Кровь из камня: как ископаемые могут сохранять мягкие ткани

- Молоток Светлана · 08.04.2024

Глядя в микроскоп на тонкий срез окаменевшей кости, я в недоумении разглядывал маленькие красные шарики, на которые только что указал мне коллега. Эти крошечные структуры лежали в канале кровеносных сосудов, проходящем через бледно-желтую твердую ткань. Каждая из них имела темный центр, напоминающий клеточное ядро. На самом деле сферы выглядели точно так же, как клетки крови рептилий, птиц и всех остальных ныне живущих позвоночных, кроме млекопитающих, у которых клетки циркулирующей крови не имеют ядра. Это не могут быть клетки, сказал я себе. Срез кости принадлежал динозавру, которого недавно обнаружила команда из Музея Скалистых гор в Бозмане (штат Монт.), — тираннозавру рексу, погибшему около 67 миллионов лет назад, и все знали, что органический материал слишком хрупок, чтобы сохраниться в течение такого огромного промежутка времени.

Более 300 лет палеонтологи исходили из того, что информация, содержащаяся в окаменелых костях, заключается исключительно в размере и форме самих костей. Согласно общепринятому мнению, когда животное умирает в условиях, подходящих для окаменения, инертные минералы из окружающей среды в конечном итоге замещают все органические молекулы — те, из которых состоят клетки, ткани, пигменты и белки, — оставляя после себя кости, полностью состоящие из минералов. Когда я сидел в музее в тот день в 1992 году и смотрел на багровые структуры в кости динозавра, я на самом деле смотрел на знак того, что этот основополагающий постулат палеонтологии может быть не всегда верен — хотя в то время я был в основном озадачен. Учитывая, что динозавры были не млекопитающими позвоночными, у них должны были быть ядросодержащие клетки крови, и красные элементы, конечно, выглядели соответствующим образом, но они также могли возникнуть в результате какого-то незнакомого мне геологического процесса.

Тогда я был относительно молодым аспирантом в Университете штата Монтана, изучавшим микроструктуру костей динозавров, и вряд ли можно было назвать меня опытным специалистом. После того как я попросил преподавателей и других аспирантов высказать свое мнение о принадлежности красных сфер, весть о головоломке дошла до Джека Хорнера, куратора палеонтологии в музее и одного из крупнейших в мире специалистов по динозаврам. Он решил взглянуть сам. Нахмурив брови, он смотрел в микроскоп, казалось, часами, не произнося ни слова. Затем, нахмурившись, он спросил меня: «Как вы думаете, что это такое?» Я ответил, что не знаю, но они были правильного размера, формы и цвета, чтобы быть клетками крови, и к тому же находились в правильном месте. Он хмыкнул. «Так докажите мне, что это не так. «Это был неотразимый вызов, который помог мне определить, как я задаю вопросы для своих исследований, даже сейчас.

С тех пор мы с коллегами извлекли различные типы органических останков, включая кровеносные сосуды, костные клетки и кусочки материала, похожего на ноготь, из которого состоят когти, из множества образцов, что свидетельствует о том, что хотя сохранение мягких тканей в окаменелостях, возможно, не является обычным, но и не единичным явлением. Эти находки не только расходятся с описанием процесса окаменения в учебниках, но и позволяют по-новому взглянуть на биологию ушедших существ. Например, кость из другого экземпляра T. rex показала, что животное было самкой, которая в момент смерти находилась в состоянии «кладки» (подготовки к откладыванию яиц) — информацию, которую мы не смогли бы получить только по форме и размеру костей. А белок, обнаруженный в остатках волокон небольшого плотоядного динозавра, найденного в Монголии, помог установить, что у динозавра были перья, которые на молекулярном уровне напоминали перья птиц.

