Насекомые в бирманском янтаре сохраняются в минерализованном виде

Янтарь зачастую считается чем-то вроде герметичной «капсулы времени», в которой живые организмы могут сохраняться в первозданном виде на протяжении многих миллионов лет. Именно на этом были построены надежды на получение ДНК из янтарных насекомых. Однако новое исследование, проведенное на примере бирманского янтаря, показало: инклюзы в ископаемых смолах могут подвергаться сильной минерализации и практически не содержать органического вещества. Насекомые в бирмите состоят в основном из кальцита, кварца и халцедона и в этом смысле мало чем отличаются от своих сородичей, дошедших до наших дней в виде плоских каменных отпечатков. Ученые пришли к выводу, что янтарная оболочка не так уж и непроницаема, как считалось ранее: в ней имеются микротрещины, через которые внутрь просачиваются растворы из внешней среды, что и приводит к минерализации инклюзов. Поэтому, хотя мы может разглядеть мельчайшие детали строения тела янтарных «пленников», их исходный молекулярный состав так и останется недоступным для изучения.

Если меня спросят, кто за последние 30 лет сделал больше всего для развития палеонтологии, я без колебаний отвечу — американский режиссер Стивен Спилберг. Снятый им блокбастер «Парк юрского периода» (рис. 1), вышедший на экраны в 1993 году, поднял беспрецедентную волну общественного интереса к палеонтологической науке. Сотни школьников по всему миру мечтали связать с ней свою судьбу, на музеи и научные центры пролился золотой дождь в виде грантов, а выставки динозавров собирали толпы посетителей. Кое-что перепало и нашей стране: в голодные 1990-е годы Палеонтологический институт им. А. А. Борисяка держался на плаву, на возмездной основе сдавая в аренду своих динозавров устроителям зарубежных выставок.

Конечно, именно динозаврам досталось больше всего внимания — но «Парк юрского периода» немало поспособствовал и изучению насекомых в янтарях. Ведь, как мы помним, герои этого фильма воскрешают динозавров за счет ДНК, извлеченной из брюшка комаров, напившихся динозавровой крови и упокоившихся в янтарном «гробу». Разумеется, после выхода ленты Спилберга многие стали задаваться вопросом, — а можно ли и в самом деле воплотить этот научно-фантастический сюжет в жизнь? Это дало стимул множеству исследований, посвященных выяснению степени сохранности насекомых и других живых существ в ископаемых смолах.

Сообщения об отдельных мышечных волокнах и даже клеточных органеллах, таких как ядра и митохондрии, которые удалось разглядеть в тканях янтарных насекомых, в 1990-е годы сыпались как из рога изобилия. В 1994 году ученые даже извлекли мозг из безжалых пчел в доминиканском янтаре и попытались проверить жизнеспособность пыльцы в тычинках, сохранившихся там же (D. A. Grimaldi et al., 1994. Electron microscopic studies of mummified tissues in amber fossils). В том же 1994 году безжалые пчелы в доминиканском янтаре принесли другую сенсацию — в их кишечнике, как утверждалось, сохранились фрагменты ДНК симбиотических бактерий (R. J. Cano et al., 1994. Bacillus DNA in fossil bees: an ancient symbiosis?). Наконец, в 1995 году ученые пошли еще дальше и опубликовали в журнале Science статью, в которой говорилось уже не просто о выделении ДНК, но о получении жизнеспособных (!) бактериальных спор из кишечников этих же янтарных пчел (R. J. Cano, M. K. Borucki, 1995. Revival and Identification of Bacterial Spores in 25- to 40-Million-Year-Old Dominican Amber).

Доминиканский янтарь образовался относительно недавно, в миоцене, примерно 15 млн лет назад, когда никакими динозаврами и не пахло. Но некоторые исследователи сообщали, что им удалось идентифицировать ДНК насекомых также из меловых янтарей, сформировавшихся в эпоху динозавров. Так, в 1993 году, прямо на следующий день после премьеры «Парка юрского периода», в журнале Nature появилась статья, в которой говорилось об успешном секвенировании фрагментов ДНК долгоносика из ливанского янтаря возрастом около 125 млн лет (R. J. Cano et al., 1993. Amplification and sequencing of DNA from a 120–135-million-year-old weevil).

