Из книги с рабочим названием «Три генома, или что скрывает ДНК растений»
«Гравитационные волны — это космическая ДНК», — вещает познавательный телевизионный канал.
— Ну всё, пора. — Подхватываю сумку и ключи.
Я подбираю Лёню на остановке, и мы едем в один академический институт.
— Лёня, что успел прочитать про древнюю ДНК, выкладывай, — спрашиваю я, хотя знаю, что он и так бы рассказал.
Лёня — мой любознательный магистрант, неутомимый собеседник и просто ходячая энциклопедия.
— Я нашёл, что впервые древнюю ДНК извлекли из кусочка высушенной мышцы квагги1 в 1990-х годах. Мышца вместе со шкурой чудесным образом сохранилась в соли на 140 лет. Хотя качество ДНК оставляло желать лучшего, этот факт так всех вдохновил — кстати, и меня тоже, — что дальше учёные стали пытаться выделять ДНК из разных музейных образцов, — Лёня поправляет очки. Кажется, всё это он произнес на одном дыхании. — И в итоге им удалось успешно извлечь ДНК из археологических костей, причём почти одновременно и независимо в трёх лабораториях.
— Молодчина, — подхватываю я, — да, эти работы тогда наделали шуму и дали старт новому направлению — палеогенетике2.
— Палеогенетика — это почти как археология, только вместо глиняных черепков мы находим остатки живых организмов, а внутри кусочки древней ДНК, — продолжаю я. — И, как оказывается, в этих крошечных молекулах спрятано множество подсказок для решения современных проблем. Например, если в прошлом какой-то вид успешно переживал засухи, заморозки или атаки вредителей, это может быть ключом к сохранению биоразнообразия в условиях климатического хаоса, с которым мы сталкиваемся сейчас. Древняя ДНК показывает, что некоторые генетические вариации, которые когда-то помогали растениям выживать, сегодня практически исчезли. Большинство современных культур — это потомки диких растений, которые когда-то обладали потрясающим набором полезных признаков. Но в процессе одомашнивания и селекции они утратили многие из них. А древняя ДНК дикорастущих предков может помочь воссоздать эти утраченные гены. Удивительно, сколько всего можно узнать из древних молекул, если уметь их правильно «расспросить»!
— Интересное дело. А из каких растений извлекли первую древнюю ДНК, я не успел найти, — задумчиво бормочет Лёня.
— Первую успешную экстракцию древней ДНК из растительного материала провели Эдвард Голенберг и его команда. Результаты опубликовали в престижнейшем журнале Nature в 1990 году, — говорю я, не отвлекаясь от дороги. — Учёные сумели выделить и секвенировать хлоропластную ДНК из окаменевших листьев магнолии (Magnolia), возраст которых оценивался в 17–20 миллионов лет. Эти окаменевшие листья нашли в слоях миоценового периода на территории Кларкии в штате Айдахо, США. Там, в условиях бескислородной среды в тонкослоистых озёрных осадках, растительный материал сохранился удивительно хорошо — настолько, что листья выглядели почти как гербарные образцы. Такая исключительная сохранность породила идею, что, возможно, удастся извлечь из них ДНК.
Работа Эдварда Голенберга и его коллег вызвала настоящий ажиотаж. Для начала 1990-х это было научной сенсацией, поскольку до этого считалось, что ДНК не может сохраняться миллионы лет. После публикации результаты их исследования подверглись критическому анализу. Некоторые учёные сомневались и даже предполагали, что обнаруженная ДНК могла быть современной контаминацией, занесённой в образец при его извлечении или после, в лаборатории. Критику вызвал и возраст: если ДНК действительно пролежала миллионы лет, это кардинально меняло представления о сроках выживаемости генетического материала. В последующие годы специалисты даже пытались повторить что-то подобное, провести независимые проверки. В целом, хотя сам факт извлечения ДНК из древних растительных окаменелостей не был полностью опровергнут, многие учёные стали осторожнее относиться к заявлениям о столь древней ДНК. Как бы то ни было, этот случай оказался знаковым: после него учёные разработали строгие протоколы борьбы с контаминацией, были введены повышенные требования к подтверждению аутентичности древней ДНК.
— А как они извлекли древнюю ДНК из магнолии? — удивляется Лёня.
