воскресенье, 28 февраля 2010 г.

Воскрешая динозавра

Увидеть живого динозавра, очутится в доисторическом мире - досужая мечта или захватывающая перспектива? Во времена, когда еще не все заколулки планеты были исследованы, когда человек только проникал в труднодоступные широты, покорял негостеприимные дали, а палеонтологическая наука делала свои первые шаги, бытовала надежда, что где-то, может в дебрях Южной Америки, может в центре земли, еще сохранился кусочек того мира, который существовал на планете миллионы лет назад. И его вот-вот обнаружат. Выразителями этой надежды стали Жюль Верн с романом «Путешествие к центру земли» и Конан Дойль с повестью «Затерянный мир». Увы, но в 20-м веке, когда все уголки мира были уже нанесены на карту, а спутники способны получить фотографии любой точки на Земном шаре, надежда отыскать затерянный уголок с доисторическими обитателями, улетучились сама собой. Но ей на смену пришла новая идея – клонировать динозавра! Успехи бурно развивающейся молекулярной биологии, вдохновили писателя-фантаста Майкла Крайтона (Michael Crichton) на создание нашумевшего романа «Парк Юрского периода», давшего жизнь одноименному фильму. Однако, несмотря на то, что уже снято целых три серии последнего и вполне вероятно появится четвертая часть, ни одной публикации, которая была бы посвящена расшифровке хотя бы фрагмента генома динозавра и которую бы приняло научное сообщество, до сего дня не случилось. Может ли 21-й век подарить новую надежду?




Как хорошо известно, ДНК – это молекула обеспечивающая хранение, передачу и реализацию генетической программы развития и жизнедеятельности организма. В клетках животных различают два типа генома – ядерный и митохондриальный. Последний находится в «энергетических станциях клетки», органеллах митохондриях, и, кодируя ограниченный набор белков этой самой органеллы, значительно меньше по размеру основной ядерной ДНК.
ДНК довольно не стойкое соединение. В живой клетке существует целая группа белков, отвечающих за поддержание ее стабильности. После смерти организма, включаются процессы ее уничтожения. Молекула быстро деградирует, разрушаясь до фрагментов очень малого размера. Поэтому до сих пор обнаруживать и изучать ее удавалось лишь в останках животных, обитавших, по геологическим меркам, относительно недавно – тысячи, десятки тысяч лет назад.
Пилотным проектом стало определение последовательности митохондриальной ДНК у Южно-Африканской равнинной зебры Квагги (Equus quagga), которая была полностью истреблена в конце 19-го века. Именно эта успешная работа, проведенная в 1984-м году, стартовала целый ряд исследований по изучению геномов исчезнувших животных.

Редкая, если не единственная фотография Квагги

На сегодняшний день расшифрованы фрагменты последовательности ДНК более чем 50-ти вымерших животных. Среди тех, что вымерли совсем недавно, кроме квагги можно выделить Тасманского сумчатого волка (Thylacinus cynocephalus). Последовательность (сиквенс) его митохондриального генома была получена совсем недавно и гены, которые были определены, теперь можно найти в публичных базах данных.

Тасманский волк

Также выяснены последовательности митохондриальных геномов двух видов гигантских нелетающих птиц из отряда моа (динорнитиды), обитавших в Новой Зеландии и истребленных аборигенами приблизительно в 15-м веке н.э. – Аномалоптерикса (Anomalopteryx didiformis) и Эмеуса (Emeus crassus). У трех других динорнитид (Dinornis giganteus, D. Novaezealandiae, D. Struthoides), кроме митохондриальной, была исследована также часть ядерной ДНК.

Птицы из отряда Моа: А) Динорнис (3.6 метра в высоту), B) Эмеус (1.8 метра в высоту), С) Аномалоптерикс (1.3 метра в высоту)

Из млекопитающих ледниковой эпохи наибольшее внимание приковано к мамонту (Mammuthus primigenius), а еще к мастадонту (Mammut americanum), чьи митохондриальные геномы также полностью секвенированы (у мамонта расшифрована и часть ядерной ДНК). Затем, стоит отметить успехи в исследовании митохондриальных геномов Шерстистого носорога (Coelodonta antiquitatis), предков лошадей Гиппидионов (Hippidion), гигантских наземных ленивцев (Mylodon darwinii и Nothrotheriops shastensis), Пещерного льва (Panthera leo spelaea) и Пещерного медведя (Ursus spelaeus), у которого исследовать удалось, кроме того, еще и ядерную ДНК. Взятые в работу останки всех перечисленных выше животных, были не старше 30-40 тысяч лет.

