Скам’янілий гем

46 млн років тому один комар, який щойно напився крові, потонув у ставку і був похований у донних опадах. Там він і пролежав, скам’янілий, поки не потрапив до колекції Національного музею природознавства Смітсонівського інституту під номером USNM 559050. За цей час білки крові в його шлунку розвалилися, але зберігся гем — фрагмент гемоглобіну, який зв’язується з киснем. Виявивши гем, вчені уклали, що комахи-кровососи існували вже 46 млн років тому, і є умови, за яких складні органічні молекули можуть зберігатися в скам’янілостях і при вдалому збігу обставин стати матеріалом для досліджень.

Удача при таких дослідженнях відіграє важливу роль. Дуже важко визначити, що знайдена палеонтологами комаха дійсно кровосос. Діагностика заснована на будові ротового апарату і приналежності до тієї ж систематичної групи, що і нинішні гематофаги. Кровососи є в п’яти загонах сучасних комах — це клопи, вші, блохи, деякі тропічні метелики, але більше всіх славиться вампіризмом загін двукрилих (мухи, москіти, комарі, мокреці), який включає близько 9 тис. видів кровососів, що належать до 16 сімействів. Викопні комарі (сімейство Culicidae) зустрічаються нечасто. Справа в тому, що велика частина знахідок двокрилих — це комахи, загрузлі в бурштині, а комарі рідко залітають у ліси зі смолистими деревами, тому що тримаються ближче до води. Велика частина копалин комарів виявлена в донних опадах, але такі знахідки надзвичайно рідкісні. Дрібна легка комаха, яка потрапила на поверхню води і утримується поверхневим натягненням, повинна там само і розкладатися — якщо її ще раніше не з’їсть риба. Шанси, що воно швидко опуститься на дно і його тут же затягне мулом, а туге, налите кров’ю черевко залишиться неушкодженим, вкрай малі.

Для того ж, щоб знайшли зразок USNM 559050, знадобився ще більш дивовижний збіг обставин. Дейл Грінуолт (Dale E. Greenwalt), клітинний біолог на пенсії, став працювати добровольцем у Смітсонівському інституті і зацікавився повідомленнями про скам’янілих комах еоцену у формації Кішенен (Kishenehn Oneation) на північному заході Монтани. Він почав збирати зразки в цих місцях і познайомився з сімейством Констеніусів. У 1980-х роках молодий геолог Курт Констеніус (Kurt Constenius) працював над дисертацією і разом зі своїми батьками Нормою і Леоном збирав скам’янілості. Познайомившись з Грінволтом, сім’я витягла з підвалу свою колекцію і передала в Смітсонівський інститут. Саме серед цих зразків і знаходився скам’янілий комар з кров’ю в черевці (ніколи нічого не викидайте!).

Комахи Кишенена не особливо різноманітні. Вони укладені в тонкі платівки пального сланця товщиною до 0,25 мм — осад, що утворився за сезон. Самі скам’янілості в довжину не більше 1-5 мм, їх можна побачити тільки в лупу або мікроскоп.

В еоцені клімат у Монтані був тропічний і субтропічний, над озером роїлися хірономіди (некусячі дрібні мошки), які становлять майже половину знахідок. Другі за чисельністю водні комахи — клопи-гребляки (сімейство Corixidae). Рідко зустрічаються фрагменти стрекоз, метеликів та інших великих комах. Мабуть, їхні тіла рідко досягали дна в цілості — здобич по дорозі з’їдали риби. На дні всі потопельники потрапляли в шар органічних опадів, який утворювався в літні місяці, в анаеробні умови. Дослідникам вдалося виявити в цих відкладеннях кілька нових видів, але більшість схожа з сучасними комахами. Що стосується комарів, то з еоценового шару витягли 36 зразків, причому десять з них віднесені до двох нових видів роду Culiseta (комарі пекучі) — Cs. kishenehn і Cs. lemniscata. Обговорюваний зразок не змогли визначити до виду. Дивлячись на темне USNM 559050, дослідники запідозрили, що перед ними напилася крові самка. Скам’янілі самці в їхньому розпорядженні теж були, і вчені порівняли зразки.

Методом енергодісперсійної рентгенівської спектроскопії вони визначили, що в черевці самки присутня велика кількість заліза — його в 7,9 рази більше, ніж у грудній частині тільця, і у 8 разів більше, ніж у черевці самця (самці крові не п’ють). Ці дані, а також відсутність у зразках сірки говорять про те, що залізо потрапило в комара з випитою кров’ю, а не з навколишніх порід. Інший метод — времяпролетна мас-спектрометрія вторинних іонів (ToF-SIMS) — дозволила ідентифікувати в черевці молекули порфірину. Порфіринова кільця з іоном заліза в центрі — це гем, функціональна частина гемоглобіну, що зв’язує кисень. Очевидно, порфірини і залізо, знайдені саме в черевці, являють собою залишки гемоглобіну. Чию саме кров пила перед смертю USNM 559050, дослідники не знають.