— Подожди секунду, — Я сворачиваю на Третье транспортное кольцо. — Фенол-хлороформ и «танцы с бубном», точнее, модифицированный метод CTAB3. Понимаешь, ДНК по прошествии многих и многих тысячелетий настолько разложилась и стала такой хрупкой и фрагментированной, что для её извлечения понадобился мощный метод, CTAB был самым эффективным, как показала практика. Затем учёные амплифицировали множество сохранившихся фрагментов ДНК, отсеквенировали их и провели биоинформатический анализ. Собрали кусочки этой хрупкой ДНК воедино и сравнили их современными родственниками. Даже если ДНК разрушена и больше напоминает пазл из миллиардов частей, учёные с большими усилиями собирают её и восстанавливают целые геномы. Благодаря достижениям в секвенировании и биоинформатике сейчас можно многое.
— Круто! — Лёня прищуривается. — Значит, по древней ДНК даже можно восстановить облик вымершего растения, например, папоротника, подобно тому, как реконструируют неандертальцев или кроманьонцев. Можно найти близких родственников древнего вида и узнать, как проходила его эволюция.
— Древняя ДНК растений ещё о многом может рассказать, давай сначала сходим на экскурсию.
За разговорами мы незаметно преодолели полуторачасовой путь.
Вместе с Лёней спешим в лабораторию анализа древней ДНК. На вахте института оформляем пропуска и оказываемся в просторном холле со стенами, увешанными англоязычными постерами с зарубежных конференций. Задерживаемся у постера с находками древней кукурузы из Мексики.
— Профессор вас уже ждет, времени мало, отчет по гранту горит, так что следуйте за мной, — чеканит встретивший нас молодой сотрудник лаборатории.
Лёня наконец-то, как он считал, определился с направлением своей магистерской диссертации, он уверенно решил изучать древнюю ДНК предковых хвойных растений и мечтал клонировать вымершие папоротники, но сначала напросился на экскурсию в целевую лабораторию.
— Я тут ещё прочитал, — рассказывает Лёня, пока мы петляем по длинным коридорам, — что при раскопках в районе Масады4 нашли древние семена финиковой пальмы, рентгеноструктурный анализ показал, что они пролежали в земле около двух тысяч лет, их изучили генетически, а потом смогли даже прорастить. Это же просто чудо!
— Точно, — соглашаюсь я. — Кстати, ещё один уникальный случай произошёл со смолёвкой узколистной5, плоды и семена которой были найдены российскими учёными в северо-восточной Сибири в районе реки Колыма. Они находились в вечной мерзлоте на глубине около 38 метров в древних норах, которые некогда сооружали суслики (или близкие к ним грызуны) в период позднего плейстоцена, примерно 30–32 тысячи лет назад. Эти мелкие зверьки, по всей видимости, заготавливали растительный материал в качестве запасов на зиму. Семена и плоды оказались естественно «законсервированными» в холодной и сухой среде вечной мерзлоты, благодаря чему их генетический материал и часть структуры хорошо сохранились. Учёные выделили древнюю ДНК и впоследствии смогли успешно регенерировать растение из древних семян в лабораторных условиях.
Мы как раз подходим к открытой двери кабинета доктора биологических наук Николая Ивановича Голованова. Седовласый профессор отрывает взгляд от компьютера и мягким кивком приглашает нас войти.
— Коллеги, у нас 10 минут и пара важных вопросов, дальше Иван, наш сотрудник, покажет вам лабораторию, — он кивает Ивану, который встретил нас у входа. — В письме вы указали, что вас интересует, как мы изучаем палеодиеты и торговые пути с помощью древней ДНК. Если коротко, изучение ДНК древних растений не только может рассказать нам что-то о самих растениях, об их происхождении или родстве — мы узнаём, что́ люди ели и чем торговали в те далекие времена. Мы проводим археологические раскопки в разных местах, потом идентифицируем найденный материал различных культур молекулярно-генетическими методами. И имея на руках целый массив данных, мы можем реконструировать рацион древних людей и понять, какие растения, где, когда и в каких регионах были распространены.
Некоторые наши находки и находки наших зарубежных коллег указывают на то, что древние общины торговали сельскохозяйственными культурами и семенами и распространяли их на огромные расстояния. Например, анализ ДНК обугленных зёрен и сохранившихся семян доказывает, что ячмень, пшеница и просо были частью товарооборота, а торговые пути пересекали целые континенты. Эти исследования показывают, как древние фермеры адаптировали культуры к местным условиям, как происходил культурный обмен, который обогатил и разнообразил их сельское хозяйство. Взаимопроникновение знаний и ресурсов было жизненно важно, и именно это заложило основу мирового сельскохозяйственного уклада, в котором мы живём сегодня.
