В Африке, которую большинство ученых считают колыбелью человечества, Homo sapiens жили не одни. Там они могли соприкасаться с Homo naledi и, вероятно, другими ответвлениями человеческого рода. Исследования показывают, что 50 000 тысяч лет назад на Земле обитало по меньшей мере пять или шесть видов людей. В книге «Мир до нас: Новый взгляд на происхождение человека» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Андреем Гришиным, археолог Том Хайэм рассказывает о поздней эволюции наших прямых предков и о том, досталось ли нам что-то от исчезнувших доисторических людей. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, в котором ученые используют масс-спектрометрическую зооархеологию, чтобы отыскать среди тысяч костей в Денисовской пещере останки гоминина.
Поиск иголок в стоге сена
Пожалуй, я при всем желании не смог бы отрешиться от постоянных раздумий о том, как и где искать останки денисовцев. В июле 2014 году я со своей сотрудницей по исследованиям (и женой) Катериной Дукой прибыл в Денисову пещеру на встречу. Как обычно, я испытал радость и восторг, снова оказавшись в Алтайских горах. Я ощущал единение с природой и наслаждался прекрасными пейзажами этих мест, умиротворяющим журчанием вод Ануя, чистым и свежим воздухом и, прежде всего, уникальной, несравненной археологией и товарищеской обстановкой в экспедиции. На эти мини-конференции, проводимые через каждые три-четыре года, всегда съезжался весь цвет мировой палеоантропологии: Анатолий Деревянко, Михаил Шуньков, Сванте Паабо, Бенце Виола и другие, — а также весьма интересные, работающие в различных областях археологии и генетики студенты и исследователи, с которыми я прежде не встречался.
Мы с Катериной поселились в одном из уютных шале базового лагеря. Через несколько дней, заполненных докладами, разговорами за стаканчиком спиртного и спорами до глубокой ночи, в наших головах начала зарождаться прекрасная идея.
Мы сообразили, что главная проблема исследования Денисовой пещеры состоит в том, что 95 процентов костей, обнаруживаемых в ходе раскопок, раздроблены на мелкие кусочки, вероятно зубами зверей-падальщиков. Это означает, что почти в каждом случае невозможно определить не то что род или вид хозяина кости, но даже и принадлежность ее человеку или животному. Вот и лежат эти раскопанные и очищенные косточки в пыльных кладовых, сваленные в большие пластиковые мешки, и не представляют для археологии никакой ценности. И все же среди этого крошева наверняка должны иметься человеческие кости. Возможно, как это было с «Денисова 3» (фаланга мизинца) или «Денисова 5» (так называемый алтайский неандерталец), они всего лишь несколько сантиметров длиной, но они насыщены ДНК и, следовательно, важнейшей информацией о древних обитателях пещеры. Нам же остается только отобрать их. Но как это сделать?
Ответ дает новейшая, совсем недавно разработанная технология ZooMS — масс-спектрометрическая зооархеология. У разных видов животных костный коллаген немного различается последовательностью белков (или пептидов). При анализе с помощью масс-спектрометра эти пептидные последовательности представляются чем-то вроде молекулярных отпечатков пальцев, которые позволяют идентифицировать останки до уровня рода или вида путем сравнения этих «отпечатков» с другими, содержащимися в библиотеке костей известных видов. Изобретателями методики являются Мэттью Коллинз из Йоркского университета и его студент
Buckley, M. et al. 2009. Species Identification by Analysis of Bone Collagen Using Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation Time-of-Flight Mass Spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry 23: 3843–54.
. Мы с Катериной поняли, что, используя этот метод, можно провести скрининг тысяч костей, выбрать только те из них, которые содержат пептидные последовательности человека, и тем самым, если повезет, расширить удручающе маленькую коллекцию человеческих костей из денисовских раскопок.
Мы не были оптимистично настроены. Отыскать человеческие кости эпохи палеолита случается очень редко; почти все найденные кости принадлежали животным. Время от времени попадаются скелетные обломки или отдельные зубы, но этого крайне мало по сравнению с останками животных, которых люди-охотники и хищные звери заносили в пещеры. Принесет ли пользу просеивание всех этих бесчисленных осколков костей? В конце концов, в ходе небольшого застолья, которое организовал Анатолий Деревянко, когда все немного разгорячились от водки, мы завели разговор на эту тему. Анатолий и Михаил Шуньков сочли идею разумной. Сванте Паабо также был очень заинтересован ею; он сразу понял, что, учитывая высокий уровень биомолекулярной сохранности находок в Денисовой пещере, таким способом можно будет раздобыть значительно больше человеческих костей, пригодных для генетического секвенирования. Итак, нам дали зеленый свет. Анатолий заверил нас, что к следующей встрече, которая должна была состояться на конференции в Бургосе (Испания) в том же году, они с Михаилом приготовят для нас мешок костей, чтобы мы могли приступить к работе.
