Российская археология, 2022, № 2, стр. 20-28

Методы палеогенетики дают исследователям возможность изучать ДНК вирусов и бактерий, обитавших в организмах древних людей. С приходом пандемии COVID-19 палеогеномные данные о патогенах в археологическом контексте приобретают новую актуальность и лишаются столь привычной отделенности от современности. Археологические источники позволяют проводить анализ возникновения, развития и завершения пандемии во времени, учитывая миграции, динамику социальных и культурных новаций, вызванных этой кризисной ситуацией. В ряде современных исследований пандемия рассматривается как один из типов глобального кризиса, сопоставимый с климатическими изменениями, но имеющий свою специфику (длительность, отложенные социальные и демографические последствия и пр.) (Gamble et al., 2021; Hull, 2009).

Ранее изучение перенесенных инфекционных заболеваний проводилось путем палеопатологической оценки костей древних скелетов из археологических раскопок. Однако этот подход имеет существенные ограничения, связанные с тем, что стремительно развивающиеся губительные инфекции не оставляют видимых следов на костях, а другой материал оказывается недоступен для исследования (Buikstra, 2012; Бужилова, 2005). Первые успехи в изучении ДНК древних бактерий и вирусов стали возможны с появлением метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) (Spigelman, Lemma, 1993). Этот подход позволяет обнаружить присутствие инфекционных агентов, но дает ограниченную информацию об эволюционной истории патогена, поскольку генетический материал микроорганизмов в таком случае анализируется по одному или нескольким коротким фрагментам ДНК, выделенных из останков древних людей (Arriaza et al., 1995; Drancourt et al., 1998). Присутствие в древних образцах смеси бактериальных организмов может привести к неспецифическим или даже ложноположительным результатам ПЦР-анализа, как, например, в случае с ДНК почвенных бактерий, содержащих последовательности, сходные с ДНК M. Tuberculosis и Y. pestis (Gilbert et al., 2004; Müller, Roberts, Brown, 2016). Кроме того, древняя ДНК, извлеченная из археологического материала, обычно присутствует в нем в небольших количествах, сильно фрагментирована и содержит химические модификации (Briggs et al., 2007; Paabo, 1989).

За последнее десятилетие достижения в области геномики, в частности, разработка методов высокопроизводительного секвенирования, также называемого секвенированием следующего поколения (NGS), позволили существенно увеличить объем данных, получаемых из древних останков, что дало возможность исследовать также геномы древних патогенных микроорганизмов. Первым таким геномом стал геном Y. pestis из захоронения 1348–1349 гг., опубликованный в 2011 г., и с тех пор у исследователей появилась возможность более достоверно идентифицировать патоген и реконструировать его эволюционную историю.

Рис. 1.

Опубликованные геномные последовательности Y. pestis. Примечание: на рисунке отмечены предполагаемый возраст образцов (горизонтальными линиями), место обнаружения (над линиями) и количество образцов (в скобках). Справа приведены ссылки на соответствующие исследования.

Fig. 1. Published Yersinia pestis genomic sequences

Особенности генома Yersinia pestis. Современный род Yersinia представлен более чем 20 видами, большинство из которых не патогенны для человека, за исключением чумной палочки Y. pestis и двух энтеропатогенов – Y. enterocolitica и Y. pseudotuberculosis. На основании полногеномного секвенирования коллекций современных видов бактерий были выявлены основные возможные причины высокой патогенности определенных представителей этого вида. Так, Y. pseudotuberculosis и Y. pestis, скорее всего, произошли от непатогенной формы Y. enterocolitica путем приобретения плазмиды pYV (Chain et al., 2004; Reuter et al., 2014). Плазмида pYV дала возможность эффективной доставки непосредственно в иммунные клетки хозяина белков Yops. Этот процесс получил название “смертельный поцелуй Yersinia” (Cornelis, Wolf-Watz, 1997) – проникнувшие в клетки белки Yops прежде всего препятствуют опознаванию клетками иммунной системы. Также были выявлены еще несколько локусов в геноме, оказавшихся ключевыми для появления высоко-патогенного вида Y. pestis: кодирующего токсин Yersinia murine toxin (ymt), за счет которого Y. pestis приобрела способность переноситься блохами (Hinnebusch et al., 2002; Hinnebusch, Jarrett, Bland, 2021), и кодирующего белок Pla, ускоряющая легочную инфекцию (Zimbler et al., 2015). Всего на сегодняшний день выявлено 80 хромосомных и 42 плазмидных гена Y. pestis, потенциально связанных с вирулентностью (Zhou et al., 2004; Zhou, Yang, 2009).