Однажды на археологических раскопках Мора-Каворсо в центральной Италии учёные извлекли древние семена оливы (Olea europaea) и кизила (Cornus mas). С помощью секвенирования ДНК исследователи смогли подтвердить, что эти семена действительно были древними родственниками современных оливок и кизила, а значит, эти растения, возможно, использовались уже на ранних стадиях становления сельского хозяйства. Сравнив древнюю ДНК с ДНК современных видов, учёные получили представление о том, как изменились эти растения за тысячи лет культивирования человеком. Так они узнали о сельскохозяйственной практике жителей Апеннинского полуострова эпохи раннего неолита. Генетическая информация подтвердила наличие этих растений в древнем рационе питания и указала на потенциальные торговые пути, поскольку считается, что оливки были завезены в Италию из восточного Средиземноморья. Оливки издавна были важной культурой в этом регионе, из них получали масло для приготовления пищи, освещения, религиозных ритуалов.
Оливки, изначально произраставшие на Ближнем Востоке, были завезены первыми фермерами на запад, адаптировались к итальянскому климату и стали основным продуктом средиземноморского сельского хозяйства. Точно так же присутствие кизила, который ценился за свои терпкие и питательные ягоды, в древней Италии указывает на ранние попытки культивировать растения, которые были полезны своими лечебными и питательными свойствами. То есть люди выбирали растения не только для пропитания, но и для более широких культурных и медицинских целей.
Конечно же, и бобовые, такие как горох и вика, тысячелетиями были основными продуктами питания человека, их ценили за питательность (высокое содержание белка) и способность обогащать почву (за счёт фиксации азота). Их генетическая история помогает нам понять, как ранние фермеры формировали эти растения путём селекции. ДНК этих древних семян показывает, какие свойства были приоритетными уже тогда — очевидно, зимостойкость, вкус и питательность. В частности, открытие ДНК бобовых, датируемых 1000-м годом до нашей эры, даёт генетический «снимок» ранних одомашненных растений.
Отвлекшись на книжную полку, профессор вновь поворачивается к Лёне.
— Ты захватил с собой флешку? Давай-ка лучше я тебе сброшу архив статей по древней ДНК, остальное сам изучай и потом приходи на практику, нам молодёжь нужна, — он скупо улыбается.
— Профессор, а что за история с древней кукурузой? Мы увидели на постере информацию, — интересуется Лёня.
— Представьте себе, что вы стоите на раскопках в далёкой Мексике, среди остатков древних поселений. Вокруг фрагменты керамики, каменные орудия, и вдруг вы находите нечто, что на первый взгляд кажется не слишком примечательным: маленькие и совсем невзрачные зёрнышки. Но это оказываются не просто зёрна — это предки кукурузы, той самой сладкой консервированной кукурузы.
Дело в том, что древние жители Мезоамерики6, не имея понятия о селекции, сумели, поколение за поколением, превратить дикого травянистого предка кукурузы, который назывался теосинте7, в ключевую сельскохозяйственную культуру. Поначалу теосинте8 выглядел словно рассыпчатый колосок со скромными, почти безвкусными зёрнышками, крепко заключёнными в твёрдую оболочку. Наблюдательные и терпеливые земледельцы год за годом отмечали и сохраняли семена более удобных, вкусных, мягких и питательных форм. Отбирали до тех пор, пока теосинте не превратился в то, что мы теперь знаем как кукурузу — с крупными сочными зёрнами в аккуратных рядах на толстом початке.
Европейские натуралисты и исследователи узнали о теосинте уже после колонизации Америки, однако систематические научные исследования начались только в конце XIX — начале XX века. Важнейшей стала работа американского учёного Джорджа Бидла в 1930–1940-х годах. Именно он убедительно показал, что кукуруза была одомашнена из одного из видов теосинте.
