Через пищу к знаниям Как ученым помогает изучение вопросов питания

Что объединяет научные работы, посвященные ареалу обитания четырехкрылых микрорапторов, причинам вымирания пещерных львов и проблеме сочетаемости продуктов для нужд Армии США? Ответ: не какой-нибудь там геном, квазар или принцип Паули, а банальная еда. Именно изучение вопросов питания позволило исследователям продвинуться во всех этих, казалось бы, довольно далеких друг от друга научных направлениях.

Завтрак в раннем меловом периоде

Вначале речь пойдет о микрорапторах Microraptor gui, обитавших в раннем меловом периоде на территории современного Китая. Открытые в 2003 году, эти ящеры произвели настоящий фурор - мало того, что они были пернатыми, так у них еще было не два, а целых четыре крыла. Лишняя пара крыльев располагалась у микрорапторов на ногах.

Микрораптор. Иллюстрация Nature/Xu, X., Zhou, Z., Wang, X., Kuang, X., Zhang, F. and Du, X. (2003)
Lenta.ru

С тех пор среди палеонтологов не утихают споры о том, какой образ жизни вели эти создания. Одни утверждают, что микрорапторы жили на земле, а четырехкрылость является уникальным приспособлением для длинных прыжков. В то же время другие настаивают, что M. gui жил на деревьях, а крылья ему нужны были для того, для чего они бывают нужны в принципе - для полета. У обеих гипотез есть как сильные, так и слабые стороны. Например, четыре пернатых крыла только для прыжков представляется чем-то избыточным (да и ходить неудобно). С другой стороны, людям приходилось сталкиваться только с двукрылыми созданиями, и как может летать "биплан мелового периода" - такое прозвище микрораптор получил в СМИ - не очень понятно.

Новая работа, появившаяся в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, подходит к вопросу с совершенно другой стороны. Ученым удалось впервые обнаружить прекрасно сохранившиеся останки микрораптора, внутри которых находился скелет птицы (на самом деле это была отдельная сложная работа - доказать, что скелет птицы был именно внутри, а не, например, под динозавром на момент его смерти). Ученые, кстати, и раньше полагали, что динозавры - здесь речь идет не только про микрорапторов, а про динозавров вообще - питались птицами, однако до последнего времени никаких доказательств обнаружено не было.

Теперь палеонтологам удалось не только доказать, что птицы входили в рацион древних ящеров, но и установить, что ими питались микрорапторы. Это, по словам ученых, является важным доказательство того, что эти ящеры обитали на деревьях (на земле птиц ловить было бы сложнее).

Обед в позднем плейстоцене

Другая показательная история - о вымершей мегафауне. Под этим термином принято понимать животный мир позднего плейстоцена, состоявший из увеличенных копий многих современных животных. В это время (которое как раз совпало с очередным ледниковым периодом) по планете бродили шерстистые носороги, саблезубые тигры, пещерные львы и, конечно же, мамонты.

Пещерные львы. Иллюстрация PLoS One/C. Sedwick (2008)

Lenta.ru

К концу плейстоцена все эти гиганты неожиданно вымерли. Слово "неожиданно" здесь, кстати, вовсе не для красного словца - в начале ноября в Nature появилась статья, авторы которой утверждают, что принцип вымирания мегафауны был подобен лотерее. Как бы то ни было, но в современном научном сообществе консенсус касательно причин этого явления отсутствует. В общем, конечно, все согласны, что не обошлось без климатических изменений и человеческого вмешательства, однако каков вклад каждого из этих факторов - повод для споров.

В связи с этим примечательна статья, появившаяся в декабрьском номере Quaternary International. Ее авторы провели исследования изотопного состава коллагена - белка, способного сохраняться в костной ткани в течение десятков тысяч лет. Диета животного при жизни непосредственно сказывается на изотопном составе. Например, соотношение углерода-13 и углерода-12 позволяет судить о происхождении белка в его рационе (морской или наземный), а соотношение азота-15 и азота-14 указывает на аналогичное соотношение уже в том животном или растении, которое служило ему пищей.

