Окаменевший гем
Крупных насекоммых, попавших в пруд, раздирают на части и поедают, а маленькие тонут и увязают в донных осадках. В — Пока комар был погребен в сланцах, белковая часть гемоглобина в его желудке распалась, но остался гем, несколько изменившийся в процессе фоссилизации. Рисунок из статьи Briggs DEG (2013) Proc Natl Acad Sci USA 110: 18353-18354
46 млн лет назад один комар, только что напившийся крови, утонул в пруду и был погребен в донных осадках. Там он и пролежал, окаменевший, пока не попал в коллекцию Национального музея естествознания Смитсоновского института под номером USNM 559050. За это время белки крови в его желудке развалились, но сохранился гем — фрагмент гемоглобина, который связывается с кислородом. Обнаружив гем, ученые заключили, что насекомые кровососы существовали уже 46 млн лет назад, и есть условия, при которых сложные органические молекулы могут сохраняться в окаменелостях и при удачном стечении обстоятельств стать материалом для исследований.
Удача при таких исследованиях играет важную роль. Очень трудно бывает определить, что найденное палеонтологами насекомое действительно кровосос. Диагностика основана на строении ротового аппарата и принадлежности к той же систематической группе, что и нынешние гематофаги. Кровососы есть в пяти отрядах современных насекомых — это клопы, вши, блохи, некоторые тропические бабочки, но более всех славится вампиризмом отряд двукрылых (мухи, москиты, комары, мокрецы), который включает около 9 тыс. видов кровососов, принадлежащих к 16 семействам. Ископаемые комары (семейство Culicidae) встречаются нечасто. Дело в том, что большая часть находок двукрылых — это насекомые, увязшие в янтаре, а комары редко залетают в леса со смолистыми деревьями, потому что держатся ближе к воде. Большая часть ископаемых комаров обнаружена в донных осадках, но такие находки чрезвычайно редки. Мелкое легкое насекомое, попавшее на поверхность воды и удерживаемое поверхностным натяжением, должно там же и разлагаться — если его еще раньше не съест рыба. Шансы, что оно быстро опустится на дно и его тут же затянет илом, а тугое, налитое кровью брюшко останется неповрежденным, крайне малы.
Для того же, чтобы нашли образец USNM 559050, потребовалось еще более удивительное стечение обстоятельств. Дейл Гринуолт (Dale E. Greenwalt), клеточный биолог на пенсии, стал работать добровольцем в Смитсоновском институте и заинтересовался сообщениями об окаменевших насекомых эоцена в формации Кишенен (Kishenehn Formation) на северо-западе Монтаны. Он стал собирать образцы в этих местах и познакомился с семейством Констениусов. В 1980-х годах молодой геолог Курт Констениус (Kurt Constenius) работал над диссертацией и вместе со своими родителями Нормой и Леоном собирал окаменелости. Познакомившись с Гринуолтом, семья извлекла из подвала свою коллекцию и передала в Смитсоновский институт. Именно среди этих образцов и находился окаменевший комар с кровью в брюшке (никогда ничего не выбрасывайте!).
Насекомые Кишенена не особенно разнообразны. Они заключены в тонкие пластинки горючего сланца толщиной до 0,25 мм — осадок, образовавшийся за сезон. Сами окаменелости в длину не более 1-5 мм, их можно увидеть только в лупу или микроскоп.
В эоцене климат в Монтане был тропический и субтропический, над озером роились хирономиды (некусачие мелкие мошки), которые составляют почти половину находок. Вторые по численности водные насекомые — клопы-гребляки (семейство Corixidae). Редко встречаются фрагменты стрекоз, бабочек и других крупных насекомых. Видимо, их тела редко достигали дна в целости — добычу по пути съедали рыбы. На дне все утопленники попадали в слой органических осадков, который образовывался в летние месяцы, в анаэробные условия. Исследователям удалось обнаружить в этих отложениях несколько новых видов, но большинство сходно с современными насекомыми. Что касается комаров, то из эоценового слоя извлекли 36 образцов, причем десять из них отнесены к двум новым видам рода Culiseta (комары жгучие) - Cs. kishenehn и Cs. lemniscata. Обсуждаемый образец не смогли определить до вида. Глядя на темное, вздувшееся брюшко USNM 559050, исследователи заподозрили, что перед ними напившаяся крови самка. Окаменевшие самцы в их распоряжении тоже были, и ученые сравнили образцы.
Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии они определили, что в брюшке самки присутствует большое количество железа — его в 7,9 раза больше, чем в грудной части тельца, и в 8 раз больше, чем в брюшке самца (самцы крови не пьют). Эти данные, а также отсутствие в образцах серы говорят о том, что железо попало в комара с выпитой кровью, а не из окружающих пород. Другой метод — времяпролетная масс-спектрометрия вторичных ионов (ToF-SIMS) — позволила идентифицировать в брюшке молекулы порфирина. Порфириновое кольцо с ионом железа в центре — это гем, функциональная часть гемоглобина, связывающая кислород. Очевидно, порфирины и железо, найденные именно в брюшке, представляют собой остатки гемоглобина. Чью именно кровь пила перед смертью USNM 559050, исследователи не знают.
Порфирин часто находят в окаменелостях, хотя в большинстве случаев он имеет растительное или микробное происхождение. Однако маловероятно, что порфирины комара представляют собой остатки бактериохлорофила или микробных цитохромов. Если бы источниками порфирина были бактерии, их рост не ограничился бы только брюшком насекомого. Более того, в донных осадках обитали только анаэробные микробы, у которых уровень содержащих порфирин цитохромов очень низок.
Сообщений о находках гемоглобина и/или гема в окаменелостях очень мало, они не однозначны и не привязывают находку к определенному месту. Наиболее известны работы палеонтолога Мэри Швейцер (Mary Higby Schweitzer) из Университета Северной Каролины, которая исследует кровяные клетки динозавров. Ей удалось обнаружить следы гемоглобина в экстрактах из губчатой кости динозавров Brachylophosaurus canadensis и Tyrannosaurus rex, живших в конце мелового периода (следует отметить, однако, что ряд исследователей подвергает работы Швейцер сомнению, см. ТрВ-Наука № 12 от 16 сентября 2008 года. - Примеч. ред.). Данные специалистов Национального музея естествознания и их коллег неопровержимо подтверждают наличие гема 46-миллионной давности и позволяют локализовать его местонахождение.
Согласно молекулярным филогенетическим деревьям, комары появились в меловом периоде или, возможно, чуть раньше. Старейший экземпляр комара найден в Бирме, в куске янтаря. Насекомое жило 93,9-100,5 млн лет назад, в его желудке были какие-то гранулы, возможно, кровь, но никто их не исследовал. Более молодой представитель мелового периода (72,1-83,6 млн лет назад) — самец комара. Других мезозойских комаров не находили. Окаменелостей, которые прямо свидетельствовали бы о гематофагии насекомого, очень мало. Известны находки малярийного плазмодия в слюнных железах окаменевшего комара рода Culex (некоторые виды этого рода переносят птичью малярию); москита с трипаносомой (родом паразитических одноклеточных организмов) в желудке; окаменевших фекалий клопа, зараженных трипаносомой. В данном случае исследователям удалось получить прямое доказательство существования кровососущих комаров в эпоху среднего эоцена.
Эти факты заставляют нас по-новому взглянуть на сохранность сложных органических молекул в окаменелостях. Конечно, огромные хрупкие молекулы ДНК не могли сохраниться в геологических масштабах времени, они вообще очень быстро распадаются. Но с помощью таких новейших методов, как времяпролетная масс-спектрометрия вторичных ионов, обладающих высоким разрешением и практически не повреждающих образец, исследователи смогли обнаружить гем. Окаменевшая капля крови оказалась ценным источником информации. Возможно, проводя раскопки и исследуя уже имеющиеся коллекции, ученые найдут и другие устойчивые биомолекулы. Теперь они знают, что поиски имеют смысл.
Наталья Резник
1. Greenwalt DE, Goreva YS, Siljestrom SM, Rose T, Harbach RE (2013) Hemoglobin-derived porphyrins preserved in a Middle Eocene bloodengorged mosquito. Proc Natl Acad Sci USA 110:18496-18500
2. Briggs DEG (2013) A mosquito’s last supper reminds us not to underestimate the fossil record. Proc Natl Acad Sci USA 110: 18353-18354
3. Парк Юрского периода: открытие откладывается? ТрВ-Наука № 12, 16 сентября 2008 года
4. Интервью с Павлом Певзнером. ТрВ-Наука № 12, 16 сентября 2008 года
1534
2013.12.10 13:01:47