Рис. 1. Состав микробиоты полости рта у шимпанзе, неандертальцев (суммированы эти по одному неандертальцу из Бельгии и двум из Испании) и современных людей по итогам метагеномного анализа зубного камня. Видны довольно значимые отличия. Например, можно заметить, что у шимпанзе и неандертальцев выше часть грамположительных бактерий (таких, как Actinobacteria и Firmicutes), а у современных людей преобладают грамотрицательные (Bacteroidetes, Fusobacteria и иные). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Изучение древней ДНК, сохранившейся в зубном камне неандертальцев из Бельгии и Испании, позволило уточнить эти об образе жизни наших вымерших родственников. Мнение о преобладании в их диете мяса крупных звериных подтвердилось для бельгийских неандертальцев, живших в холодной тундростепи: в их зубном камне открылась ДНК шерстистого носорога и дикой овцы (муфлона). Испанские неандертальцы, по-видимому, вяще полагались на растительную пищу. Работа показала перспективность метагеномного разбора зубного камня как метода палеоэкологических исследований.
Диету древних гоминид можно учить разными способами: по археологическим данным (остаткам растений и звериных, найденным на стоянках), изотопному и микроэлементному составу костей и зубов, по микроскопическим царапинам на поверхности эмали (см. Парантропы предпочитали мягкую еду, «Элементы», 19.05.2008), по остаткам органики в копролитах (см. Coprolite). Недавно к этому арсеналу добавилось изучение зубного камня, в каком сохраняются гранулы крахмала и фитолиты (см. Phytolith).
Чем шире комплект доступных методов, тем полнее и достовернее — но при этом и сложнее и неоднозначнее — становятся наши понятия об образе жизни древних людей. Еще недавно преобладало суждение, что неандертальцы питались почти исключительно мясом. На это указывали и археология, и итоги изотопного анализа (см. Традиции питания палеолитического населения Европы: неандертальцы и представители анатомически нынешнего человека). На этом основании выдвигались гипотезы о роли узкой пищевой специализации в вымирании неандертальцев. Но затем выяснилось, что неандертальцы вовсе не брезговали растительной едой (см. Неандертальцы снова заварили кашу…; Неандертальцы ели растения! Доказательства ровно из неандертальского кишечника…).
В статье, опубликованной 8 марта на сайте журнала Nature, большенный международный коллектив палеогенетиков (см. Paleogenetics) отчитался о результатах применения новоиспеченного метода изучения диеты неандертальцев. Метод основан на метагеномном разборе (см. Метагеномика) древней ДНК из зубного камня. Авторам удалось выделить фрагменты ДНК из зубного камня двух неандертальцев из пещеры Спи в Бельгии и двух их сородичей из пещеры Эль-Сидрон в Испании. Попытка проделать то же самое еще с одним неандертальцем из Италии (Grotta Breuil) не увенчалась успехом из-за нехороший сохранности ДНК. Для сравнения использовались результаты метагеномного анализа зубного камня шимпанзе, нынешнего человека и нескольких доисторических сапиенсов: охотников-собирателей, земледельцев и скотоводов.
Самое сложное в таком изысканье — отделить подлинную древнюю ДНК от более поздних загрязнений. Ведь в зубном камне присутствует в основном ДНК различных бактерий, немного отличающихся от современных. В попытках оценить масштабы загрязнения авторы разбирали характер повреждений, которые должны накапливаться со временем в ископаемой ДНК, а также сравнивали выделенные комплекты генетических фрагментов друг с другом и с пробами из окружающей окружения. В итоге одного их четырех неандертальцев (под кодовым именем Спи-1), пришлось выключить из рассмотрения: по всем признакам выходило, что ДНК из его зубного камня чересчур сильно загрязнена.
Оставшиеся три неандертальца выдержали все проверки и участвовали в дальнейшем разборе. Среди выделенных фрагментов ДНК из неандертальского зубного камня 93,76% относится бактериям (в среднем по 222 вида бактерий у каждого неандертальца), 5,91% — археям, 0,27% — эукариотам, 0,06% — вирусам.
Для основы авторы проанализировали ДНК эукариотического происхождения. В зубном камне неандертальца Спи-2 открылась ДНК носорога и овцы. Очевидно, это значит, что в рацион бельгийского неандертальца, обитавшего в морозной тундростепи, входили шерстистые носороги (их кости найдены в пещере Спи), а также дикие овцы (муфлоны), какие в изобилии водились в плейстоценовой Европе. Кроме того, отыскана ДНК съедобного гриба — навозника (Coprinopsis cinerea). Это согласуется с итогами изотопного анализа, которые тоже указывают на регулярное употребление грибов неандертальцами из пещеры Спи (см. H. J. O’Regan et al., 2016. The missing mushrooms: searching for fungi in ancient human dietary analysis).