Подумайте, без этих древних экспериментов и тщательного отбора мы бы не знали кукурузы, какой она стала сегодня. Это был настоящий «стартап» мировой важности в далёком прошлом: не было ни лабораторий, ни приборов, ни даже письменной истории — лишь наблюдательность, опыт и природная вариативность растений. В результате у нас есть эта удивительная культура, которая кормит миллионы людей по всему миру. А теперь представьте, что, изучая древнюю ДНК кукурузы, мы можем понять, как она менялась, какие гены утратила, а какие приобрела, и даже подсмотреть у майя и ацтеков некоторые природные «лайфхаки», чтобы сделать современные сорта более устойчивыми к засухам, болезням или изменению климата.
Эта работа с мексиканской древней кукурузой объединила учёных из США и Европы, мы тоже немного поучаствовали в этом исследовании. Результаты опубликовали в 2015 году в журнале Nature Plants, одном из наиболее авторитетных источников в области ботаники. Археологи, генетики, эволюционные биологи и историки сельского хозяйства высоко оценили новое понимание того, как маис сделался основным продуктом питания для древних обществ и насколько мощными стали современные методы исследования древней ДНК. Общественность тоже восприняла новости с интересом, ведь кукуруза — это неотъемлемая часть нашего рациона, и людям любопытно узнать о её происхождении. Крупнейшие новостные и научно-популярные порталы, такие как ScienceDaily9 и Phys.org10, писали об исследовании доступным языком. Вот такая история про древнюю кукурузу из Мексики.
Иван зовёт нас в лабораторию. Мы входим в небольшой коридор, где он выдаёт нам бахилы, маски и белые халаты оверсайз, надев которые мы чувствуем себя почти космонавтами. Через окна коридора видны белоснежные просторные помещения.
— И обработайте руки санитайзером, он на раковине, — уже из лаборатории кричит нам Иван.
— Загрязнение, мы его называем контаминацией, — наш главный враг и постоянная угроза для ценных древних образцов, — начинает Иван. — В образцы древних растений может попасть современная ДНК, любая — почвенных бактерий или грибков или даже человека, который работал с этими образцами. Чтобы избежать этих проблем, мы принимаем чрезвычайные меры предосторожности и работаем в сверхчистых, почти стерильных лабораториях11.
— ДНК древних растений очень сложно изучать, — продолжает Иван. — Дело в том, что со временем она разрушается под воздействием влаги, тепла и микробной активности. Образцы, которые выглядят совершенно целыми, часто оказываются повреждёнными, фрагментированными, и это затрудняет анализ. В отличие от костей или зубов животных, ткани растений, особенно листья и семена, сами по себе являются хрупкими и могут легко распадаться, оставляя лишь слабые следы ДНК, с которыми учёным приходится работать. И это вторая большая проблема — деградация ДНК.
— Подходите поближе и взгляните сами, — приглашает Иван.
Под стеклом, в аккуратно выстеленной ячейке деревянной коробки, лежит кучка сухих почерневших крупинок. Но приглядевшись, можно заметить, что это не просто чёрные крошки — перед нами древние семена пшеницы, которым не одна тысяча лет. Их поверхность слегка деформирована, кое-где покрыта мелкими трещинками, будто старинный лак на иконе.
Цвет их потемнел от времени и долгого пребывания в археологическом слое: от светлого золотистого оттенка не осталось и следа, вместо него — буровато-серый тон, похожий на выцветшее дерево. На некоторых зёрнах, артефактах целой эпохи, видны крохотные следы разрушения, будто клеймо, оставленное веками. Другим зёрнышкам повезло больше: они сохранили более определенную форму, слегка вытянутую, с намёком на бывшую упругость и гладкость оболочки.
— Да, вы правы, контаминация — жестокая штука, — подхватываю я разговор после паузы. — Однако сейчас с помощью новейших достижений в области высокопроизводительного секвенирования и биоинформатики сильно деградировавшую ДНК из древних растительных остатков успешно извлекают и анализируют. К радости палеогенетиков, эти методы позволяют исследовать целые геномы, несмотря на проблемы деградации и загрязнения.
— Кстати, ещё раз о контаминации, — продолжаю я. — Один интересный случай был связан с заявлением об извлечении ДНК из семян растений, сохранившихся в янтаре. Представьте себе, находка эпохи миоцена, 20 миллионов лет назад. Долгое время считалось, что этот янтарь, найденный в Доминиканской Республике, содержит семена бобового дерева12, дальнего родственника современных тропических лиственных пород. Дело в том, что янтарь, эта окаменевшая древесная смола, невероятно эффективен в сохранении органического материала. Именно это навело исследователей на мысль, что они смогут извлечь ДНК из семян, заключенных в янтарь. Первые попытки секвенирования ДНК из этих семян оказались успешными, и это вызвало неподдельный интерес к генетическому коду вымершего растения.
