пдлюитологмя
Невидимые миру фа или «Говорящие» атомы и молекулы в палеонтологии
кты,
> I
,"■ V»
Андрей Юрьевич Журавлев, доктор биологических наук, специалист в области палеонтологии кембрия. Был ведущим научным сотрудником в Институте палеонтологии РАН, затем работал в Министерстве природных ресурсов Российской Федерации, сейчас — сотрудник издательства «Аванта+». Монографии: <The Ecology of the Cambrian Radiation» (в соавторстве с Р.Райдингом; N.Y., 2000), «Atlas of the Evolving Earth» (Detroit, 2001), «До и после динозавров» (Новосибирск, 2002). Неоднократно публиковался в *Природе*.
А.Ю.Журавлев
Нынешняя палеонтология из сугубо описательной науки преображается в систему познания событий, приведших нашу планету в ее теперешнее состояние. Статистические методы переводят бессистемно накопленные материалы в источник полезных сведений [1]. Но это еще не все. Современную палеонтологическую лабораторию трудно представить без множества точных приборов, позволяющих выявить то, что не под силу увидеть даже с помощью мощных микроскопов. Благодаря этим приборам удается разобрать ископаемые раковины и кости на отдельные молекулы и атомы (в основном изотопы).
Конечно, при словосочетании «ископаемая молекула» большинство читателей сразу вспомнит незадачливых героев «Юрского парка», решивших восстановить динозавров по ошметкам ДНК, извлеченным из остатков мезозойского кровососа, влипшего в янтарную смолу. («Клонирование» самого «Парка юрского периода» тоже не очень задалось.) Увы, радужные перспективы извлечения ископаемой ДНК, казавшиеся столь достижимыми всего 10 лет назад, сильно поблекли. Все ДНК миллионолетней дав-
© А.Ю.Журавлев
ности и даже многие из тех, возраст которых исчисляется тысячелетиями, оказались пресловутыми загрязнениями. Попадание современных молекул (бактериальных, человеческих) в исследуемый материал неизбежно. Эти молекулы, будучи посвежее, и амплифици-руются («размножаются») более удачно.
Забавный случай произошел с ДНК из меловых угленосных отложений США. Выделенные из динозавровой кости молекулы отличались от ДНК как млекопитающих, так и пресмыкаю-
щихся. «Вот она настоящая ДНК динозавров!» — воскликнули наши американские коллеги, поскорее опубликовали сенсационные данные в ведущих научных журналах и... опять ошиблись. Неведомая ДНК оказалась просто человеческим интроном,как все интроны,мало интересным и поэтому практически неизученным. Теперь представьте себе сюжетец. Молодой ученый с горящими глазами успешно амплифицирует, а затем на лабораторных задворках клонирует такую ДНК, скажем, в геноме лягушки. В ре-
хлорофилл а
НС» СН г СН3
С О
СГ ✓ чо-сн3
диагенез
бескислородная обстановка
диагенез
этиопорфирин X X
низкошслородная „ обстановка X
фитан
пристан
зультате он получает из пробирки себя любимого или свою лаборантку, тоже любимую, или своего не менее почитаемого учителя. Дальше расписывать можно что угодно: Царевну-лягушку, Пигмалиона, Франкенштейна или Голубую луну на худой конец. (С.Спилберг с М.Крайтоном — создатели книжного и киношного вариантов Юрского парка — отдыхают!)
К сожалению, получить более или менее сносные остатки ДНК из ископаемых материалов возрастом более 100 тыс. лет невозможно. А хорошую (достоверно ископаемую) ДНК редко удается извлечь даже из египетских мумий, которым всего-то немногие тысячи лет. Для палеонтологов — не возраст! Клонировать же подобные остатки и вовсе бессмысленное занятие. Поэтому, когда наши газеты с восторгом пишут, что еще один сибирский мамонт поехал во Францию или Японию для клонирования, — это
означает, что он был попросту незаконно вывезен. А существующая исключительно в нашей стране необходимость получить «ветеринарный сертификат» на ископаемые кости — дань (во всех смыслах этого слова) чиновничьему беспределу. Палеонтологический институт РАН не смог, например, ввезти из Монголии ископаемые остатки, которым более 70 млн лет. Не знаю точно, чем руководствовались наши министерства, создавшие сей документ, но это могла быть только самая бульварная фантастика.
И все же бросать поиски хотя бы остатков ДНК не стоит. С помощью ископаемых молекул удалось, скажем, показать, что новозеландский моа не был родственником киви. Это значит, что бескрылые птицы (ра-титы) развивались на Новой Зеландии по крайней мере дважды. Сумчатый лев (тилацин) не произошел от южноамериканских сумчатых хищников, а появился независимо от них. На-
Превращение хлорофилла а в биомаркеры (по М.Молдовану). ЭРЕЕР -
диоксофиллоэритроэтиопорфирин, М — ванадий или никель, X — водород или гидроксильная группа.
конец, неандертальца действительно можно считать иным человеческим видом [2].