Пандемические находки. Y. pestis является возбудителем чумы – болезни, унесшей жизни около 60% населения Старого Света во время трех разрушительных пандемий: первой, или юстиниановой, чумы (6–8 вв. н.э.), второй (14–18 вв.), включая самый высоколетальный период Черной смерти (1347–1351 гг.), и третьей, или современной, пандемии (18–19 вв.), начавшейся в Китае (Frith, 2012; Scott, Dunkan, 2001; Stenseth et al., 2008). Сейчас чума считается проблемой прошлого, хотя до сих пор ежегодно регистрируются сотни случаев заболевания в африканских странах (Barbieri et al., 2020).

Чума – одно из самых изученных с помощью методов палеогенетики заболеваний (Schuenemann et al., 2011, Duchêne et al., 2020); на данный момент секвенировано более 70 древних геномов Y. pestis (рисунок). Каждая из трех пандемий была подтверждена геномными методами. Так, было реконструировано восемь геномов чумной палочки и доказано присутствие юстиниановой чумы на Британских островах, а также параллельное появление ее штаммов во Франции, Испании (Keller et al., 2019). В захоронениях на территории Баварии было выявлено наличие Y. pestis, филогенетически схожей со штаммами первой пандемии (Harbeck et al., 2013), что дало возможность предположить распространение чумы на юге Германии в первую пандемию, несмотря на отсутствие упоминания в исторических источниках о чуме в данном регионе (Feldman et al., 2016; Wagner et al., 2014).

Большинство древних геномов Y. pestis было получено для второй пандемии на территориях 10 европейских стран (рисунок). Были выдвинуты две гипотезы, объясняющие большую продолжительность второй пандемии чумы, основанные на наличии внутреннего и внешнего резервуаров чумы (Bramanti et al., 2021).

Согласно первой гипотезе, существовал внутренний резервуар чумной палочки в Западной Европе (Carmichael, 2014), которым, скорее всего, являлись черные крысы (McCormick, 2003). В случае множественного занесения чумной палочки в Западную Европу было бы ожидаемо обнаружить высокое генетическое разнообразие геномов Y. pestis из разных частей Европы. Тем не менее была выявлена генетическая преемственность между штаммами бактерии во время второй пандемии в Европе (Bos et al., 2016; Seguin-Orlando et al., 2021; Spyrou et al., 2019; Susat et al., 2020). Так, 34 генома Y. pestis из Англии, Франции, Германии, Швейцарии и России принадлежат к одной генетической линии и имеют общее происхождение (Spyrou et al., 2019). Однако генетически подтвержденное наличие резервуара в Восточной Европе и/или Азии и активные торговые связи с Западной Европой, в том числе Шелковый путь и торговля ценным мехом, не исключают постоянной “подпитки” новыми штаммами со стороны Центральной Азии, Персии и России (Guellil et al., 2020; Morozova et al., 2020; Spyrou et al., 2019). Этот аргумент свидетельствует в пользу второго сценария – Y. pestis могла быть реинтродуцирована из Азии или Восточной Европы в Западную Европу несколько раз в течение всего периода пандемии (Namouchi et al., 2018; Schmid et al., 2015).

Также остается открытым вопрос об основной причине окончания столь долго длившейся пандемии. Одной из классических версий является совершенствование гигиенических норм в Европе, а также формирование иммунитета и связанное с ним или независимое ослабление вирулентности штаммов Y. pestis. С помощью сравнительного анализа геномов Y. pestis из различных захоронений Западной Европы, датированных последовавшим за Черной Смертью периодом (15–17 вв.), было выявлено постепенное “истощение” гена pla, связанного с вирулентностью чумной палочки (Susat et al., 2020).