Наши результаты были встречены с большим скептицизмом — в конце концов, они крайне удивительны. Но скептицизм — неотъемлемая часть науки, и я продолжаю считать эту работу увлекательной и многообещающей. Изучение древних органических молекул динозавров способно продвинуть понимание эволюции и вымирания этих великолепных существ так, как мы и представить себе не могли всего два десятилетия назад.

Первые признаки

Как гласит старая пословица, необычные утверждения требуют необычных доказательств. Внимательные ученые прилагают все усилия, чтобы опровергнуть заветные гипотезы, прежде чем признать правильность своих идей. Так, в течение последних 20 лет я пробовал все возможные эксперименты, чтобы опровергнуть гипотезу о том, что обнаруженные мной и моими коллегами материалы являются компонентами мягких тканей динозавров и других давно исчезнувших животных.

В случае с красными микроструктурами, которые я увидел в кости T. rex, я начал с того, что подумал: если бы они были связаны с клетками крови или их составляющими (например, молекулами гемоглобина или гема, которые слиплись вместе после освобождения из умирающих клеток крови), они сохранились бы в какой-то, хотя, возможно, и очень измененной форме, только если бы сами кости были исключительно хорошо сохранены. В плохо сохранившихся скелетах такие ткани исчезли бы. На макроскопическом уровне это было очевидно. Скелет, почти полный образец из восточной Монтаны, получивший официальное название MOR 555 и ласковое прозвище «Большой Майк», включает в себя множество редко сохраняющихся костей. Микроскопическое исследование тонких срезов костей конечностей показало столь же первозданную сохранность. Большинство каналов кровеносных сосудов в плотной кости были пустыми, а не заполнены минеральными отложениями, как это обычно бывает у динозавров. И эти рубиновые микроскопические структуры находились только в каналах сосудов, никогда в окружающей кости или в отложениях, прилегающих к костям, как и должно быть в случае с клетками крови.

Далее я обратил внимание на химический состав подражателей кровяных клеток. Анализ показал, что они богаты железом, как и красные кровяные тельца, и что это железо характерно именно для них. Элементный состав загадочных красных штучек (мы прозвали их LLRTs, «маленькие круглые красные штучки») не только отличался от состава костей, непосредственно окружавших каналы сосудов, но и совершенно не совпадал с составом отложений, в которых был погребен динозавр. Но чтобы еще больше проверить связь между красными структурами и клетками крови, я хотел исследовать образцы на наличие гема — маленькой железосодержащей молекулы, которая придает крови позвоночных алый оттенок и позволяет белкам гемоглобина переносить кислород от легких к остальным частям тела. Гемоглобин вибрирует, или резонирует, в заметных узорах, когда его стимулируют настроенными лазерами, а поскольку он содержит металлический центр, то поглощает свет очень отчетливо. Когда мы подвергли образцы костей спектроскопическому анализу — измеряющему свет, который данный материал излучает, поглощает или рассеивает, — наши результаты показали, что где-то в костях динозавра были соединения, которые соответствовали гему.

В одном из самых убедительных экспериментов мы использовали иммунный ответ. Когда организм обнаруживает вторжение чужеродных, потенциально вредных веществ, он вырабатывает защитные белки, называемые антителами, которые могут специфически распознавать, или связываться, с этими веществами. Мы вводили экстракты костей динозавров мышам, заставляя их вырабатывать антитела против органических соединений, содержащихся в экстракте. Когда мы затем подвергли эти антитела воздействию гемоглобина индеек и крыс, они связались с гемоглобином — признак того, что экстракты, вызвавшие выработку антител у мышей, содержали гемоглобин или что-то очень похожее на него. Данные об антителах подтвердили идею о том, что кости Большого Майка содержали нечто похожее на гемоглобин живых животных.

