Отдельные демографические события связаны с уменьшением размера популяции и наиболее значительными эффектами дрейфа генов. Прежде всего речь идет о географической или культурной изоляции популяции, об эффекте бутылочного горлышка – резком сокращении размера популяции вследствие изменения окружающей среды, войны или эпидемии – или об эффекте основателя, то есть основании новой популяции очень малым числом индивидов, принадлежавших ранее большой популяции. В этих условиях дрейф генов снижает генетическое разнообразие в пределах популяции, вместе с тем усиливая межпопуляционные различия.

Миграция (перенос, или поток генов) – это еще один демографический механизм, обеспечивающий обмен генами между популяциями. Прибытие мигрантов может изменить состав генетического разнообразия принимающей популяции, изменяя частоту встречаемости мутаций. Таким образом, миграция и скрещивание (или метисация) снижает генетическое различие между популяциями, которое могло бы привести к появлению нового вида. В случае популяции с малым (вследствие эффекта бутылочного горлышка или эффекта основателя) генетическим разнообразием прибытие мигрантов и последующая гибридизация с ними позволяют повысить уровень генетического разнообразия гораздо быстрее, чем мутации. Таким образом, миграции и мутации являются силами, противодействующими дрейфу генов: дрейф генов уменьшает разнообразие, а миграции и мутации повышают – это явление называется мутационно-дрейфовым равновесием. Миграция увеличивает генетическое разнообразие в пределах конкретной популяции, одновременно уменьшая генетические различия между популяциями.

И наконец мы добрались до факторов, изменяющих генетическое разнообразие популяции в рамках естественного отбора. Естественный отбор составляет основу биологической адаптации человека к окружающей среде. Он работает, когда существуют различия селективной ценности (fitness) среди индивидов. Поскольку фенотипические характеристики индивида во многом определяются генетическими изменениями, увеличивающими его шансы на выживание и размножение, они передаются новому поколению. Влияние естественного отбора на генетическую изменчивость неоднозначно, потому что оно зависит от конкретного типа отбора. Он может увеличивать, уменьшать или сохранять неизменным генетическое разнообразие.

В случае положительного отбора встречаемость благоприятной мутации в популяции будет быстро расти, адаптированность – увеличиваться; иначе говоря, будет увеличиваться селективная ценность мутации. Все больше распространяясь и, следовательно, вытесняя другие, эта благоприятная мутация приведет к уменьшению генетического разнообразия в пределах популяции и увеличению различия между популяциями – при условии, что воздействие окружающей среды, вызвавшее это событие, будет отличаться от такового для других популяций. Но это еще не все, потому что существуют другие формы естественного отбора – как, например, поддерживающий высокое генетическое разнообразие стабилизирующий отбор, – и эти формы могут увеличивать разнообразие в пределах одной популяции и уменьшать различия между популяциями. В отдельной главе мы рассмотрим различные формы естественного отбора и то, каким образом они влияют на разнообразие наших геномов и нашу способность к адаптации к окружающей среде.

Теоретические модели, разработанные во второй половине XX века, позволили нам понять, какой вклад каждый из факторов вносит в генетическое разнообразие популяций, а также создавать прогнозы геномного разнообразия для различных демографических сценариев. Благодаря этому популяционная генетика получила возможность дальнейшего развития. На основании многочисленных доступных на сегодняшний день данных о геномах популяций она может не только объяснять настоящее, исходя из эволюционирующего прошлого, но также использовать нынешнее состояние популяций, чтобы восстановить их эволюцию. Действительно, мы можем реконструировать прошлое, исходя из актуальных данных о геномах, и оценить важные параметры эволюционного развития: темп роста популяции, возраст мутации или активность миграции между двумя популяциями.

Генетические исследования начинают стремительно развиваться после 1977 года, когда появляются техники секвенирования, и в особенности благодаря проекту «Геном человека» – стартовавшей в конце 1988 года международной научной программе, задачей которой было определить полную последовательность ДНК генома человека. Первая версия генома, охватывающая 90 % последовательности, была получена в 2001 году, и вслед за ней в 2004 году опубликовали почти завершенную версию. Разница между первой – «черновой» – и окончательной версиями определяется покрытием секвенированной ДНК, другими словами, количеством несеквенированных участков, «пробелов», и степенью точности. Версия 2004 года содержит как минимум 400 пропусков. 99 % генома секвенировали с точностью менее одной ошибки на каждые 10 000 пар оснований. Эта работа сейчас продолжается, и референсная последовательность генома постоянно совершенствуется: в 2020 году количество пропусков становится уже менее 100.

Проект «Геном человека» ознаменовал собой начало новой эры[25] в генетике. Ученые получили возможность использовать последовательность ДНК для исследований как в медицинской, так и в популяционной генетике. Стоимость работ была астрономической; около 3 миллиардов долларов (2,7 миллиарда, если точнее) потратили, чтобы секвенировать около 3 миллиардов нуклеотидов (3,2 миллиарда, если точнее), которые составляют наш геном. В 2021 году, двадцать лет спустя после начала проекта, техники секвенирования стали такими совершенными, что теперь можно секвенировать целый геном, получив результаты с высоким уровнем точности, менее чем за 500 долларов. Как бы то ни было, секвенирование дает нам доступ к ключевым знаниям о структуре и содержании генома. На сегодняшний день мы знаем, что человеческий геном состоит из приблизительно 3,2 миллиарда нуклеотидов; что лишь 2 % генома являются «кодирующими», другими словами, содержат генетическую информацию, которая используется для синтеза белков – молекул, необходимых для возникновения живых существ. Мы знаем, что геном человека содержит примерно 20 000 генов, кодирующих белки; и что оставшаяся часть генома, то есть около 98 %, не является кодирующей и задействована по большей части в регуляции.

Последовательность нашего генома включает в себя так называемую ядерную ДНК, которая распределяется по 23 парам хромосом, находящимся в ядре каждой клетки. При этом у нас еще есть другой маленький геном, замкнутый в кольцо: митохондриальная ДНК. Она находится, как следует из ее названия, в митохондриях – крошечных органеллах клетки, отвечающих за производство необходимой для ее жизни энергии. По объему митохондриальная ДНК несопоставима с ядерной: в ней содержится всего 16 569 нуклеотидов и 37 генов – вот почему она стала первым геномом, который выбрали для секвенирования в 1981 году. Тем не менее далее мы увидим, что, несмотря на свой небольшой размер, митохондриальная ДНК открыла нам важнейшую информацию об эволюционном прошлом человека.

Для изучения необычайного разнообразия индивидов и популяций секвенирование генома человека на первых порах предоставило очень мало информации. По сути, речь шла об одной-единственной последовательности, а между тем каждый индивид, за исключением однояйцевых близнецов, обладает собственным уникальным геномом. И только с появлением в геномике новых технологий – таких как ДНК-микрочипы и секвенаторы нового поколения[26] – в сочетании со снижением расходов на секвенирование, начался золотой век в исследованиях разнообразия генома человека. Были созданы многочисленные международные консорциумы – как, например, проекты «ХэпМэп»[27] или «1000 геномов»[28], – перед которыми стояла задача изучить генетическое разнообразие человека во всей его полноте, содействуя таким образом исследованиям в области популяционной и медицинской генетики.