Однако к концу 1990-х годов энтузиазм по поводу уникальных сохранных свойств янтарей пошел на спад. Стало понятно, что фоссилизация, в ходе которой жидкая смола превращается в твердый янтарь, сопровождается необратимыми изменениями и в химическом составе самих инклюзов. Хотя насекомое в янтаре может выглядеть точно так же, как и современное, органическое вещество в нем за многие миллионы лет перешло в совсем другие молекулярные формы. Когда исследователи подвергли пиролизу фрагменты кутикулы и внутренних тканей безжалых пчел и жуков-долгоносиков из доминиканского янтаря, они вообще не обнаружили в них следов хитина. Вместо этого газовая хроматография выявила присутствие прямоцепочечных алканов и алкенов, соответствующих продуктам пиролиза алифатических полимеров, не свойственных насекомым. Скорее всего, эти вещества образовались в ходе полимеризации кутикулярных восков и липидов во внутренних тканях.

Кроме того, ученые обнаружили в янтарных насекомых ароматические серосодержащие углеводороды (тиофены), которые могли возникнуть, когда липиды вступили в реакцию с серой, высвободившейся при распаде цистеина и метионина, двух серосодержащих аминокислот. Все это свидетельствует об очень серьезной структурной перестройке исходного органического вещества — если ее не смогли пережить даже прочные молекулы хитина, то что уж и говорить о хрупкой ДНК (B. A. Stankiewicz et al., 1998. Chemical preservation of plants and insects in natural resins). И действительно, дальнейшие исследования не подтвердили наличие ДНК как в доминиканском янтаре (J. J. Austin et al., 1997. Problems of reproducibility—does geologically ancient DNA survive in amber-preserved insects?), так и в более древних ископаемых смолах — ранее обнаруженные там нуклеотидные последовательности оказались результатом современных загрязнений (G. Guti?rrez, A. Mar?n, 1998. The most ancient DNA recovered from an amber-preserved specimen may not be as ancient as it seems). ДНК отсутствует даже в копалах — субфоссильных смолах, возраст которых исчисляется тысячами лет (D. Penney et al., 2013. Absence of Ancient DNA in Sub-Fossil Insect Inclusions Preserved in "Anthropocene’ Colombian Copal).

Новое исследование, проведенное учеными из Китая, Германии, США, Мьянмы и Польши, вселяет еще больше пессимизма по поводу тафономического потенциала янтаря. Работая с бирманским янтарем, исследователи продемонстрировали — органика в янтарных насекомых в ряде случае не просто подвергается полимеризации, но и практически полностью замещается минеральными соединениями. Такой вывод был сделан на основании изучения восьми случайно отобранных инклюзов, относящихся к обычным для бирмита отрядам насекомых: Orthoptera, Blattodea, Neuroptera, Hemiptera и Coleoptera. Среди них были два жука (относящиеся к семействам Lucanidae и Elateridae), две цикады (Cicadoidea), два термита (Stolotermitidae и Kalotermitidae), а также нимфа длинноусого прямокрылого из надсемейства Elcanoidea (рис. 2) и личинка сетчатокрылого (Chrysopoidea). Некоторых из этих насекомых ученые распилили пополам, других — на тонкие шлифы, которые обычно используются для петрографического анализа.

Рис. 2. Кальцинированная и окремненная нимфа длинноусого прямокрылого (Orthoptera: Elcanoidea) из бирманского янтаря. а — фотография инклюза, очищенного с одной стороны от янтарного слоя; b –микротомографическая реконструкция инклюза; с–f — карты распределения элементов по поверхности инклюза, полученные при помощи СЭМ (EDX-метод); g — рамановский спектр, выполненный для точек, обозначенных на картах e и f; h–m, СЭМ-фото участков инклюза (BSE-детектор): h — сложный глаз, i — зона соединения головы и пронотума, участок отмечен на h; j — кристаллы кварца на поверхности тела на участке, отмеченном на a. Обращает внимание карта распределения углерода (c), из которой видно, что в самом инклюзе углерода практически нет, в отличие от окружающих его слоев ископаемой смолы. Изображение из обсуждаемой статьи в Geobiology

В 1990-е годы, во время ажиотажа вокруг «Парка юрского периода», из-за необходимости использовать подобные деструктивные методики палеоэнтомологи были вынуждены работать в основном с молодыми кайнозойскими янтарями: балтийским и доминиканским. Именно из этих янтарей на тот момент были известны массовые инклюзы, которые было не жалко пустить под нож, тогда как меловые янтари, вроде ливанского и канадского, наличествовали в гораздо меньшем количестве. Массовый приток бирмита на мировой рынок хлынул лишь в начале 2010-х годов. Многочисленные двукрылые кровососы, такие как мокрецы и слепни, сохранившиеся в бирмите, на первый взгляд, открыли широкие возможности для поиска динозавровой ДНК. Но, увы, обсуждаемая работа доказывает, что в брюшках этих насекомых не стоит искать не только ДНК, но и органику как таковую.