Однако, кроме ДНК, есть и другие «говорящие» молекулы. С их помощью можно решать не менее интересные задачи. Называются эти молекулы биомаркерами (т.е. следами живого) и давно используются для определения источников и путей миграции нефти. Палеонтологи заинтересовались ими не так давно. Биомаркеры, конечно, представляют собой лишь остатки молекул, но достаточно своеобразные, чтобы восстановить всю цепочку миллионолет-них преобразований и вычислить молекулу-предшественницу. Так, хлорофилл а распадается (в разных обстановках) на диоксофиллоэритроэтиопор-фирины, этиопорфирины, пристан и фитан. Эти ароматические и алифатические углеводороды могут существовать почти вечно и, будучи извлечены из породы, укажут на присутствие фотосинтезирующих организ-
жиры, привносимые сапрофитами
Г . гтг^г
окисление жиров
Н0ААА0
холестерол 7-оксохолестерол
жиры, сохраняющиеся в кристаллическом матриксе
жиры, ферментативно расщепленные бактериальными симбионтами
миграция жиров, связанная с коллоидами и глинами
жиры, окисляемые бактериями
поляризованные жиры, выщелачиваемые водой
Посмертный цикл жировых накоплений.
/
мов, даже если от них самих не осталось ничего опознаваемого другими методами. Довольно устойчивы остатки жиров. (Проблемы с нерасщепляемыми накоплениями холестерина в виде бляшек всем хорошо известны.)
Только с помощью биомаркеров удалось доказать, что 2.7 млрд лет назад (в архее) на Земле действительно жили не только цианобактерии (о них свидетельствуют метилгопаны), но и эвкариоты [3]. Последних, конечно, выдали остатки жиров — высокоуглеродные стере-ны, особенно холестен, «привязанный» к холестерину. Древнейшие многоклеточные животные, скорее всего губки, судя по биомаркерам (24-изопро-пилхолестенам) существовали уже 1.8 млрд лет назад [4]. Это более чем на миллиард лет превышает возраст достоверных гу-бочных скелетных остатков. Сходным образом, хотя и не столь сильно, отличаются по возрасту древнейшие окамене-
1 см
Древние акритархи (слева) и гигантоптерис.
лости цветковых растений (конец раннего мела) и их биомаркеры — олеанины (середина юры). Мало того, такие же биомаркеры извлекли из загадочного пермского растения-гиганто-птериса, которое относили к различным голосеменным или их предшественникам [5].
Данный случай показывает, что в настоящее время биомаркеры можно распознавать не только в валовой горной породе, но и в конкретных, даже микроскопических остатках. Так смогли выяснить природу ряда акритарх — загадочных вымерших планктонных организмов.
ПАЛВОНТОЛОГИЯ
2.5 2.0 1.5 время, млрд лет назад
Соотношение стабильных изотопов углерода в геологической летописи (слева) и степень их фракционирования различными группами организмов. Самые низкие величины 5'3С соответствуют степени фракционирования изотопов органического углерода метанобразующими бактериями [7]. Пики на верхней кривой показывают, насколько ускорялись темпы его захоронения в виде карбонатов (когда в атмосфере уже появился кислород) в связи с расколом суперконтинентов и образованием прогибов. 1 — Сз-растения, 2 — С^-растения, 3 — метанокисляющие бактерии, Л — водоросли, 5 — бактерии (а — в естественных местообитаниях, Ь — в культурах), 6 — анаэробные фотосинтезирующие бактерии, 7 — метанобразующие бактерии (по М.Шидловски). 513С — величины 13С/12С, рассчитанные по отношению к стандарту, которым служит ростр белемнита из меловой формации Пи-Ди (США), Сорг — органические породы, С<орб — карбонаты.
Сначала обнаружилось закономерное совпадение в геологической летописи акритарх, ди-ностеренов и триароматичес-ких диностероидов — соединений, характерных для планктонных одноклеточных водо-рослей-динофлагеллат. А затем эти же биомаркеры получили прямо из акритарховых оболочек [6].
Почти все, что мы знаем о земной жизни в течение первых трех миллиардов лет ее развития, установлено благодаря исследованиям биомаркеров и стабильных изотопов углерода, азота, серы и некоторых других элементов. Соотношения устойчивых изотопов в земной коре почти постоянны. Лишь живые существа, сами не отличающиеся особым постоянством, способны нарушить
его. Меняется первичное соотношение изотопов, например, за счет фотосинтеза и хемосинтеза. При фотосинтезе из обращения изымается легкий изотоп углерода (12С), который накапливается в органических веществах. Среда, соответственно, обогащается более тяжелым изотопом ("С), что практически навечно запечатлевается в осадке. Обнаружив в горной породе изотопные отличия между органическими остатками (обычно керогенами) и вмещающими отложениями (карбонатами), можно не сомневаться, что к этому «приложили руку» фотосинтезирующие организмы.
Даже если осадок впоследствии будет основательно прокален (при температуре 500°С и давлении в 5000 атмосфер)
и первичное содержание изотопов не сохранится, их соотношение изменится закономерным образом. Изотопный сигнал высветил, что жизнь на Земле существует более 3.8 млрд лет [7, 8]. Изотопные микропробы, взятые точно из окаменевших бактерий возрастом 2.1 млрд лет, подтвердили, что это действительно остатки фотосинтези-рующих цианобактерий[9]. Иначе как вообще определить, что это за бактерии, если они все на одно «лицо»? (Тут ни сканирующий микроскоп, ни заклинания некоторых наших членов-корреспондентов о пользе «бактериальной палеонтологии» не помогут.)
Изотопная летопись углерода намекает, что содержание в атмосфере метана было высоким вп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.