Нобелевская премия по физике — 2021

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2021 года. Слева направо: Клаус Хассельманн (Klaus Hasselmann), Джорджо Паризи (Giorgio Parisi) и Сюкуро Манабэ (Syukuro Manabe). Изображение с сайта nature.com

В этом году Нобелевская премия по физике была присуждена троим ученым «за фундаментальный вклад в наше понимание сложных физических систем». Половина премии (5 млн шведских крон) досталась климатологам Клаусу Хассельману и Сюкуро Манабэ «за моделирование физики климата Земли, математическое описание изменчивых систем и точное предсказание глобального потепления». Манабэ был одним из первых исследователей, указавших на влияние увеличивающейся концентрации углекислого газа в атмосфере на земной климат. Он же в 1960-х годах руководил разработкой первых компьютерных физических моделей климата. Спустя примерно десять лет после первых результатов Манабэ, Клаус Хассельманн создал свою модель, связавшую воедино хаотичную и сложно предсказуемую локальную погоду, и глобальный климат, а также предложил методику, позволившую доказать ключевую роль человека в происходящих сейчас быстрых климатических изменениях. Вторую половину премии получил Джорджо Паризи «за открытие взаимосвязей в хаосе и флуктуациях в физических системах от атомарных до планетарных масштабов». В 1980-х годах Паризи открыл ряд закономерностей в материалах, казавшимися исследователям того времени полностью неупорядоченными, таких как спиновые стекла и разработал математический аппарат для их описания.

Мир, в котором мы живем, состоит из множества компонентов, какой масштаб не возьми: будь то нуклоны, электроны, молекулы или же воздушные потоки, океанические течения, материки. Часто поведение и влияние этих компонентов друг на друга абсолютно случайно. Эта сложность кажется непостижимой — человеческое сознание не умеет представлять одновременно миллион непредсказуемо ведущих себя элементарных частиц или явлений. Более того, даже для самых мощных суперкомпьютеров симуляция поведения «всего лишь» миллиона атомов является в большинстве постановок задачи невозможной. Однако благодаря работам лауреатов этого года ученые стали гораздо лучше понимать общие закономерности в таких пугающе сложных системах и даже научились в некоторых случаях неплохо предсказывать их состояние в будущем.

Среди всех сложных и хаотических систем, которые нас окружают, Нобелевский комитет особенно выделил одну — климат Земли и, в особенности, его быстрое изменение. Это не первая Нобелевская премия за работы изучающие изменение климата и его последствия: так, в 2007 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата ООН (МГЭИК, IPCC) и бывший вице-президент США Альберт Гор удостоились Нобелевской премии мира «за усилия по обобщению и распространению знаний о вызванном человеком изменении климата и заложению основ разработки мер противодействия ему». В 2007 вышел четвертый доклад МГЭИК (именно эта работа и предшествовавшие ей и были отмечены премией) а 9 августа 2021 года — шестой (IPCC AR6). Также в 2018 году американец Уильям Нордхаус получил премию по экономике «за интеграцию изменения климата в долгосрочный макроэкономический анализ». Однако обе эти премии в некотором роде вторичны — МГЭИК не проводит оригинальных исследований, а только обобщает данные, а Нордхаус занимался изучением глобальных экономических процессов. Таким образом, нынешнее решение Нобелевского комитета наконец-то наградить непосредственно ученых, заложивших основы нашего современного понимания закономерностей функционирования планетарного климата, является давно ожидаемым и, в некотором роде, восстанавливает справедливость.

Сюкуро Манабэ (Syukuro Manabe) родился в Японии в 1931 году. Получив докторскую степень по метеорологии в Токийском университете в 1957 году, талантливый молодой ученый уехал из опустошенной войной Японии в США, где занялся изучением физики атмосферы. Основным направлением его работы в этот период был поиск взаимосвязей между растущей концентрацией углекислого газа в атмосфере и ростом глобальных температур. Среди прочего Манабэ разрабатывал новую группу моделей, учитывавших вертикальные движения воздушных масс (конвекцию) и тепловой вклад глобального круговорота воды. Чтобы компьютеры того времени справились с вычислениями, Манабэ упростил свою модель до одномерного случая, выглядевшего как 40-километровая колонна воздуха (рис. 2). Даже несмотря на это упрощение, сотни часов компьютерного времени и килограммы перфокарт ушли на то, чтобы рассчитать множество случаев, в каждом из которых рассматривались различные концентрации газов в атмосфере. Результаты оказались настораживающими — изменение содержания азота и кислорода мало влияло на температуру, а вот всего лишь удвоение количества CO2 (содержание которого по последним данным составляет 413 частей на миллион) приводило к росту температуры сразу на 2°C.

