МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПАЛЕОНТОЛОГИЯ

Молекулярная палеонтология – молодая и перспективная наука. В статье рассмотрены достижения палеонтологии за последние 40 лет, полученные на молекулярном уровне. В ходе проведенных исследований были сделаны важные выводы о происхождении, родстве и эволюции разных групп животных. Методологическая база сильно изменилась, дополнив дисциплину новыми методами: иммунологические, техника ПЦР, секвенирование и др.

Ключевые слова: Молекулярная палеонтология, палеонтология, макромолекулы, органические вещества.

Molecular paleontology is an emerging and important field in science. The article considers the achievements of paleontology over the past 40 years, obtained at the molecular level. As a result of studies important implications about the origin, relationship and evolution of various animal groups were made. The methodological framework has changed dramatically expanding discipline with new methods: immunoassay, PCR technique, sequencing, etc.

Keywords: Molecular paleontology, paleontology, macromolecules, organic compounds.

В основу обзора положены публикации статей Schweitzer M.H., Abelson P.H., Университета Центрального Арканзаса, и др.

Данная дисциплина занимается выделением и анализом древних макромолекул: ДНК, белков, липидов, углеводов и продуктов их диагенеза из древних человеческих, животных, и растительных останков [5]. В широком смысле молекулярная палеонтология охватывает область изучения всех химических следов, оставленных живыми организмами или их жизненными процессами. Хемофоссилии являются уликами и представляют ценную информацию для понимания жизни и систематики вымерших животных[5]. Из четырех основных классов сложных органических соединений нуклеиновые кислоты обладают самой низкой сохранностью. Белки более устойчивы к деградации, и в определенных условиях их распад по сравнению с другими органическими веществами происходит миллионы лет. Коллаген в костях распадается довольно быстро, в то время как небольшие компактные белки, как остеокальцин остаются целыми в течение длительных отрезков времени [5].

История молекулярной палеонтологии начинается в середине 1950-х годов, когда Филипп Абельсон (Philip Hauge Abelson) обнаружил аминокислоты в ископаемой раковине, датируемой возрастом в 360 млн. лет и предположил, что в процессе сравнения ископаемых аминокислотных последовательностей разных вымерших групп можно проследить их молекулярную эволюцию[1]. В дальнейшем польский ученый Р. Павлицкий сделал ряд крупных открытий с 1960-х по 1990-е годы. С помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии польские исследователи опознали коллагеновые волокна, кровеносные сосуды, остеоциты в костях динозавра  возрастом 80 млн. лет [9]. Начиная с 70-х годов, Павлицкий, используя иммуногистохимические методы, идентифицировал интактные белки, липиды, мукополисахариды и ДНК [9]. Отчеты сохранившихся органических соединений динозавров и других животных подверглись критике из-за возможного присутствия бактериальных биопленок и других форм загрязнения, как потенциальный источник органического вещества [9]. Однако в большинстве ископаемых останков с 1970-х гг. белки были опознаны иммунологическими методами с применением антител в виде антисывороток, узнающих только белки позвоночных или конкретные их типы, тем самым устраняя микробный и другие источники загрязнения [2]. Другая область молекулярной палеонтологии в 1960-е годы связана с анализом состава нефти с целью определения ее истории и источника возникновения [9]. Позже, в 1970-х гг., палеоботаники изучали молекулы, выделенные из хорошо сохранившихся ископаемых растений, в частности, флавоноиды и компоненты лигнина [2]. Попытки извлечения фрагментов ДНК из ископаемых образцов предпринимались с середины 1980-х годов и стали все более распространенными с разработкой полимерной цепной реакции (ПЦР) техника, позволяющая быстро размножать участки ДНК до огромного множества ее копий [5]. Достаточно много сложных органических соединений, как спирты, жирные кислоты и аминокислоты, известны из некоторых метеоритов и межзвездной пыли. Они не являются частью живых организмов, но вызывают интерес у исследователей по вопросам происхождения живого, демонстрируя вездесущность и легкость синтеза органических молекул в космосе, что не исключает внеземное возникновение жизни [5].

Значимые открытия с 1990-хх и по сей день сделала ведущий молекулярный палеонтолог М. Швейцер. К числу ее известных работ относится выделение фрагментов гемоглобина из кости тираннозавра возрастом в 65 млн. лет [3]. Полипептидный экстракт из кости ящера ввели двум крысам, у обоих выработались антитела. Полученная антисыворотка узнавала гемоглобин индюка, голубя и кролика [3]. В 2005 г. М. Швейцер с коллегами определили пол тираннозавра по наличию в бедре ткани медуллярной кости. Богатая кальцием кость присутствует только у самок птиц перед откладкой яиц [4]. В 2003 г. идентифицированы фрагменты остеокальцина и коллагена из костей тираннозавров. Небольшой участок аминокислотной последовательности коллагена T. rex в 2007 г. М. Швейцер сравнила с аминокислотной последовательностью млекопитающих, птиц и аллигаторов. Ближайшим современным родственником тираннозавра из всех исследованных видов оказалась курица и африканский страус [9]. Проводимые эксперименты М. Швейцер и другими учеными еще раз доказали ближайшее родство динозавров и птиц.