Однако ажиотаж был недолгим. ДНК повторно проанализировали позже новейшими молекулярными методами, и выяснилось, что на самом деле это вовсе не бобовое дерево! ДНК принадлежала резуховидке Таля13. Этот неожиданный поворот указывал на то, что последовательность ДНК, скорее всего, была контаминирована в лаборатории, а не извлечена из самого древнего семени. Эта «бесконечная» история геологически древней ДНК была опубликована около десяти лет назад испанским учёным Джозефом Руссильоном. Забавный конфуз, правда?
— Лёня, нам пора на лекцию, — мы увлеклись, и теперь нужно торопиться.— Благодарим вас, Иван, за интересную экскурсию и беседу.
Из-за пробок мы едва успеваем ко времени моей послеобеденной лекции о доместикации (то есть превращении дикого растения в культурное) и утраченным генам.
— Знали ли вы, что у растений есть память? — начинаю я и обвожу аудиторию продолжительным взглядом. — Нет, разумеется, они не помнят, что было на прошлой неделе, но их геномы хранят информацию о том, как растения выживали и приспосабливались тысячи лет назад. И вот эта «записная книжка эволюции» может поведать нам потрясающие истории, если, конечно, мы правильно их прочтём.
Современные методы анализа ДНК дают возможность буквально раскручивать назад ленту времени. Мы можем узнать, как древний ячмень становился более засухоустойчивым или как пшеница постепенно «научилась» быть высокоурожайной, чтобы кормить древние цивилизации. Удивительно, не так ли? Но обо всём по порядку.
Представьте, что перед вами старая потрёпанная книга. Буквы стёрлись, страницы порваны, а текст, казалось бы, безвозвратно утерян. Но если вы очень упрямы (и у вас есть современные технологии), вы сможете восстановить эту книгу по крошечным фрагментам и узнать её секреты.
Сравнение древней ДНК растений с их современными сортами позволяет изучить одомашнивание и адаптацию ключевых сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, ячмень и кукуруза. Так мы получаем представление о влиянии отбора и эволюционных изменениях, вызванных ранним сельским хозяйством.
Исследования геномов зерновых культур, возраст которых насчитывает тысячи лет, позволили выявить аллели и генетические варианты, распространенные в древних популяциях ячменя и пшеницы. Оказалось, что аллели, повышавшие устойчивость ранних одомашненных форм пшеницы к ряду болезней и неблагоприятных факторов, практически не встречаются в современных сортовых линиях, то есть они исчезли при доместикации и селекции.
Одно исследование, проведённое группой учёных из Германии и других европейских стран, было связано с вопросом происхождения однозернянки, одной из древнейших форм пшеницы, выращиваемой людьми. Им удалось с помощью генетического анализа показать, что её доместикация произошла в определённом регионе юго-восточной Турции. Результаты опубликовали в журнале Science в 1997 году.
Отличительной чертой этой работы стало использование сравнительно новых для археоботаники методов «ДНК-дактилоскопии» (DNA fingerprinting). Эти методы позволили учёным «прочесть» древний генетический код пшеницы, долгое время пролежавшей в археологических слоях. В то время подобный подход был в новинку. Упоминания об этом исследовании появились в СМИ, включая крупные научно-популярные издания и авторитетные газеты, например, The New York Times.
Позже учёные сосредоточились на эволюционной истории эммеровой пшеницы, ещё одного предка нашей современной хлебной пшеницы. Задача была непростая: понять, как формировалась структура диких и одомашненных популяций эммера, как гены «переходили» от дикой формы к культурной и какие генетические варианты по пути утратились. Это исследование, опубликованное в 2007 году в журнале Theoretical and Applied Genetics, было проведено международной группой учёных, включавшей специалистов из США, Китая и других стран.
С технической точки зрения это выглядело как детектив с невидимыми следами: учёные анализировали сотни образцов и сравнивали фрагменты ДНК, чтобы понять, где, когда и в какой степени происходил обмен генами между дикими и одомашненными популяциями. Интересной деталью стало выявление «генетических потерь»: в процессе одомашнивания люди, сами того не зная, «отбраковывали» некоторые гены, которые могли быть важны для выживания в суровых природных условиях. В итоге современные сорта пшеницы уже не обладают тем старым разнообразием, которым могла похвастаться их дикая «родня» тысячи лет назад.