Ни один из многочисленных химических и иммунологических тестов, которые мы провели, не опроверг нашу гипотезу о том, что загадочные красные структуры, видимые под микроскопом, были красными кровяными тельцами

Однако мы не могли доказать, что гемоглобиноподобное вещество специфично для красных структур — имеющиеся методы были недостаточно чувствительны, чтобы провести такую дифференциацию. Таким образом, мы не могли однозначно утверждать, что это клетки крови. Когда мы опубликовали свои результаты в 1997 году, мы сделали консервативные выводы, заявив, что белки гемоглобина могли сохраниться и что наиболее вероятным источником таких белков были клетки динозавра. Статья получила очень мало внимания.

Доказательства накапливаются

Благодаря работе над T. Rex я начал понимать, как много ископаемая органика может рассказать о вымерших животных. Если бы нам удалось получить белки, мы могли бы расшифровать последовательность входящих в их состав аминокислот, подобно тому как генетики составляют последовательность «букв», из которых состоит ДНК. Как и последовательности ДНК, последовательности белков содержат информацию об эволюционных отношениях между животными, о том, как виды меняются со временем и как приобретение новых генетических признаков могло дать преимущества животным, обладающим этими признаками. Но сначала мне нужно было доказать, что древние белки присутствуют в других окаменелостях, кроме удивительного T. rex, которого мы изучали. Сотрудничая с Марком Маршаллом, работавшим тогда в Университете Индианы, а также с Сетом Пинкусом и Джоном Уоттом, работавшими в это время в штате Монтана, я обратил внимание на две хорошо сохранившиеся окаменелости, которые выглядели многообещающими с точки зрения восстановления органики.

Первая — красивая примитивная птица по имени Рахонавис, которую палеонтологи из Университета Стоуни Брук и Колледжа Макалестера обнаружили в отложениях на Мадагаскаре, относящихся к позднему меловому периоду, примерно 80-70 миллионов лет назад. Во время раскопок они заметили белый волокнистый материал на костях пальцев ног скелета. Ни на одной другой кости в каменоломне этого вещества не было, как не было его и в отложениях, что говорит о том, что оно было частью животного, а не попало на кости вторично. Они задались вопросом, не может ли этот материал быть похож на прочную оболочку из белка кератина, которая покрывает кости пальцев ног живых птиц, формируя их когти, и попросили меня о помощи.

Кератиновые белки — хорошие кандидаты на сохранение, поскольку их много в организме позвоночных, а состав этого семейства белков делает их очень устойчивыми к деградации, что очень важно для таких органов, как кожа, которые подвергаются воздействию суровых условий. Они бывают двух основных типов: альфа и бета. Альфа-кератин есть у всех позвоночных, из него состоят волосы и ногти, он помогает коже противостоять истиранию и обезвоживанию. Бета-кератин отсутствует у млекопитающих и встречается среди живых организмов только у птиц и рептилий.

Чтобы проверить наличие кератинов в белом материале на костях пальцев ног рахонависа, мы использовали многие из тех же методов, которые я применял для изучения T. rex. Примечательно, что тесты на антитела показали наличие как альфа-, так и бета-кератина. Мы также использовали дополнительные диагностические инструменты. Например, другие анализы выявили аминокислоты, локализованные в покрытии костей пальцев ног, а также азот (компонент аминокислот), который был связан с другими соединениями, как белки связываются между собой в живых тканях, в том числе в кератине. Результаты всех наших тестов подтвердили предположение о том, что загадочный белый материал, покрывавший кости пальцев ног древней птицы, включал фрагменты альфа- и бета-кератина и являлся остатками ее некогда смертоносных когтей.

Второй образец, который мы исследовали, представлял собой впечатляющую позднемеловую окаменелость, обнаруженную в Монголии исследователями из Американского музея естественной истории в Нью-Йорке. Хотя ученые назвали это животное Shuvuuia deserti, или «пустынная птица», на самом деле это был небольшой плотоядный динозавр. Во время чистки окаменелости Эми Дэвидсон, техник музея, заметила небольшие белые волокна в области шеи животного. Она спросила меня, могу ли я определить, что это остатки перьев. Птицы произошли от динозавров, и охотники за ископаемыми обнаружили ряд окаменелостей динозавров, сохранивших следы перьев, так что теоретически предположение о том, что у шувуйи была пуховая шуба, вполне правдоподобно. Однако я не ожидал, что такая тонкая структура, как перо, могла выдержать разрушительное воздействие времени. Я подозревал, что белые волокна происходят от современных растений или грибов. Но я согласился взглянуть на них поближе.