С накоплением данных секвенирования геномов второй пандемии чумы в последний год стало возможно делать первые предположения о влияниях штаммов Y. pestis на конкретные исторические события и наоборот. В частности, были проанализированы геномы Y. pestis из Италии и французских Альп 17 в. (Seguin-Orlando et al., 2021). Данный период исторически известен крупным социально-экономический спадом в Италии, предположительно являвшимся последствием высокопатогенного штамма чумы. Как показал сравнительный анализ, геномы Y. pestis, выявленные в Италии, не отличались от других европейских штаммов вариациями, связанными с повышением патогенности. На основании этих данных авторы сделали вывод, что события в экономике Италии были связаны не с мутированным штаммом чумной палочки, а с тяжелым социальным и демографическим статусом населения.

Геномы Y. pestis из допандемических образцов. Наиболее важными с исторической точки зрения являются результаты палеогеномных исследований допандемических штаммов Y. pestis. Ведь по палеоантропологическим материалам мы не можем получить сведения об этом заболевании, так как оно стремительно развивается и не оставляет следов на скелете. Самые ранние следы возбудителя были обнаружены в образцах, полученных из скелетов людей, похороненных в мегалитической галерейной гробнице Фральсегагардене, Фалбигден, Западная Швеция. Всего в этом сооружении похоронено до 78 человек за период 5100–4900 л.н. Авторы исследования рассматривают этот период как довольно короткий для такого большого числа индивидуумов (Rascovan et al., 2019). Как показали более ранние археологические исследования (Skoglund et al., 2012; Skoglund et al., 2014), люди, погребавшие своих соплеменников в этих сооружениях, жили небольшими (возможно, семейными) коллективами. Филогения чумы, построенная на основании этих находок и образцов, полученных из различных памятников эпохи бронзы Евразии в целом, позволяет авторам связать финал европейского неолита с неизвестной до сих пор пандемией чумы, которая привела к упадку поздненеолитических культур Европы. В свою очередь, возникновение вирулентных возбудителей авторы связывают с процессом неолитизации в Европе, который включал формирование крупных стационарных поселений с высокой плотностью. В качестве претендента на роль наиболее “благоприятных” условий рассматривается трипольская культура с ее крупными поселениями на территории Молдовы, Румынии, Украины. Далее чума по торговым путям распространилась в другие регионы, и несколько генетических изменений привели к появлению в Европе и Азии бронзового века более вирулентных штаммов (Rascovan et al., 2019). Другие палеогеномные находки чумного вибриона были сделаны при изучении палеоантропологических материалов из погребений степных культур раннего бронзового века, или культур изначально степного происхождения (ямной, афанасьевской, культуры шнуровой керамики), наиболее ранние даты которых – около 4800 г. до н.э. (Rasmussen et al., 2015, Valtueña et al., 2017). В целом авторы гипотетически связывали приход чумы в Европу с расселением пастушестких племен ямной общности. Филогенетическая картина неолитической чумы еще не создана, поэтому здесь мы остаемся в поле догадок. Вызывает некоторое удивление обнаружение отдельных инфицированных индивидов в мегалитических сооружениях. Ведь мы знаем, как выглядят кладбища периода чумных вспышек. Здесь же мы имеем дело с отдельными заболевшими на протяжении двух сотен лет. Значит ли это, что древний штамм был менее вирулентен? Тогда можно ли связывать “закат” неолитической Европы с эпидемией и даже пандемией? Пока эти вопросы остаются без ответа. Важно подчеркнуть, что рассмотрение вопросов филогении чумного возбудителя невозможно без комплексного исследования, включающего палеогеномные и археологические исследования. Изучение останков неолитических земледельцев, у которых был выявлен самый древний на настоящий момент штамм Y. pestis, позволяет предположить, что он вызывал легочную форму болезни (Rascovan et al., 2019).

Один из поворотных моментов в эволюции Y. pestis произошел в среднем или позднем бронзовом веке, когда в геном бактерии встроился локус, содержащий токсин ymt, вследствие чего чума начала распространяться через блох (Rasmussen et al., 2015). В период 3000–1000 лет до н.э. выявляются и ymt-содержащие, и ymt-несодержащие геномы Y. pestis, что указывает на постепенное вытеснение менее эффективно распространяющегося штамма. Очевидно, что до появления возможности передачи возбудителя эктопаразитом скорость распространения заболевания была гораздо ниже. Она была такова, что за несколько сот лет охватила всю Северную Евразию (Yu et al., 2020). К эпохе бронзы, началу III тыс. до н.э., относятся свидетельства чумы в Забайкалье. В настоящее время возбудитель чумы обнаружен в 4400-летнем образце из Прибайкалья (Аносово-1) и в образце возраста ~3800 л.н. из Якутии (Каменка-2) (Kılınç et al., 2021). Важно отметить, что в последнем случае в захоронении было три молодых человека, все родственники, в том числе пара родитель–ребенок.