В 2016 году большой проект объединил генетиков, археологов и биоинформатиков, которые вместе реконструировали фрагменты древней ДНК ячменя, найденного в археологических раскопках на Ближнем Востоке в регионе «Плодородного полумесяца»14. Исследование, проведённое также международной командой учёных, позволило впервые взглянуть на ДНК ячменя, которому уже около 6000 лет. Ключевую роль в этой работе сыграли немецкие специалисты из Лейбниц-Института генетики и исследований культурных растений и Университета Тюбингена.
Одним из любопытных моментов исследования стало само состояние образцов: представляете, зерно пролежало шесть тысячелетий и за это время его ДНК сильно фрагментировалась. Учёным пришлось применить самые современные методы секвенирования и биоинформатики, чтобы собрать хоть какой-то геном из крошечных остатков. Говорят, во время подготовки экспериментов один из участников команды даже пошутил, что проще было бы собрать машину времени, чем полностью восстановить такой древний геном. Тем не менее им это удалось!
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Genetics, что в научном мире считается знаком качества и важности работы. Научное сообщество с энтузиазмом восприняло статью, поскольку она не только дала новые данные о том, как происходило одомашнивание одной из важнейших зерновых культур, но и осветила некоторые детали методологических и технологических решений, предложенных в ходе этой работы.
— Так что древняя ДНК — это не просто пыльный архив, — говорю я в завершение лекции. — Это настоящая копилка идей для решения современных проблем.
Дома, углубившись в очередную статью из Science, читаю до глубокой ночи. На затопленном 8000 лет назад участке Британских островов в осаждениях нашли пшеницу!
Когда мезолит сменялся неолитом, люди постепенно перестали полагаться на охоту и собирательство и начали сами выращивать растения и содержать домашних животных. Этот переход совпал с подъёмом уровня моря, которое затопило прибрежные земли. Боулднор Клифф является подводным археологическим памятником у побережья острова Уайт в Великобритании, он уникален тем, что там, под толщей воды, сохранился древний слой почвы возрастом около 8000 лет. Исследователи получили керн осадков из слоя, полностью «запечатанного» морем, и тщательно проанализировали его. Они использовали сочетание микроскопических методов и изучение древней осадочной ДНК (sedaDNA), чтобы восстановить картину растительного и животного мира, существовавшего здесь до затопления. Анализы показали смешанную среду из дубовых лесов и луговых трав, это совпадало с данными о пыльце в этих отложениях. Но более поразительным стало обнаружение следов пшеницы, и это за 2000 лет до появления неолитического земледелия на материковой части Британии и на 400 лет раньше, чем в ближайших европейских регионах. Это означает, что люди мезолита, жившие тут задолго до появления сельского хозяйства на севере Европы, уже имели контакт с неолитическими земледельческими культурами юга. Оказывается, люди мезолита уже варили кашу намного раньше предполагаемой даты прихода земледелия в этот регион!
В семь утра меня будит звонок. «Лёня», — спросонья думаю я и зачем-то беру трубку.
— Вы не поверите, — взахлёб начинает рассказывать он. — Оказывается, археологи нашли семена древнего арбуза15, которому несколько тысяч лет. К исследованию сразу же подключились генетики, им хотелось узнать: был ли этот арбуз таким же сочным и сладким, как наши современные сорта, которыми мы наслаждаемся в жаркие летние дни. И знаете, что показал геном арбуза? Что дикие предки культурного арбуза были не только не такие яркие и сочные, но и откровенно горькие на вкус. Определённые гены и их варианты указывали на наличие соединений, делающих мякоть неприятно терпкой. То есть арбузы, которыми питались люди древности, мало напоминали современные. Получается, наши предки выбирали более вкусные экземпляры и за тысячи лет создали настоящую «глюкозно-фруктозную бомбу».
— Лёня, это очень интересно, — я готовлю матча-латте на кокосовом молоке. — Не забудь подготовить доклад про реконструкцию истории растительности с использованием ДНК донных отложений, выступишь в следующую среду на семинаре.
— Принято, — охотно соглашается Лёня.
К назначенному сроку доклад и презентация готовы.