К моему удивлению, первые тесты исключили растения или грибки в качестве источника волокон. Более того, последующие анализы микроструктуры странных белых нитей указали на наличие кератина. Зрелые перья живых птиц состоят почти исключительно из бета-кератина. Если маленькие волокна на Шувуйе относятся к перьям, то они должны содержать только бета-кератин, в отличие от когтевого панциря Рахонависа, который содержал и альфа-, и бета-кератин. Именно это мы и обнаружили, когда провели анализ на антитела — результаты мы опубликовали в 1999 году.

Необычные находки

К этому времени я был убежден, что небольшие остатки исходных белков могут сохраниться в очень хорошо сохранившихся окаменелостях и что у нас есть инструменты для их идентификации. Но многие в научном сообществе оставались неубежденными. Наши выводы опровергали все, что, по мнению ученых, они знали о распаде клеток и молекул. Исследования органических молекул в пробирке показали, что белки не должны существовать более миллиона лет или около того; срок жизни ДНК был еще короче. Исследователи, работавшие над древней ДНК, ранее утверждали, что им удалось обнаружить ДНК возрастом в миллионы лет, но последующие работы не подтвердили эти результаты. Единственные широко признанные заявления о древних молекулах имели возраст не более нескольких десятков тысяч лет. Более того, один анонимный рецензент статьи, которую я подал для публикации в научном журнале, заявил мне, что такой тип сохранности невозможен и что я не смогу убедить его в обратном, несмотря на наши данные.

В ответ на такое сопротивление коллега посоветовал мне сделать небольшой шаг назад и продемонстрировать эффективность наших методов выявления древних белков в костях, которые были старыми, но не такими древними, как кости динозавров, чтобы обеспечить доказательство принципа. В сотрудничестве с химиком-аналитиком Джоном Асарой из Гарвардского университета я получил белки из окаменелостей мамонта, возраст которых оценивался от 300 000 до 600 000 лет. Секвенирование белков с помощью метода масс-спектрометрии однозначно идентифицировало их как коллаген, ключевой компонент костей, сухожилий, кожи и других тканей. Публикация результатов исследования мамонта в 2002 году не вызвала особых споров. Действительно, научное сообщество в основном проигнорировало ее. Но наше принципиальное доказательство должно было очень пригодиться.

В следующем году команда Музея Скалистых гор наконец-то закончила раскопки еще одного скелета T. rex , который, имея возраст 68 миллионов лет, является самым древним на сегодняшний день. Как и более молодой T. rex, он называется MOR 1125 и получил прозвище «Брекс» в честь первооткрывателя Боба Хармона — его извлекли из формации Хелл-Крик в восточной Монтане. Это место является изолированным и удаленным, к нему нет доступа для транспортных средств, поэтому вертолет переправлял гипсовые куртки с извлеченными костями с места на место. Куртка с костями ног оказалась слишком тяжелой для вертолета. Чтобы извлечь их, команда разбила куртку, отделила кости и снова надела куртку. Но кости очень хрупкие, и когда куртку открыли, из нее выпало множество фрагментов костей. Они были упакованы для меня. Поскольку мои первоначальные исследования T. rex вызвали много споров, мне не терпелось повторить работу на втором T. rex. Новая находка предоставила прекрасную возможность.