Чтобы выяснить химический состав инклюзов, авторы статьи использовали сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), рамановскую спектроскопию и рентгеновскую микротомографию. Выяснилось, что насекомые в бирманском янтаре состоят в основном из кальцита, кварца и халцедона, причем их содержание в разных участках тела одной и той же особи варьирует. Например, у нимфы прямокрылого пять последних сегментов брюшка стали кварцевыми, а кальцит вошел в состав фасеток сложного глаза и щетинок на кутикуле — именно кальцинированные структуры отличаются наиболее детальной сохранностью. Встречаются в инклюзах и другие минералы — например, изнутри жук-щелкун заполнен агатом (рис. 3), а в ноге нимфы цикады помимо кварца присутствуют вкрапления пирита. Чем мельче размер минеральных кристаллов, тем лучше у насекомых сохраняются различные мелкие детали и органы, например, трахеи. Кроме того, у насекомых в бирмите попадаются и отдельные участки с органическим веществом, которое так и не заместилось минеральным.

Рис. 3. Окремненные инклюзы в бирманском янтаре. a–g — Жук-щелкун (Coleoptera: Elateridae): а — фотография инклюза; b –микротомографическая реконструкция инклюза; c, d — фотографии поперечных распилов груди и брюшка, e–f — фотографии шлифов грудного отдела жука толщиной около 60 мкм, сделанные в проходящем свете, с поляризацией (f, g) и без (e). h–k — термит (Blattodea: Kalotermitidae): h — фотография инклюза; i –микротомографическая реконструкция инклюза, j — фотография неотполированного поперечного спила брюшка, k — СЭМ-фотография (BSE-детектор) участка поперечного спила брюшка, отмеченного на j. Изображение из обсуждаемой статьи в Geobiology

Раньше в янтарных насекомых видели что-то вроде мумий, покрытых окаменевшей смолой (смола активно использовалась и при мумификации фараонов). Но, как доказывает обсуждаемое исследование, насекомые из бирмита больше похожи на каменные статуэтки, в которые Белая Колдунья превращала зверей в Нарнии. Только превращение это случалось не мгновенно, а в течение многих миллионов лет под защитой янтарной оболочки. Лес, смола которого дала начало бирмиту, рос на морском побережье. Смолянистые натеки с насекомыми почти сразу же попадали в море и погребались донными осадками, где сквозь микротрещины внутрь кусков янтаря просачивались растворы кальцита и кремнезема (рис. 4). Происходило это в несколько этапов, поскольку для кальцификации и окремнения нужны разные значения pH. Следы этих процессов до сих пор видны на образцах янтаря — например, кристаллики кварца заполняют не только одну из цикад, но и трещины, ведущие к ее телу. То есть янтарный слой, окружающий инклюз — это не пуленепробиваемое герметичное стекло, а скорее очень мелкое решето, создающее условия для деликатной минерализации.

Рис. 4. Предполагаемый механизм захоронения бирманского янтаря, приведший к минерализации инклюзов. Изображение из обсуждаемой статьи в Geobiology

Авторы статьи предполагают, что и в других янтарях минерализация инклюзов может быть гораздо более частым явлением, чем считалось ранее. Но какие-либо обобщения тут надо делать с большой осторожностью — слишком в разных условиях формировались насекомоносные янтари. Даже у двух кусков одной и той же разновидности янтаря могла быть разная судьба — один долго плавал в море и перезахоранивался, а другой все время пролежал в одном и том же месте. Разумеется, такие различия не могут не повлиять и на сохранность инклюзов. Наконец, разные янтари формировались из смолы разных древесных пород, отличающихся по химическому составу. Например, благодаря низкой степени полимеризации инклюзы из эоценового камбейского янтаря можно извлечь, растворив его в обычном хлороформе (правда, на воздухе они быстро рассыпаются в прах; N. Mazur et al., 2014. The extraction of fossil arthropods from Lower Eocene Cambay amber). Так что к каждому янтарю нужен свой подход — чтобы разобраться с их особенностями, потребуется еще очень много работы.

Источник: Hui Jiang, Frank Tomaschek, A. Drew Muscente, Changtai Niu, Thet Tin Nyunt, Yan Fang, Ute Schmidt, Jun Chen, Mara L?nartz, Bastian M?hler, Torsten Wappler, Edmund A. Jarzembowski, Jacek Szwedo, Haichun Zhang, Jes Rust, Bo Wang. Widespread mineralization of soft-bodied insects in Cretaceous amber // Geobiology. 2022. DOI: 10.1111/gbi.12488.

Александр Храмов