энергии взрыва должно было хватить на то, чтобы забросить все это аж в стратосферу. За пределами промывающегося дождями облачного слоя такие количества твердых аэрозолей должны заметно снижать прозрачность атмосферы в течение как минимум нескольких лет. При этом, по расчетам, средние температуры в Северном полушарии снизились на 3−5 °С, а летние температуры в высоких широтах вообще могли упасть более чем на 10 °С!
И весь этот хтонический ужас практически совпадает по датировке с началом нашего «бутылочного горлышка». Понятно, что исследователи не могли пройти мимо столь очевидного совпадения. Вскоре родилась гипотеза о том, что именно яростное извержение Тобы и последовавшая за ним глобальная вулканическая зима едва не загнали людской род в могилу. В принципе логикой и доказательствами эта идея не обделена. Многолетняя вулканическая зима осложняет существование всех животных и была обязана сказаться на их численности. И действительно, в геномах восточно-африканских шимпанзе, южно-азиатских тигров (крупные хищники, как всегда, отдуваются за всех) и орангутанов заметны следы аналогичных «бутылочных горлышек». Да и проведенное почти двадцать лет спустя исследование Alu-повторов человеческого генома также подтверждает данные анализа митохондриального генома человека: в диапазоне от 40 000 до 90 000 лет назад наша численность быстро и резко упала, после чего начала стремительно восстанавливаться.
И весь этот хтонический ужас практически совпадает по датировке с началом нашего «бутылочного горлышка». Понятно, что исследователи не могли пройти мимо столь очевидного совпадения. Вскоре родилась гипотеза о том, что именно яростное извержение Тобы и последовавшая за ним глобальная вулканическая зима едва не загнали людской род в могилу. В принципе логикой и доказательствами эта идея не обделена. Многолетняя вулканическая зима осложняет существование всех животных и была обязана сказаться на их численности. И действительно, в геномах восточно-африканских шимпанзе, южно-азиатских тигров (крупные хищники, как всегда, отдуваются за всех) и орангутанов заметны следы аналогичных «бутылочных горлышек». Да и проведенное почти двадцать лет спустя исследование Alu-повторов человеческого генома также подтверждает данные анализа митохондриального генома человека: в диапазоне от 40 000 до 90 000 лет назад наша численность быстро и резко упала, после чего начала стремительно восстанавливаться.
 |
Экспансия Homo sapiens
Схема: Анатолий Лапушко |
Вместе с тем гипотеза о чуть менее чем полном армагеддоне, спровоцированном извержением Тобы, вызывает множество споров. Нужно учитывать, что к моменту взрыва вулкана Земля уже почти что 40 тысяч лет, как катилась в эпоху оледенения. Это само по себе могло вызвать значительные проблемы как у древнего человечества, так и его соседей. В то же время довольно интригующие результаты показывает датировка температурных минимумов по морским изотопным стадиям. Главным действующим игроком этого метода является тяжелый изотоп кислорода 18O, концентрация которого в донных отложениях, по сравнению с обычным кислородом, в холодные периоды возрастает, а в теплые падает. Так вот, слой пепла Тобы в морских породах как раз совпадает по времени с ростом содержания кислорода-18. То есть климат, начавший серьезно холодать еще до извержения, после него достиг одного из своих температурных минимумов.
Хроники вулканической зимы
И вроде бы вырисовывается четкая картина: анатомически современные люди (или, выражаясь чуть более жаргонно, сапиенсы), появившись в Юго-Восточной Африке примерно 200—300 тысяч лет назад, предприняли первую попытку экспансии на Ближний Восток и территорию Южной Аравии около 125 тысяч лет назад. Также есть данные, позволяющие предполагать, что отдельным, особо расторопным популяциям удалось добраться до Индии и даже Южного Китая. Затем первая волна сапиенсов-колонистов начинает трагически вымирать. Сначала исчезают стоянки в Аравии — видимо, из-за за засух, а потом взрывается Тоба — климат совсем уже идет вразнос и все это окончательно «зачищает» всех выбравшихся из Африки сапиенсов.
Больше повезло тем, кто укрылся в Африке. Вулканическая зима и изменения климата сократили численность сапиенсов в 10 раз, плотно сжав бутылочное горлышко вокруг их оскудевшего генофонда. Но, несмотря на все передряги, люди выжили. А затем вновь начали подниматься с колен. Вволю размножившись, они снарядили новую колониальную экспедицию. В ходе экспансии наши предки заселили все хоть сколько-нибудь пригодные территории Земли и сжили со свету своих менее напористых собратьев по роду Homo.