Как только я взглянул на первый кусок кости, извлеченный из коробки, — фрагмент бедренной кости, — я понял, что скелет особенный. На внутренней поверхности этого фрагмента был тонкий, отчетливый слой кости, которая никогда не встречалась у динозавров. Этот слой был очень волокнистым, наполненным каналами кровеносных сосудов и совершенно отличался по цвету и текстуре от кортикальной кости, составляющей большую часть скелета. «Боже мой, это девушка, и она беременна!» воскликнул я, обращаясь к своей ассистентке Дженнифер Виттмайер. Она посмотрела на меня так, будто я сошла с ума. Но, изучая физиологию птиц, я был почти уверен, что эта отличительная особенность — медуллярная кость, особая ткань, которая появляется лишь на ограниченное время (часто всего на две недели), когда птицы несут яйца, и существует, чтобы обеспечить легкий источник кальция для укрепления скорлупы яиц.

Одна из характеристик, отличающих медуллярную кость от других типов костей, — беспорядочная ориентация коллагеновых волокон, что свидетельствует об очень быстром формировании. (Такая же организация происходит в первой кости, которая откладывается при переломе — именно поэтому вы чувствуете шишку в заживающей кости). Кости современной птицы и всех других животных можно деминерализовать с помощью мягких кислот, чтобы выявить расположение коллагеновых волокон. Мы с Виттмайером решили попробовать удалить минералы. Если это была медуллярная кость и если в ней присутствовал коллаген, то удаление минералов должно было оставить после себя беспорядочно ориентированные волокна. Когда минералы были удалены, они оставили гибкий и волокнистый комок ткани. Я не мог поверить в то, что мы видим. Я попросил Виттмайера повторить эксперимент несколько раз. И каждый раз, когда мы помещали отличительный слой кости в слабый раствор кислоты, оставался волокнистый тянущийся материал — точно такой же, как и при обработке костной ткани у птиц.

Более того, когда мы затем растворили кусочки более плотной, более распространенной кортикальной кости, мы получили больше мягкой ткани. Из растворяющегося матрикса появились полые, прозрачные, гибкие, ветвящиеся трубки, которые выглядели в точности как кровеносные сосуды. Внутри сосудов находились либо маленькие круглые красные структуры, либо аморфные скопления красного материала. Дополнительные эксперименты по деминерализации выявили костные клетки, похожие на остеоциты, которые выделяют коллаген и другие компоненты, составляющие органическую часть кости. Казалось, что весь динозавр сохранил материал, никогда ранее не встречавшийся в костях динозавров.

Когда в 2005 году мы опубликовали свои наблюдения в журнале Science, сообщив о присутствии того, что выглядело как коллаген, кровеносные сосуды и костные клетки, статья привлекла большое внимание, но научное сообщество заняло выжидательную позицию. Мы утверждали лишь то, что найденный нами материал напоминал эти современные компоненты, но не то, что это одно и то же. Спустя миллионы лет, погребенные в отложениях и подвергавшиеся действию геохимических условий, которые менялись с течением времени, то, что сохранилось в этих костях, могло иметь мало химического сходства с тем, что было там, когда динозавр был жив. Реальную ценность этих материалов можно было бы определить, только определив их состав. Наша работа только начиналась.

Используя все методы, отточенные при изучении Большого Майка, Рахонависа, Шувуйи и мамонта, я начал углубленный анализ костей этого T. rexв сотрудничестве с Асарой, которая усовершенствовала методы очистки и секвенирования, использованные нами при изучении мамонта, и была готова попробовать секвенировать гораздо более древние белки динозавра. Это оказалось гораздо сложнее, поскольку концентрация органики в динозавре была на порядки меньше, чем в гораздо более молодом мамонте, а белки были сильно деградированы. Тем не менее, в конце концов, нам удалось установить их последовательность. И, что отрадно, когда наш коллега Крис Орган из Гарварда сравнил последовательности T. rex с последовательностями множества других организмов, он обнаружил, что они наиболее тесно сгруппированы с птицами, за которыми следуют крокодилы — две группы, являющиеся ближайшими живыми родственниками динозавров.