— Представьте себе, что вы достаёте пригоршню ила со дна озера. Это капсула времени, и она содержит ДНК растений, которые росли там тысячи лет назад, — начинает Лёня. — Звучит как научная фантастика, но сегодня учёные используют ДНК из озёрных отложений, чтобы раскрыть секреты древней растительности и представить, как менялись растительные сообщества и экосистемы с течением времени.
Растения сбрасывают листья, пыльцу и другие части, которые в конечном итоге сохраняются в слоях озёрных отложений. Каждый слой отложений представляет собой определённый исторический период, так что можно составить хронологию существования растений, их разнообразия и реакции экосистемы на изменения окружающей среды, скажем, на изменение климата. Этот процесс называется анализом древней осадочной ДНК (sedaDNA), и он позволил получить замечательные результаты.
Например, в исследовании 2018 года Пардуччи, Нота и Вуд использовали sedaDNA для отслеживания изменений растительности вокруг европейского озера с конца последнего ледникового периода до настоящего времени. Их анализ показал, как по мере потепления климата леса уступали место более разнообразной растительности умеренного пояса.
Исследования генетических «ледяных архивов» проводили международные команды специалистов из Дании, Великобритании, США и Канады. Примером может служить работа16, опубликованная в журнале Nature учёными из группы профессора Эске Виллерслева при Копенгагенском университете совместно с коллегами из США. Они извлекли ДНК из отложений в так называемом «ледниковом коридоре» Северной Америки и по крупицам собрали картину растительного покрова, существовавшего десятки тысяч лет назад. Потом проанализировали, как растения перекраивали свои «карты обитания» после схода ледников и изменения климата. Оказалось, что некоторые виды быстро перемещались в новые области, другие формировали неожиданные сообщества, а третьи незаметно исчезали. Результаты были представлены на международных научных конференциях. Журнал National Geographic, который периодически пишет о палеогенетике, рассказал о климатических изменениях прошлого широкой аудитории.
Ещё десятилетие назад такая задача казалась непосильной. Фрагменты древней ДНК были слишком малы, слишком повреждены и «засорены» чужеродным материалом. Но новые высокопроизводительные технологии секвенирования позволяют прочитать отдельные «буквы» генетического кода и восстановить картину древних экосистем. Это как собрать целый текст по клочкам выцветшей рукописи. В итоге учёные получают подробный «штрихкод» древнего растительного сообщества из всего одного образца керна.
Зачем это нужно? Наша планета сейчас переживает колоссальные перемены: климаты сдвигаются, температуры скачут, а сезоны изменяются. Исследования ДНК донных отложений помогают осознать, какие виды растений наиболее уязвимы к современным проблемам, а какие — чрезвычайно гибки. Эти знания могут стать отправной точкой для стратегий сохранения биоразнообразия и устойчивого использования природных ресурсов.
— У нас есть колоссальный генетический архив в виде донных отложений и ископаемых остатков, и теперь мы можем его расшифровать, — заключает Лёня. — В следующий раз, когда вы будете наслаждаться едой, помните, что растения на вашей тарелке имеют долгую и богатую историю — и благодаря современной науке мы наконец начинаем понимать древнее генетическое наследие, которое делает возможным разнообразие на нашей кухне.
справка об авторе:
Татьяна Полякова — биолог, ботаник и генетик, кандидат биологических наук, доцент, ученый секретарь Московского отделения Вавиловского общества генетиков и селекционеров, преподаватель и методист, автор научных статей и монографий.
Татьяна Полякова — биолог, ботаник и генетик, кандидат биологических наук, доцент, ученый секретарь Московского отделения Вавиловского общества генетиков и селекционеров, преподаватель и методист, автор научных статей и монографий.