Что касается гоминин, то ZooMS могла рассказать нам, принадлежал ли обладатель кости к семейству
Гоминиды — это семейство отряда приматов, включающее в себя три рода человекообразных обезьян — Pongo (орангутан), Gorilla, Pan (обыкновенный шимпанзеи бонобо) — и человеческий род Homo.
, и ничего больше. Иными словами, масс-спектрометр выявит у гориллы, неандертальца, денисовца, орангутана и у нас с вами одинаковую последовательность пептидов. Для дальнейшего обнаружения различий и верной идентификации образца необходимо извлечь и секвенировать ДНК. Этот этап работы должен был обеспечить Сванте со своей прославленной исследовательской группой.
В тот приезд в Денисову пещеру я впервые смог обстоятельно пообщаться со Сванте. Прежде мы лишь однажды пересекались — в начале 2000-х годов, в оксфордском пабе среди большой толпы. То ли дело в Денисовой пещере, на небольших встречах участников исследования, где действительно знакомишься с коллегами и общаешься с ними. Почти 10 лет я разъезжал по раскопкам и музеям, откуда доставлял в лабораторию многочисленные образцы для датировки. Каждый раз, забирая кость неандертальца для радиоуглеродного исследования, я спрашивал у хранителей, не произвести ли им заодно и секвенирование ДНК образца, на что неизменно получал ответ: «Этим уже занимается Сванте, в Лейпциге». Я привык к подобным разочарованиям. Конечно же, дело в том, что Паабои его группа являются специалистами по неандертальцам, а теперь еще и по денисовцам. К тому же самыми лучшими.
Сванте начал исследовать древнюю ДНК практически в одиночку, в 1980-х годах, в лаборатории Аллана Уилсона в Беркли. А сейчас возглавляемый им лейпцигский отдел Института Макса Планка является мировым лидером в области древней геномики. У этого рослого и немного неуклюжего шведа, то и дело повторяющего: «Очень круто!», замечательное чувство юмора. Мы с ним хорошо поладили и теперь приходимся друг другу не только коллегами, но и добрыми друзьями. У него блестящий ум, и все же он немного
От его студентов я услышал забавную историю о том, как в 2016 году он получал в Лос-Анджелесе престижную «Премию за прорыв в науке» (лауреатам этой ежегодной награды, также известной как «научный Оскар», вручается по 3 млн долларов). Вернувшись в лабораторию, Сванте продемонстрировал фотографию, на которой очень привлекательная блондинка вручала ему премию. Он, правда, понятия не имел, кто она такая, и лишь от студентов узнал, что его награждала суперизвестная поп-звезда Кристина Агилера.
.
Отдел Сванте ежегодно устраивает семинары для обсуждения своих исследований. Однажды и я стал гостем такого семинара, проходившего в хорватском городе Пула. Было крайне поучительно наблюдать, как личные научные интересы Сванте сочетаются с устремлениями его сотрудников. Он возглавляет группу из очень талантливых, сложившихся ученых и многообещающих студентов.
Мысль об испытании ZooMS на денисовских образцах удачно совпала с получением мною
ERC предоставил мне необычайно крупную сумму — 2,5 млн евро — в рамках программы Европейского Союза по поощрению высокорискованных, но многообещающих исследований. Своему проекту я дал название «PalaeoChron» — сокращение от «Palaeolithic Chronology», то есть хронология палеолита. Мне удалось привлечь к этой работе нескольких молодых ученых и студентов более чем на шесть лет.
гранта от Европейского исследовательского совета (ERC). Даже часть от этой суммы позволяла нам обработать с помощью ZooMS несколько тысяч образцов, и потому, вернувшись в Оксфорд, мы приступили к подготовке мелких фрагментов костей для исследования. Этот первый этап длится дольше всего. Нужно отпилить от каждой косточки препарат — маленький, около 20 миллиграмм, кусочек, поместить его в пластиковую пробирку и пометить ее так же, как пластиковый пакет, в котором хранится исходный образец.
Далее следует химическая обработка.
Сначала мы извлекаем белок (коллаген), растворяя кость в разбавленной кислоте. Полученный коллаген необходимо разделить на отдельные пептиды. Это мы делали при помощи еще одного передового метода, суть которого состоит в добавлении в коллагеновый раствор фермента трипсина, с хирургической точностью разрезающего коллаген на фрагменты-пептиды. (Вообще-то, именно этим трипсин занимается в животе каждого из нас, помогая нам переваривать белки. Когда вы съедаете бифштекс, вы запускаете тот же самый процесс ферментного переваривания, который мы применяем в лаборатории для того, чтобы выбрать из находок археологов человеческие кости.) Выделив пептиды, мы добавляем химикат, который обеспечивает их затвердение и кристаллизацию, после чего многоканальной пипеткой наносим вещество на множество — сотни — стальных пластинок. Эти пластинки мы помещаем в масс-спектрометр.