В 2006 г. выпускник Йельского университета Яков Винтер установил наличие меланосом в чернильном мешке ископаемого кальмара, не утратившего черного цвета за 150 млн. лет. Затем аспирант продолжил свои опыты на отпечатках перьев древних птиц и динозавров, установив прижизненный цвет некоторых манирапторов возрастом в 167–120 млн. лет. Революционные факты открыли возможность еще глубже заглянуть в жизнь вымерших таксонов миллионы лет назад.

В 2016 году палеонтологи впервые секвенировали полную белковую последовательность из скорлупы страусов возрастом в 3.8 млн. лет.

Работа с нуклеиновыми кислотами за последние 30 лет радикально продвинулась вперед.

Секвенированы митохондриальные и ядерные ДНК кваги, птицы моа, хоботных и других животных. В 21 веке открыли новый вид ранних гоминид – денисовского человека – на основании прочитанной последовательности митохондриальной и ядерной ДНК из кости пальца. В ноябре 2015 года палеонтологи сообщили об обнаружении ископаемого зуба, содержащего ДНК денисовцев, и оценили его возраст в 110 000 лет [10]. В 2013 году секвенировали полный геном неандертальцев. В 2005 году секвенировали полный митохондриальный геном шерстистого мамонта, что позволило проследить тесную эволюционную связь между мамонтами и азиатскими слонами [7]. В 2015 году ДНК анализ подтвердил, ближайшее родство азиатских слонов по отношению к Mammuthus primigenius [7]. В 2003 г. испанские ученые перенесли ДНК материал из клеток последней самки, вымершего подвида пиренейского козерога в яйцеклетки домашней козы. Полученные эмбрионы имплантировали суррогатным матерям (козам). Из всех коз только одна родила букардо. Новорожденная самка погибла чрез 7 минут в следствии дефекта легких [11]. Первая попытка клонировать вымершее животное завершилось частичным успехом. В 2013 г. испанские генетики заявили о повторной операции клонирования. Наконец в будущем ученые намерены возродить мамонтов, неандертальцев и остальные виды исчезнувших животных [11]. Но дезоксирибонуклеиновая кислота очень хрупкая и быстро разрушается. Самые древние образцы ДНК выделены из костей лошадей чьи останки залегали в вечной мерзлоте и датируются возрастом в 700 тыс. лет. При теплом климате ДНК деградирует быстрее, через 60–100 тысяч лет.

Молекулярная палеонтология все больше отвечает на вопросы и раскрывает тайны эволюции и происхождения животных на молекулярном уровне, не опираясь лишь на фенотипические вариации. Органические вещества, будь то белки, ДНК, липиды или углеводы, не менее важны, чем физические свойства палеонтологических образцов. Современные технологии не стоят на месте, клонирование вымерших животных становится все реальнее, новые научные методы проливают свет и доказывают то, что раньше считалось невозможным.

Список литературы

1.   Abelson P.H. (1954) Organic constituents of fossils. Carnegie Institute of Washington Yearbook 53: 97– 101.

2.   De Jong EW, Westbroek P, Westbroek JF and Bruining JW (1974) Preservation of antigenic properties of macromolecules over 70 Myr. Nature 252: 63–64.

3.   Dinosaur Soft Tissue Issue Is Here to Stay by Brian Thomas, M.S., Acts & Facts, Sep 1, 2009. Huxley Error Led to Cod Calamity by Brian Thomas, M.S., Acts & Facts, Aug 1, 2009.

4.    Gender-specific Reproductive Tissue in  Ratites and Tyrannosaurus Rex. Mary H. Schweitzer and Jennifer L. Wittmeyer, and John R. Horner. 2005. Science 308: 1456–1460.

5.   Molecular Palaeontology. Ben Waggoner, University of Central Arkansas, Comway, Arkansas, USA. Publishedonline: April 2001.

6.   Niklas KJ (1982) Chemical diversification and evolution of plants as inferred from palaeobiochemical studies. In: Nitecki MH (ed.) Biochemical Aspects of Evolutionary Biology, pp. 29–91. Chicago: University of Chicago Press.

7.   Roca, Alfred L.; Ishida, Yasuko; Brandt, Adam L.; Benjamin, Neal R.; Zhao, Kai; Georgiadis, Nicholas

J. (2015). "Elephant Natural History: A Genomic Perspective". Annual Review of Animal Biosciences. 3 (1): 139–167.

8. Schweitzer, Mary Higby, 2003. Reviews and Previews: The Future of Molecular Biology. Palaeontologia Electronica, vol. 5, issue 2, editorial 2: 11pp.

9.   Schweitzer M.H., Moyer A.E., Zheng W. (2016) Testing the Hypothesis of Biofilmas a Source for Soft Tissue and Cell-Like Structures Preserved in Dinosaur Bone.

10.   Zimmer, Carl (16 November 2015). "In a Tooth, DNA From Some Very Old Cousins, the Denisovans". New York Times. Retrieved 16 November 2015.

11.    Zimmer, Carl. "Bringing Extinct Species Back To Life". National Geographic. Retrieved 26 March 2014.