- Впервые древнюю ДНК извлекли из кусочка высушенной мышцы квагги Equus quagga в 1984 году (Higuchi, 1984), умершей около 140 лет назад. Квагги — это подвид бурчелловой зебры, обитавший на территории нынешней ЮАР и вымерший в конце XIX века. Спереди квагги выглядели как зебры с полосатой расцветкой, а сзади имели гнедой окрас лошади. В дикой природе они были истреблены в 1878 году, а спустя пять лет в зоопарке Амстердама умерла последняя квагга.[↑]
- Палеогенетика — это область науки на стыке археологии и молекулярной генетики, которая занимается генетическими исследованиями древней ДНК, содержащейся в биологических останках и ископаемых организмах.[↑]
- CTAB — это метод экстракции ДНК с использованием цетилтриметиламмония бромида.[↑]
- Масада — это древняя крепость, расположенная в юго-восточной части Израиля на вершине изолированного скального плато на восточной окраине Иудейской пустыни. Она находится рядом с побережьем Мертвого моря, примерно в 20 км к востоку от современного города Арад. Название «Масада» изначально означает «крепость». В исторических источниках оно упоминается под этим именем уже с периода царя Ирода Великого (I век до н.э.).[↑]
- Смолёвка узколистая (лат. Silene stenophylla) — вид многолетних травянистых растений рода Смолёвка семейства Гвоздичные (Caryophyllaceae), распространённых на северо-востоке Сибири, на Дальнем Востоке и в Северной Америке. Встречается и в арктических тундрах.[↑]
- «Доколумбовая Мезоамерика» — это культурно-исторический регион, охватывающий территории нынешней Мексики и части Центральной Америки до прихода европейцев в Новый Свет, то есть до путешествия Христофора Колумба в 1492 году. В этот период здесь развивались сложные цивилизации, такие как ольмеки, майя, ацтеки и другие культуры, создавшие высокоорганизованные общества с уникальными письменными системами, архитектурой, науками и традициями земледелия.[↑]
- Название «теосинте» происходит из языка науатль, на котором говорили ацтеки. Слово teōcintli состоит из teōtl («бог») и cintli («початок, зерно») и дословно может быть переведено как «божественное зерно». Коренные народы Мезоамерики знали о существовании теосинте на протяжении тысячелетий, задолго до прихода европейцев. Они использовали эти растения, хотя и в меньшей степени, чем одомашненную кукурузу.[↑]
- Теосинте — это группа диких трав рода Zea, произрастающих в Мексике и некоторых других районах Центральной Америки. Эти растения внешне достаточно сильно отличаются от обычной кукурузы: у теосинте маленькие твёрдые зёрна, расположенные в рыхлых соцветиях. Однако генетический анализ показал, что между диким теосинте и культурной кукурузой имеется очень тесная эволюционная связь.[↑]
- ScienceDaily — американский веб-сайт, запущенный в 1995 году, который собирает и публикует слегка отредактированные пресс-релизы о значительных достижениях науки.[↑]
- Phys.org — сайт научно-технических новостей, специализирующийся на точных и естественных науках.[↑]
- А также используют специализированное программное обеспечение для идентификации и исключения ДНК-загрязнителей, что позволяет работать с подлинным древним генетическим материалом.[↑]
- Бобовое дерево (Hymenaea protera) — это ископаемое дерево, произраставшее в Вест-Индии и от Мексики до северной части Южной Америки в период миоцена — эоцена (15–40 млн лет назад). Вид был впервые описан в 1991 году американским палеоэнтомологом и писателем Джорджем Пойнаром из доминиканских янтарей (La Toca, Доминиканская Республика).[↑]
- Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) — известный модельный объект молекулярно-генетических исследований.[↑]
- «Плодородный полумесяц» — это исторический регион на Ближнем Востоке, простирающийся примерно от долины Нила на западе, через территорию современного Израиля, Ливана, Сирии, Иордании и до Месопотамии (район между реками Тигр и Евфрат) на востоке. Своё название он получил из-за характерной полукруглой формы и особенно благоприятных условий для земледелия: здесь тысячелетия назад климат и плодородные почвы способствовали раннему развитию сельского хозяйства, что, в свою очередь, стало важной основой для возникновения первых цивилизаций.[↑]
- Исследование, посвященное эволюции и одомашниванию арбуза, учёных Chomicki, Schaefer и Renner, опубликовано в 2016 году в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Учёные показали, что культурный арбуз произошёл от диких предков, произраставших в Африке, и что длительная селекция постепенно «вычистила» гены, отвечающие за горечь мякоти. Вместо этого сохранились варианты генов, усиливающие содержание сахаров и сокращающие количество горьких веществ.[↑]
- Речь идет о статье: Pedersen, M. W., Ruter, A., et al. (2016). Post-glacial viability and colonization in North America’s ice-free corridor, в которой учёные проследили, какие растения и животные заселяли районы, освободившиеся от ледников, и выяснили, что флора могла быстро меняться.[↑]