Филогения древних штаммов возбудителя чумы свидетельствует о том, что большинство из них исчезли, за исключением одного, имеющего сходство со штаммом, выделенным из скелетных останков людей – жертв Юстиниановой чумы (Damgaard et al., 2018). Авторы исследований эволюции чумных возбудителей предполагают, что “обрывы” большинства линий, имевших место в эпоху ранней и средней бронзы, связаны с крупными вспышками заболевания, которые приводили к вымиранию неолитического населения (Rascovan et al., 2019).

Одним из ключевых регионов для изучения распространения чумной палочки является Восточная Европа (контактная зона между Европой и Азией). К настоящему времени получено несколько древних геномов Y. pestis из этого региона (из Польши и России) и показано, что данные восточноевропейские линии являются филогенетически родственными ранее описанным вариантам из западной и юго-восточных частей Европы (Morozova et al., 2020; Spyrou et al., 2016; Spyrou et al., 2019). Разнообразие европейских штаммов средневековой чумы позволяет предполагать, что Черная смерть распространялась по Европе не только благодаря внутренним контактам, но и пополнению из Восточной Европы.

Таким образом, на сегодняшний день собрана достаточно обширная коллекция древних геномов Y. pestis разных исторических времен с территории Западной Европы, однако для Восточной Европы и Азии количество таких данных намного меньше, хотя именно они могут уточнить особенности филогении и эволюции Y. pestis.

Ближайшие перспективы. Y. pestis на сегодняшний день является наиболее изученным древним патогеном человека. Как показывает накопленный опыт, при анализе образцов из задокументированных чумных захоронений следы ДНК Y. pestis удается найти не более, чем в 25% случаев, что диктует необходимость расширения объема исследуемого археологического материала для получения достоверных результатов.

Прогресс в области NGS привел к постепенному увеличению скорости и уменьшению стоимости получения геномных данных, в том числе для образцов древней ДНК. Благодаря этому с каждым годом становится более вероятным, что помимо анализа геномов, выделенных из единичных или десятков исторических образцов, будет проведен анализ многих массовых древних захоронений. Такие данные позволят намного шире взглянуть, в частности, на влияние пандемий на человечество в историческом и генетическом аспекте.

Необходимо отметить основные технические сложности в исследованиях, связанных с палеогенетикой, которые важно решить в ближайшем будущем. Как отмечалось выше, существенной проблемой для правильной интерпретации результатов секвенирования является сходство патогенных форм и непатогенных форм бактерий, представленных в почве в большом количестве. Один из путей решения – параллельный анализ почвы и седиментов из коллективных захоронений. Работы, опубликованные за последние два года в области генетических исследований древних седиментов, демонстрируют большой потенциал этого подхода. Во-первых, ДНК в пробах из седиментов может случайно совпадать с таковой из останков скелетов (Vernot et al., 2021), а также патогенов, населявших внутренние органы (Ramirez, Saka, Nores, 2021). Во-вторых, появляется возможность анализировать ДНК окружающей среды исследуемого периода (Zavala et al., 2021).

Заключение. Чума сыграла огромную роль в истории человечества. Не удивительно, что специалисты в области палеогенетики проявляют значительный интерес к этому объекту исследований. Уже накоплено существенное количество геномных данных. Благодаря имеющимся результатам, новые работы могут дополнять, подтверждать или опровергать исторические данные. В результате геномных исследований был выявлен эволюционный путь возникновения патогенной формы чумной палочки из непатогенной, а также вариации, усиливающие и ослабляющие ее патогенность, включая пути передачи. Основываясь на этих данных, были сделаны выводы об очагах чумы в конце неолита и бронзовом веке, а также связь штаммов и путей трансмиссии в периоды известных пандемий. Успехи в области геномного изучения пандемий в историческом контексте особенно актуальны в современности. Они способствуют лучшему пониманию, в том числе, эволюционных процессов формирования патогенных микроорганизмов, взаимодействия “хозяин-патоген” и адаптации человечества к этим процессам.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Минобрнауки России, системный номер № 075-10-2020-116 (номер гранта 13.1902.21.0023)