Ученые проанализировали образцы коллагена, принадлежавшие более чем 370 особям, останки которых были собраны в 25 регионах Земли. В результате палеонтологам удалось установить, что пещерные львы были крайне разборчивы в пище. Главным источником пропитания для них служили олени (которые, по словам исследователей, в те древние времена ели мха много больше своих современных родственников). Также утверждается, что львы иногда нападали на детенышей пещерных медведей - на тот факт, что это были именно детеныши, указывает различие рационов взрослых медведей и медвежат (последние потребляли преимущественно материнское молоко).

Рацион пещерных львов, таким образом, в сравнении с их современными родственниками и другими хищниками позднего плейстоцена (в работе рассматривались еще и пещерные гиены) был невероятно скуден. Отсюда ученые заключили, что львы как вид были очень чувствительны к изменениям в популяции оленей. В частности, когда эта популяция начала сокращаться, начали вымирать и львы, а климатические изменения завершили начатое. В истреблении оленей, в свою очередь, вполне могли быть виноваты люди.

Ужин в разгар антропоцена

Карта заменимости продуктов

Lenta.ru

В завершении речь пойдет об исследованиях, финансируемых Армией и ВВС США. В рамках этой работы ученые проанализировали кулинарные предпочтения не микрорапторов или пещерных львов, а людей (вопросы питания солдат в полевых условиях волновали американских военных всегда). Статья исследователей пока не принята к публикации, однако ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

В рамках работы ученые построили своего рода карты еды, используя данные сайта Allrecipes.com. Эти карты представляют собой графы - то есть множество вершин, некоторые из которых соединены ребрами. Всего таких графов было построено два.

Первый представляет собой глобальную карту "взаимодополняемости" ингредиентов. На первом этапе исследования ученые собрали 46377 рецептов. С их помощью они составили глобальный список возможных ингредиентов, из которых отобрали 1000 самых популярных (каждый встречался как минимум в 23 блюдах). Эти ингредиенты и представляют собой вершины графа. После этого ученые посчитали вероятность того, что два продукта встречаются хотя бы в одном рецепте. Ребро между вершинами рисовалось, если вероятность совместного присутствия была больше фиксированного значения.

Поиск кластеров в полученной карте позволил обнаружить два больших скопления ингредиентов, которые ученые условно назвали "сладкими" и "кислыми" (отдельно было обнаружено скопление, соответствующее коктейлям). После этого ученые попытались ответить на вопрос - улучшает ли качество блюда добавление туда взаимосочетаемого с некоторыми ингредиентами продукта. Для этого ученые использовали рейтинги рецептов - пользователи Allrecipes.com не только делятся способами приготовления любимых блюд, но и спорят о том, какое лучше. В результате оказалось, что использование дополняющих продуктов немного улучшает рейтинг, в то время как несочетаемость ингредиентов мало влияет на качество конечного продукта.

Карта взаимодополняемости продуктов

Lenta.ru

Второй картой, которую составили ученые, была карта взаимозаменяемости продуктов - в ней ребрами соединялись вершины, которые представляли собой продукты, способные служить заменителями друг друга в достаточно большом количестве рецептов. Главным результатом работы стало, по словам ученых, то, что они смогли показать - рейтинг блюда (который в данном случае является синонимом популярности) можно предсказать на основании этих двух сетей и энергетической ценности входящих в него продуктов. При этом точность предсказания составляет почти 0,8.

Помимо того, что новая система в теории позволяет свести вопрос о том, понравится ли потребителю некое блюдо, к простой математике, она позволила прояснить, зачем вообще люди готовят. Согласно одной из популярных гипотез, человек начал обрабатывать пищу, чтобы она лучше усваивалась. Например, по некоторым данным, 48 процентов от времени бодрствования обезьяны тратят на переваривание и потребление пищи, в то время как современный человек - лишь 4,7 процента своего времени. Кстати, появление термической обработки, по мнению антропологов, привело к изменению строения зубов человека примерно 1,9 миллиона лет назад. Так вот, оказалось, что наибольшим рейтингом пользуются именно те блюда, которые наиболее легко усваиваются.

Ссылки по теме