Сверху вниз, слева на право: Мамонт, Мастодонт, Шерстистый носорог, ленивец Милодон, ленивец Нотротериопс, Пещерный лев, Гиппидион, Пещерный медведь

Сообщения о расшифровке последовательностей ДНК, которым миллионы лет, также имеются. К ним, например, относится работа американских ученых Вудварда (Woodward) с коллегами, посвященная обнаружению митохондриального гена Цитохрома B в кости динозавра возрастом 80 млн лет. Правда, на сегодняшний день, она является отвергнутой научным сообществом. Считается, что все молекулы ДНК и белки в ископаемых останках старше миллиона лет полностью разрушаются. А сами кости динозавров, уже и не кости вовсе, а их реплики, муляжи, полностью состоящие из веществ неорганической природы. Но всегда ли это так?
В 1966 году польский ученый Полайки (Pawlicki) с соавторами опубликовали небольшую работу в журнале Nature, в которой описали обнаруженные ими в фаланге неизвестного 80-ти миллионолетнего динозавра из пустыни Гоби, остеоциты (клетки костной ткани), а также сосуды и пучки волокон белка коллагена в стенках этих сосудов.

Фотографии с электронного микроскопа: слева - коллагеновые волокна, справа - остеоциты

В 1972 году в том же журнале вышла статья, посвященная обнаружению структур, напоминающих коллагеновые волокна у граптолита (вымершего животного, являющегося переходной формой между беспозвоночными и хордовыми животными) возрастом аж 450 млн лет (Ордовикский период)!

Отпечатки граптолитов различных видов и реконструкция одного из них

К сожалению, в вышеперечисленных работах, никаких доказательств, кроме фотографий с электронного микроскопа, о том, что находки имеют органическую природу, а не представляют собой реплики или артефакты неорганического вещества, приведено не было. Молекулярная палеонтология еще только-только зарождалась.
Но вот в конце прошлого тысячелетия стали появляться статьи об обнаружении белков динозавров, имеющие более серьезную методическую аргументацию. Так, с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (метода разделения и определения веществ) в хвостовом позвонке Сейсмозавра (Seismosaurus), обитавшего 150 млн лет назад, были обнаружены следы коллагена I-го типа.

Сейсмозавры

Иммунологическими методами, с использованием антител (белков, способных связываться только с определенными «мишенями» и применяющихся для избирательного обнаружения этих «мишеней» среди множества других молекул), было подтверждено присутствие белков остеокальцина и гемоглобина в костях динозавров (в частности, у Тираннозавра). А также белка бета-кератина в останках перьеподобных покровных структур теропода Шувууйи (Shuvuuia).

Реконструкция Шувууйи, мелкого (60 см) двуного насекомоядного динозавра из мелового периода Монголии

В нашем тысячелетии вышел целый ряд работ профессора Мари Швейцер (Mary Schweitzer) из университета Северной Каролины, в которых она с соавторами, показала не только возможность сохранения клеток и мягких тканей в останках вымерших животных на протяжении миллионов лет, но даже смогла расшифровать несколько аминокислотных последовательностей в белках соединительной ткани Тираннозавра (Tyrannosaurus) и гадрозавра Брахилофозавра (Brachylophosaurus). Это открытие (справедливости ради надо заметить, что еще не всеми палеонтолгами однозначно воспринятое), заняло девятую строчку в перечне самых грандиозных открытий десятилетия по версии телевизионного канала Discovery.

Брахилофозавры (на заднем плане Дасплетозавр (Daspletosaurus) атакует самку Брахилофозавра)

Тираннозавр, идущий по мелководью, присматривающий себе жертву среди стада утконосых динозавров (на заднем плане)