Споры и их последствия

Наши статьи с подробным описанием работы по секвенированию, опубликованные в 2007 и 2008 годах, вызвали бурю споров, большинство из которых касались нашей интерпретации данных секвенирования (масс-спектрометрии). Некоторые несогласные обвиняли нас в том, что мы не получили достаточного количества последовательностей для аргументации; другие утверждали, что структуры, которые мы интерпретировали как первобытные мягкие ткани, на самом деле были биопленкой — «слизью», произведенной микробами, которые вторглись в окаменевшую кость. Были и другие критические замечания. Я испытывал смешанные чувства по поводу их отзывов. С одной стороны, ученым платят за скептицизм и строгое изучение удивительных утверждений. С другой стороны, в науке действует принцип парсимонии — предполагается, что самое простое объяснение всех данных будет правильным. К тому же мы подкрепили нашу гипотезу множеством доказательств.

И все же я понимал, что одно открытие не имеет долгосрочного значения для науки. Нам нужно было составить последовательность белков из других находок динозавров. Когда волонтер, сопровождавший нас в летней экспедиции, нашел кости 80-миллионнолетнего растительноядного утконосого динозавра под названием Brachylophosaurus canadensis, или «Брахи», мы заподозрили, что утконос может быть хорошим источником древних белков еще до того, как достали его кости из земли. Надеясь, что он может содержать органику, мы сделали все возможное, чтобы быстро освободить его от окружающего песчаника и при этом минимизировать его воздействие на окружающую среду. Загрязняющие вещества воздуха, перепады влажности и т. п. были бы очень вредны для хрупких молекул, и чем дольше кость находилась под открытым небом, тем больше вероятность загрязнения и разрушения.

Возможно, благодаря этой дополнительной заботе и оперативному анализу химический состав и морфология второго динозавра были менее изменены, чем у Брекса. Как мы и надеялись, в костях животного мы обнаружили клетки, встроенные в матрицу из белых коллагеновых волокон. Клетки имели длинные, тонкие, ветвистые отростки, характерные для остеоцитов, которые мы могли проследить от тела клетки до мест их соединения с другими клетками. Некоторые из них даже содержали внутренние структуры, включая возможные ядра.

Кроме того, экстракты костей утконоса реагировали с антителами, направленными на коллаген и другие белки, которые бактерии не производят, что опровергает предположение о том, что наши мягкотканные структуры были просто биопленками. Кроме того, последовательности белков, которые мы получили из кости, больше всего напоминали белки современных птиц, как и у Брекса. Мы отправили образцы костей утконоса в несколько лабораторий для независимого тестирования, и все они подтвердили наши результаты. После того как мы сообщили об этих выводах в журнале Science в 2009 году, я не услышал никаких жалоб.

На этом наша работа не заканчивается. В древних мягких тканях еще так много непонятного. Почему эти материалы сохранились, хотя все наши модели говорят, что они должны разрушаться? Как на самом деле происходит окаменение? Как много мы можем узнать о животных по сохранившимся фрагментам молекул? Работа по секвенированию намекает на то, что анализ этого материала может в конечном итоге помочь разобраться в родстве вымерших видов — если мы и другие создадим большие библиотеки древних последовательностей и последовательностей живых видов для сравнения. По мере расширения этих баз данных мы сможем сравнивать последовательности, чтобы увидеть, как представители той или иной линии изменились на молекулярном уровне. А укоренив эти последовательности во времени, мы сможем лучше понять скорость эволюции. Такие выводы помогут ученым собрать воедино то, как динозавры и другие вымершие существа реагировали на серьезные изменения окружающей среды, как они восстанавливались после катастрофических событий и что в конечном итоге их погубило.

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Кровь из камня: как ископаемые могут сохранять мягкие ткани» в журнале Scientific American, том 303 № 6 (декабрь 2010 г.), стр. 0