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

«Каждый ученый изгоняет бога из той науки, которая составляет предмет его специального изучения»

Лафарг П.

Файлы

Что такое демократический социализм?

Безмолвные стражи тайн. Загадки острова Пасхи

Рефлексы головного мозга

В мире случайных событий