У неандертальцев из Эль-Сидрон, существовавших в лесной зоне с более мягким климатом, в зубном камне не удалось заметить ДНК животных. Зато выяснилось, что в их рацион входили кедровые орешки, злаки и опять-таки грибы (щелелистник обычный Schizophyllum commune). Вероятно, испанские неандертальцы не брезговали и заплесневелым растительным материалом, судя по наличию ДНК плесневых грибов. Впрочем, едва ли неандертальцы из Эль-Сидрон бывальщины убежденными вегетарианцами, особенно если вспомнить, что их самих, скорее итого, съели сородичи (см. Неандертальцы жили маленькими группами и ели товарищ друга, «Элементы», 13.01.2011).
Неандерталец Эль-Сидрон-1 страдал от абсцесса зуба. Ранее уже высказывалось гипотеза, что он пытался лечиться травами (см. K. Hardy et al., 2012. Neanderthal medics? Evidence for food, cooking, and medicinal plants entrapped in dental calculus). В его зубном камне открылась ДНК тополя, кора которого содержит производные салициловой кислоты, обладающей противовоспалительным эффектом. Авторы допускают, что несчастливый неандерталец мог жевать кору в качестве обезболивающего.
Как уже говорилось, вящая часть ДНК в зубном камне принадлежит бактериям. Это позволяет оценить состав микробного народонаселения ротовой полости. Оказалось, что по составу оральной микробиоты все исследованные образчики четко распадаются на четыре группы:
1) собиратели с небольшой частью мясной пищи в рационе; в эту группу попали шимпанзе, африканские сапиенсы посредственного каменного века и неандертальцы из Эль-Сидрон;
2) люди, питающиеся в основном звериной пищей: европейские охотники-собиратели, древние африканские скотоводы и неандерталец Спи-2;
3) древние землеробы, диета которых отличалась высоким содержанием углеводов;
4) нынешние люди.
Эти данные показывают, что соотношение животной и растительной еды влияет на микробиоту полости рта, и поэтому по данным о микробиоте можно судить о рационе.
По соотношению основных таксономических групп бактерий неандертальцы в цельном оказались ближе к шимпанзе, чем к современным людям (рис. 1). Особенно кидается в глаза преобладание грамположительных бактерий у шимпанзе и неандертальцев и грамотрицательных — у нынешнего человека. Вся микробная ДНК в зубном камне неандертальцев примерно в равной степени повреждена временем, поэтому преобладание грамотрицательных бактерий вряд ли объясняется их лучшей сохраняемостью. Авторы помечают, что микробиота ротовой полости с преобладанием грамположительных бактерий — это немало «здоровый» вариант, потому что среди грамотрицательных обитателей нашего рта немало потенциально патогенных видов, которые могут вызывать, так, пародонтит.
Впрочем, у неандертальцев тоже обнаружены бактерии, содействующие развитию кариеса и пародонтита, такие как Streptococcus mutans, Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia и Treponema denticola.
Для восьми самых массовых микробов ротовой полости неандертальцев авторам удалось скопить значительную часть генома. Самый качественный «черновой» геном был получен для археи Methanobrevibacter oralis. Эта метаногенная архея (см. Метаногенез) живет во рту и у нынешних людей, однако ее неандертальская родственница, жившая 48 тысяч лет назад, имеет свои генетические особенности, что позволило авторам выделить ее в отдельный подвид Methanobrevibacter oralis subsp. neandertalensis.
Судя по молекулярным часам, неандертальский и сапиентный подвиды M. oralis развелись 112–143 тысяч лет назад, то есть много позже разделения предков сапиенсов и неандертальцев (450–750 тысяч лет назад). Вероятно, это значит, что сапиенсы и неандертальцы каким-то манером обменивались своими микробами. Судя по соотношению значимых и синонимичных замен (см. Ka/Ks ratio), возле 4% белок-кодирующих генов M. oralis находились под действием позитивного отбора (то есть накапливали полезные изменения) после разделения неандертальского и сапиентного подвидов. Изменения затронули гены, связанные с устойчивостью к антисептикам, с метаболизмом мальтозы, невосприимчивостью (см. CRISPR), горизонтальным переносом генов (конъюгацией) и репарацией ДНК. Может быть, эти эволюционные процессы бывальщины связаны с изменениями питания и поведения первобытных людей.
Выводы этого новаторского изыскания носят в основном характер предположений и не отличаются большой надежностью. Тем не немного, работа ясно показала, что метагеномный анализ зубного камня может привнести важный вклад в изучение образа жизни древних людей.