Конечно, остается несколько вопросов. Почему-то вулканическая зима, едва не закончившаяся гибелью для Homo sapiens, не привела к аналогичным последствиям для смежных ветвей древнего человечества. После взрыва Тобы неандертальцы временно замещают исчезнувших в Восточном Средиземноморье сапиенсов и чуть ли не достигают своего последнего кратковременного расцвета. Отчасти это, конечно, можно объяснить гораздо большей приспособленностью коренастых и угрюмых неандертальцев к холодному климату. Также некоторые данные говорят, что часть сапиенсов, успевших добраться до Индостана, тоже смогла пережить катастрофу, и это несмотря на то, что слой пепла в некоторых районах полуострова достигал нескольких метров! Если это действительно так, то почему эти отчаянные парни не оставили своего следа в наших геномах? Это еще предстоит выяснить.
Еще один вопрос — о том, насколько была темна и какими ужасами полнилась вулканическая Долгая Ночь, наступившая вслед за взрывом Тобы. Он продолжает оставаться предметом для дискуссии до сих пор. Особенно выделяется исследование донных отложений озера Малави. При их анализе ученым удалось обнаружить заметный слой пепла Тобы, но при этом толщина слоя ила, включающего частицы пепла, ничем не отличается от выше- и нижележащих слоев. Это говорит о том, что продуктивность озера во время выпада пепла сильно не изменилась и ожидаемой нами тотальной вулканической зимы в Восточной Африке могло и не быть. Этим данным, однако, противоречат результаты сравнительно недавнего моделирования: они прогнозируют падение температуры в среднем на 10 °С в течение нескольких лет.
Новое доказательство масштабности взрыва Тобы было опубликовано в мартовском номере журнала Nature. Исследователи идентифицировали частички пепла Тобы в районе двух археологических раскопок на побережье Южной Африки. Прах взорвавшегося вулкана смог преодолеть без малого 9 тысяч километров — почти четверть окружности земного шара! И, наконец, самое интересное: датировка раскопов, вблизи которых обнаружен пепел, захватывает время извержения вулкана на Суматре, так что, судя по всему, устойчивое поселение наших предков существовало в этом месте до, во время и после катастрофы. Теперь мы знаем, где жили наши везучие предки — свидетели одной из самых страшных эпох в истории своего вида!
 |
Людям того времени уже были
известны каменные технологии.
Находки в пещере Бломбос, ЮАР. Слева — остроконечники, которым 71 000 лет, а справа — бусины ожерелья, им 75 000 лет. Фотографии: Vincent Mourre / Inrap / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0 и Chenshilwood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0 |
Что ж, несмотря на споры о масштабах, можно быть уверенным вот в чем: какую-то, и скорее всего довольно заметную, роль в плейстоценовом «бутылочном горлышке» человечества Тоба определенно сыграл. Пустил ли он земной климат под откос похолодания в одиночку или просто усугубил и без того с трудом надвигавшееся ледниковье (последний ледниковый максимум случился около 25 тысяч лет назад) — вопрос, на который еще предстоит ответить. Однако бесспорным остается то, что как минимум один раз по вине совпадения обстоятельств наш биологический вид подошел совсем близко к пропасти небытия.
Вообще, вся эта история заставляет задуматься о том, насколько судьба человечества как биологического вида зависит от произвольного набора случайностей. Изменись в те кризисные годы климат чуть сильнее или вспыхни какая-нибудь кровавая межплеменная разборка — и сегодняшнее человечество вполне могло бы стать неандертальским или денисовским, а Homo sapiens пополнил бы собой список вымерших видов. Человек так и не вышел из-под власти фатальных случайностей: мы не можем ни сейчас, ни в обозримой перспективе контролировать свою среду обитания. Удар залетного астероида, взрыв супервулкана, опрометчивое движение властной руки в сторону той самой красной кнопки легко могут разрушить привычный нам климат вместе с изрядной частью биосферы, всем нашим сельским хозяйством и амбициозными планами на будущее. Такие события очень редки и практически невероятны в каждый отдельный момент времени, но если мы взглянем на геологическую историю в масштабах сотен тысяч лет, то, как и в случае с другими «черными лебедями», обязательно увидим, что катастрофа была неизбежна. А нам — повезло. Так что, если мы собираемся жить по-настоящему долго, не стоит забывать про то, как в геологическом «вчера» мерзли наши немногочисленные предки.
Дмитрий Лебедев