С помощью лазера пептиды получают электрический заряд, и заряженные частицы движутся по короткой трубке к детектору. Чем мельче фрагмент, тем быстрее его движение, крупные же обязательно отстанут. Очень скоро массы всех частиц пептидов, имеющихся в образце, удается измерить, после чего полученное распределение сравнивают с библиотекой исследованных ранее костей, принадлежность которых точно известна, и таким образом образец идентифицируют до рода, а иногда и до вида.
Подготовительная стадия исследования весьма трудоемка — для нее нужны очень старательные работники. Мы с Катериной задумались, может ли кто-нибудь из наших студентов заинтересоваться выполнением проекта по одной из тем их диссертации. К счастью для нас, в тот год подобралась сильная когорта студентов-магистрантов, и одна из студенток, энергичная и целеустремленная австралийка Саманта Браун, решила написать магистерскую диссертацию именно об этой работе.
Сэм принялась пилить кости. Она целыми днями не показывалась из комнатушки нашей оксфордской лаборатории и к концу января приготовила 700 10-миллиграммовых препаратов. В середине февраля 2015 года она побывала на стажировке в манчестерской лаборатории Майка Бакли, где занималась анализом образцов и училась идентифицировать пептидные последовательности.
Через неделю спектральный анализ показал, что кости, которые мы успели исследовать, принадлежали медведю, корове, оленю, собаке, лисице, козе, лошади, гиене, мамонту, мыши, кролику, северному оленю, шерстистому носорогуи овце. А вот гоминидов не попадалось. Первая проба оказалась неудачной. Я запретил себе думать о том, что фактически мы ищем иголку в стоге сена — ну то есть в груде костей. Результата не было, но мы все же попытались. Я чувствовал, что пора освободить Сэм от этого задания. Она проделала большую работу и получила определенные данные, но попасть в яблочко, на что мы так надеялись, ей не удалось.
Мы встретились с Сэм, чтобы обсудить ее достижения. Я сказал, что она собрала солидный массив материалов об идентифицированных костях животных, который, пожалуй, послужит отличной базой для диссертации. Так что она может отдохнуть и не спеша составить тезисы к положенному сроку.
Но тут Сэм проявила твердость характера. Она отказалась и заявила, что не желает бросать работу, а хочет продолжить ее и обработать максимальное число образцов среди которых все же может попасться кость гоминина. Ну можно?..
Средства пока что позволяли — так почему бы и нет? Единственная проблема состояла в том, что у нас закончились образцы, и поэтому мы отправили Сэм в Россию. Через несколько дней она вернулась оттуда с еще одним большим мешком костных обломков, любезно предоставленных нашими русскими коллегами, и снова скрылась в своей «мастерской». Через три недели были напилены, промаркированы и готовы к исследованию 1308 препаратов.
К тому времени Сэм уже заслужила репутацию настойчивой и дотошной работницы. Окружающие шутили, что она совсем переселилась в лабораторию и только пилит, и пилит, и пилит кости. Она же уверяла, что работа очень увлекательна, несмотря на однообразие. Я очень, очень надеялся на успех. Хотя бы одну косточку — этого будет более чем достаточно. И неважно, окажется она большой или совсем крошечной, лишь бы продемонстрировать действенность метода.
Взяв с собой 780 образцов, Сэм снова уехала в Манчестер для работы с масс-спектрометром. К сожалению, там была какая-то проблема с компьютером; Сэм вернулась в Оксфорд, так и не узнав результаты. Впрочем, Майк пообещал передать нам спектры, как только всё наладят. Через день, в пятницу 19 июня, под вечер, он просматривал полученные данные перед тем, как отправить их нам, и заметил в одном из спектров что-то необычное — там будто бы присутствовали пять уникальных пептидных маркеров, присущих гоминидам. Да, это был гоминин! Майк трижды перепроверил данные и в 20:09 послал мне электронное письмо, начинавшееся со слов: «Успех! Один из 780 образцов — тот, что нам нужен!». А дальше прямо сообщил мне радостную весть: мы нашли кость гоминина!
Подробнее читайте:
Хайэм, Т. Мир до нас: Новый взгляд на происхождение человека / Том Хайэм ; Пер. с англ. [Андрея Гришина] — М. : Альпина нон-фикшн, 2024. — 396 с. : ил.