А началось все с обнаружения в отложениях песчаника на северо-востоке штата Монтана прекрасно сохранившихся элементов скелета Тираннозавра. На момент смерти животному было 16-20 лет – подростковый возраст для хищного гиганта, хотя животное и достигло уже довольно внушительных размеров (приблизительно 10 метров). Во время извлечения останков ящера из породы его бедренная кость была сломана. Изучение фрагментов этой поврежденной окаменелости как раз и позволило палеонтологам сделать целый ряд удивительных открытий.
Во-первых, оказалось, что это была самка. До сих пор идентификация пола динозавра представляется затруднительным, порой не разрешимым занятием. Поскольку большинство морфологических особенностей, связанных с определением у животного пола, утрачиваются в процессе фоссилизации (окаменения). Благодаря же исследованию внутренней структуры бедренной кости молодого Тираннозавра, у палеонтологов теперь появился новый признак по которому, при удачном стечении обстоятельств, можно отнести ту или иную особь к самкам или самцам. По крайней мере, доктор Швейцер полагает это возможным для теропод – группе двуногих хищных динозавров, к которой принадлежал T.rex. Как выяснилось, у найденного Тираннозавра имелась медуллярная костная ткань! У самок современных бегающих (бескилевых) птиц такая ткань образуется в период подготовки к яйцекладке. Она служит в качестве резервуара кальция, необходимого несушкам для формирования скорлупы яиц.

Срез кости: А) Тираннозавра, В) современного страуса. Сокращения: CB - кортикальный (внешний) слой кости; MB - Медуллярная ткань. Звездочкой отмечена лакуна в кости на границе плотно упакованного кортикального слоя и рыхлого, густо пронизанного отверстиями для кровеносных сосудов, медулярного

Во-вторых, деминерализация (освобождение останков от каменной породы) явила исследователям гибкие, прозрачные, полые кровеносные сосуды, а также, ученым удалось различить и изолировать клетки костной ткани – остеоциты! И это из останков которым около 70 млн лет!

video
Фрагмент деминерализованной кости Тираннозавра

video
Остеоцит Тираннозавра

Позднее Швейцер подтвердила, что полученный результат не является случайностью или артефактом, а использованная методика действительно позволяет обнаруживать и извлекать мягкие ткани и клетки из останков, которым не только несколько тысяч лет или несколько сот тысяч лет, но и десятки миллионов.

A). Остеоциты мастодонта (возраст останков - 300000 лет), B). Фрагмент кровеносного сосуда Трицератопса (Triceratops) с круглыми красными микроструктурами внутри (возраст останков - 65 млн лет), C). Фрагмент кровеносного сосуда Тираннозавра с круглыми красными микроструктурами внутри (возраст останков - 65 млн лет), D). Сцепленные остеоциты и E). изолированный остеоцит Брахилофозавра (возраст останков - 80 млн лет)

Безусловно, революционная работа, ставящая под сомнение устоявшиеся догмы о сохранности органической материи в ископаемых останках не могла не подвергнутся критике. Американский палеонтолог Томас Кайе (Thomas Kaye) выпустил вместе с соавторами статью (которую, кстати, редактировала российский палеонтолог Анна Степанова), в которой утверждается, что обнаруженные сосуды не что иное, как простая бактериальная биопленка. Причем современная, образованная микроорганизмам отнюдь не миллионы лет назад. Что такую биопленку без труда можно обнаружить в микроскопических полостях многих окаменелостей. Авторы продемонстрировали ее наличие в сосудистых каналах фаланги черепахи из Мелового периода. Утверждая при этом, что сходные имеются в исследованных ими останках более чем пятнадцати видов животных, обитавших в различные геологические эпохи (от Плейстоцена до Мелового периода).

Сверху - фаланга черепахи; снизу - фотография с электронного микроскопа, на которой видна биопленка бактериального происхождения, торчащая из сосудистого канала в фаланге. Масштабная полоска на верхней фотографии - 10 мм, на нижней - 150 мкм

Впрочем, профессор Швейцер и сама рассматривала бактериальную биопленку, как возможный источник возникновения «сосудов». Но она отвергла такую возможность, поскольку представить себе, что микроорганизмы смогли равномерно заселить все сосудистые каналы кости и создать связанную сеть полых биопленочных трубок, имеющих равные по толщине стенки, довольно сложно.
Кроме того, самой же Швейцер были рассмотрены и отвергнуты иные варианты не оригинального происхождения сосудов, как то: клей и синтетические предохранители, которыми обрабатывают окаменелости, при работе с ними и транспортировке, кероген (полимерные нерганические материалы, являющиеся одной из форм нетрадиционной нефти), а также грибковое загрязнение проб.
Затем, в подтверждение того, что мягкие ткани принадлежали именно динозавру и не имели микробного или какого-либо другого происхождения, были применены иммунологические методы, показавшие, что белки из кости Тираннозавра связываются с антителами к коллагену и остеокальцину.
В качестве венца доказательной базы в работе Швейцер можно рассматривать применение высокотехнологичного метода масс-спектрометрии для определения аминокислотной последовательности фрагментов выделенных белков динозавра. Пока удалось идентифицировать только белки соединительной ткани коллагены I-го и II-го типа. Различные участки их аминокислотных цепей. Причем выяснилось, что наибольшую схожесть в строении коллаген Тираннозавра имеет с коллагеном курицы. Этот факт подтверждает теорию о филогенетическом родстве между группой двуногих ящеров теропод и современными пернатыми.

