Окаменевший гем

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.

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