А. Великих комах, що потрапили в ставок, роздирають на частини і поїдають, а маленькі тонуть і пов’язають у донних опадах. В. Пока комар был погребен в сланцах, белковая часть гемоглобина в его желудке распалась, но остался гем, несколько изменившийся в процессе фоссилизации. Малюнок зі статті Derek E. G. Briggs. A mosquito’s last supper reminds us not to underestimate the fossil record // Proc Natl Acad Sci USA. 2013. V. 110. P. 18353–18354

Порфірин часто знаходять в скам’янілостях, хоча в більшості випадків він має рослинне або мікробне походження. Однак малоймовірно, що порфірини комара — це залишки бактеріохлорофіла або мікробних цитохромів. Якби джерелами порфірину були бактерії, їхній зріст не обмежився б тільки черевцем комахи. Більш того, в донних опадах мешкали тільки анаеробні мікроби, у яких рівень містять порфірин цитохромів дуже низький.

Повідомлень про знахідки гемоглобіну та/або гему в скам’янілостях дуже мало, вони не однозначні і не прив’язують знахідку до певного місця. Найбільш відомі роботи палеонтолога Мері Швейцер (Mary Higby Schweitzer) з Університету Північної Кароліни, яка досліджує кров’яні клітини динозаврів. Їй вдалося виявити сліди гемоглобіну в екстрактах з губчастої кістки динозаврів Brachylophosaurus canadensis і Tyrannosaurus rex, що жили в кінці крейдового періоду (слід зазначити, однак, що ряд дослідників піддає роботи Швейцер сумніву, див. ТрВ-Наука № 12 від 16 вересня 2008 року. — Примеч. ред.). Дані фахівців Національного музею природознавства та їхніх колег неспростовно підтверджують наявність гему 46-мільйоннорічної давності і дозволяють локалізувати його місцезнаходження.

Згідно з молекулярними філогенетичними деревами, комарі з’явилися в крейдяному періоді або, можливо, трохи раніше. Найстаріший екземпляр комара знайдено в Бірмі, в шматку бурштину. Комаха жила 93,9-100,5 млн років тому, в її шлунку були якісь гранули, можливо кров, але ніхто їх не досліджував. Більш молодий представник крейдяного періоду (72,1-83,6 млн років тому) — самець комара. Інших мезозойських комарів не знаходили. Скам’янілостей, які б прямо свідчили про гематофагію комахи, дуже мало. Відомі знахідки малярійного плазмодія в слинних залозах скам’янілого комара роду Culex (деякі види цього роду переносять пташину малярію); москіта з трипаносомою (родом паразитичних одноклітинних організмів) у шлунку; скам’янілих фекалій клопу, заражених трипаносомою. В даному випадку дослідникам вдалося отримати прямий доказ існування кровосисних комарів в епоху середнього еоцену.

Викопні залишки самки кровосисного комара, укладені в тонкій платівці пального сланця товщиною з аркуш паперу. В результаті досліджень всередині скам’янілості вдалося виявити органічні молекули віком 46 млн років. AP Photo: Smithsonian Institution, Dale Greenwalt

Ці факти змушують нас по-новому поглянути на збереження складних органічних молекул у скам’янілостях. Звичайно, величезні крихкі молекули ДНК не могли зберегтися в геологічних масштабах часу, вони взагалі дуже швидко розпадаються. Але за допомогою таких новітніх методів, як час ролітна мас-спектрометрія вторинних іонів, що володіють високою роздільною здатністю і практично не пошкоджують зразок, дослідники змогли виявити гем. Скам’яна крапля крові виявилася цінним джерелом інформації. Можливо, проводячи розкопки і досліджуючи вже наявні колекції, вчені знайдуть і інші стійкі біомолекули. Тепер вони знають, що пошуки мають сенс.

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, November 12, 2013, v 110, p. 18496–18500. Doi:10.1073/pnas.1310885110.

2) Derek E. G. Briggs. A mosquito’s last supper reminds us not to underestimate the fossil record. Proc Natl Acad Sci USA, November 12, 2013, v 110, p. 18353–18354. Doi:10.1073/pnas.1319306110.

3) Парк Юрського періоду: відкриття відкладається? ТрВ-Наука № 12, 16 вересня 2008 року 4

) Інтерв’ю з Павлом Певзнером. ТрВ-Наука № 12, 16 вересня 2008 року.