Филогенетическое дерево, созданное на основе анализа известной аминокислотной последовательности коллагена у ныне существующих и вымерших видов, показывает, что Брахилофозавр и Тираннозавр оказываются наиболее родственны друг другу. На соседней для них ветви дерева располагаются птицы - курица (Gallus) и страус (Struthio)

Критике со стороны научного сообщества подверглась и эта часть работы профессора Швейцер. Причем ей даже пришлось пересмотреть результаты полученные с помощью масс-спектрометрии и из изначально отрапортованных семи фрагментов коллагена, признать статистически достоверными только четыре. Но, как говорится, достоинства работы это не умаляет. Полностью опровергнуть исследования Швейцер критикам не удалось.

Один из фрагментов коллагена Тираннозавра. Уникальный пептид - 15 аминокислотных остатков. Зеленым цветом окрашены атомы углерода, белым - водорода, синим - азота, красным - кислорода

Более того, доктор Маршалл Берн (Marshall Bern) с коллегами, проводившие независимую экспертизу масс-спектрометрических данных с помощью другого математического алгоритма, подтвердили-таки достоверность 4-х аминокислотных последовательностей Тираннозавра. Более того, они даже обнаружили сходство фрагментов белков хищного динозавра с птичьим гемоглобином!
В своей новой работе, опубликованной совсем недавно, посвященной определению аминокислотной последовательности в белках 80-ти (!) миллионолетнего гадрозавра Брахилофозавра, доктор Швейцер учла все предыдущие нападки со стороны скептиков. Исследования проводились максимально тщательно, с подтверждением сразу в нескольких независимых лабораториях. Их результатом стало определение аминокислотной последовательности 8-ми фрагментов коллагенов первого и второго типа у утконосого динозавра (длинна расшифрованного участка – в общей сложности 149 аминокислотных остатков - почти в два раза больше чем у Тираннозавра).

Один из фрагментов коллагена Брахилофозавра. Пептид в 17 аминокислотных остатков. Зеленым цветом окрашены атомы углерода, белым - водорода, синим - азота, красным - кислорода

Конечно, эти работы Швейцер – еще только первые, маленькие шажки в расшифровке молекулярного кода динозавров. Они не позволяют даже предполагать, что семеня подобным образом, ученым в один прекрасный день удастся-таки дойти до создания полной белковой карты какого-либо из вымерших ящеров. Что же касается перевода белковой последовательности в последовательность ДНК и моделирование генома для последующего клонирования – то тут возникает еще одна, на современном этапе знаний, непреодолимая пропасть.
Однако, сам факт того, что в окаменелых останках с миллионным сроком захоронения все-таки присутствует органический материал, и что его можно извлечь и декодировать, и что работы Швейцер не единичны (великобританские ученые Грехам Эмбери (Graham Embery) с коллегами в нашем тысячелетии сумели выделить белковый материал из костей Игуанодона (Iguanodon) возрастом 125-130 млн лет, а также подтвердить иммунологическими методами присутствие в нем белка остеокальцина) - все это позволяет говорить о необходимости пересмотра существующей теории фоссилизации (окаменения) и создания новых гипотез, объясняющих возможность длительной консервации органической материи. А также вселяет определенный оптимизм, по поводу того, что возможно однажды, с помощью более прогрессивных методов молекулярной палеонтологии и новых, прекрасно сохранившихся останков динозавров, ученым представится шанс сделать куда более значимый, зримый шаг на пути к воскрешению этих удивительных доисторических ящеров.

Публикация-источник (2003)
Публикация-источник (2005)
Публикация-источник (2005)
Публикация-источник (2007)
Публикация-источник (2007)
Публикация-источник (2008)
Публикация-источник (2009)
Публикация-источник (2009)

Комментариев нет:

Отправить комментарий