Схематическая иллюстрация модели Манабэ, учитывающей радиационный баланс и конвекцию воздуха, а также круговорот воды. Земля, нагреваемая солнечным светом, отдает тепло в виде ИК-излучения (красные пунктирные стрелки). Частично оно поглощается атмосферой, нагревая воздух, частично уходит в космос. Теплый воздух легче холодного, поэтому он поднимается, а холодных опускается (красная и синяя стрелки), — возникает конвекция. Теплый воздух несет с собой от поверхности водяной пар — важный парниковый газ. Чем теплее воздух, тем больше он может «вместить» молекул воды. Поднимаясь и остывая, пар конденсируется — так формируются облака. При этом запасенное в паре тепло высвобождается. Рисунок с сайта nobelprize.org

Модель подтверждала предположение, что в потеплении виновен именно CO2: она показывала рост температуры в приповерхностных слоях и ее понижение — в высотных. Если бы нагрев происходил за счет увеличения потока энергии, идущей от Солнца (что тоже было одной из исходных гипотез), расслоения бы не наблюдалось — атмосфера прогревалась бы равномерно. Успех одномерной модели предопределил разработку полноценной трехмерной модели, предсказания которой были опубликованы в 1975 году (рис. 3). Работы Манабэ заложили основу современного климатического моделирования, в настоящее время девяностолетний ученый занимает позицию старшего метеоролога в Принстонском университете в США. Комментируя присуждение премии, на вопрос о том, что же делать с теми, кто не верит в изменение климата, он ответил так: «Они — проблема в миллион раз сложнее чем понимание причин изменения климата. Такие люди для меня большая загадка».

Вертикальный профиль температуры в атмосфере в зависимости от концентрации CO2, согласно модели Манабэ. Рисунок с сайта nobelprize.org, с изменениями

Примерно через десять лет после успеха первой модели Манабэ, Клаусу Хассельману удалось обнаружить способ описания связи между погодой и климатом. Погода — это локальное краткосрочной состояние атмосферы, определяемое неисчислимым множеством факторов, тогда как климат — долгосрочное и, как правило, более глобальное состояние, складывающееся из совокупности погодных данных. Сама же погода — вещь достаточно изменчивая и хаотическая, лучшей иллюстрацией чему является вероятностный характер даже лучших современных прогнозов. Основной фактор, определяющий погоду, — вариации в количестве солнечных лучей, достигающих поверхности Земли в каждой конкретной точке, что определяется как временными, так и географическими факторами. Земля имеет примерно сферическую форму, поэтому на экватор попадает больше солнечных лучей нежели на полюса. Кроме того, ось вращения Земли наклонена — из-за этого год делится на четыре сезона. Воздушные массы разной температуры перемещаются между широтами, сушей и океанами, горами и долинами, создавая изменчивую и сложную погоду.

Клаус Хассельман (Klaus Hasselmann) родился в Гамбурге в 1931 году. Он работал над своей диссертацией, успешно защищенной в 1957 году, в Геттингене, занимаясь в основном гидродинамикой. В центре его исследований были математические модели волновых процессов в океане и течений. Позже он переехал в Калифорнию и продолжил работу уже как океанолог в Институте океанографии Скриппса (Scripps Institution of Oceanography). Там он встретил своего будущего друга и коллегу Чарльза Дэвида Килинга, вместе с которым основал мадригальный хор. Килинг — легендарный климатолог, являющийся автором графика (рис. 4), на который опирался Хассельманн во многих дальнейших исследованиях. На нем показана ведущаяся с 1958 года серия непрерывных наблюдений изменения концентрации CO2 в воздухе на вершине горы Мауна-Лоа на Гавайских островах, где расположена погодная обсерватория.

График Килинга по состоянию на 10 сентября 2021 года. По вертикальной оси указана концентрация CO2 в ppm, по горизонтальной — время в годах. Рисунок с сайта nobelprize.org

Главной заслугой немецкого ученого была догадка, что погода и климат очень похожи на элементарные частицы и то, что из них состоит. А значит — для установления связи между частью и целым в этом случае можно применять схожие стохастические методы, такие как случайное блуждание (random walk). Чаще всего этот метод описывают как поведение любопытной собаки на поводке — она бегает в разные стороны, путается под ногами и слабо представляет куда движется хозяин. Однако обобщая след, оставленный собакой, возможно восстановить траекторию движения хозяина и его скорость. Собака в этой аналогии — погода, а хозяин — климат. Используя данный алгоритм Хассельман, вдохновленный эйнштейновским описанием броуновского движения, создал свою стохастическую модель климата, учитывающую случайный «шум», возникающий из-за непредсказуемо меняющейся погоды.

Продолжая работать с этой моделью в дальнейшем, он установил, что различные природные явления, такие как извержения вулканов или изменение солнечной активности, влияют на результаты расчетов характерным образом. Таким образом у каждого явления, включая разные рода человеческой деятельности, был свой «отпечаток пальцев» и, воспроизводя метеорологические наблюдения, можно было понять, какой из факторов больше влиял на тот или иной результат.

Результаты климатического моделирования, показывающие отклонение среднегодовой температуры относительно среднего значения для 1901–1950 годов с учетом только природных (синий график) и природных и антропогенных факторов (красный график). Рисунок с сайта nobelprize.org

Хассельман был одним из основателей Института метеорологии Макса Планка в 1975 году и работал одним из его директоров до 1999 года. В настоящее время он занимает пост профессора там же и все еще активно занимается научной работой.

Во многих своих работах Хассельман обращался к данным Килинга и график его имени является чуть ли не неофициальным символом антропогенного изменения климата, однако самого Чарльза нет в числе нобелевских лауреатов этого года. Килинг умер в 2005 году, а Нобелевская премия не вручается посмертно (исключением является лишь ситуация, когда номинант был жив на момент информирования о получении награды, но не дожил до вручения). Однако можно сказать, что награда этого года, врученная Хассельману, элегантно увековечивает научные достижения обоих друзей.

Третий нобелевский лауреат этого года — Джорджо Паризи (Giorgio Parisi). Он родился в Риме в 1948 году. Учился и получил степень в университете «Сапиенца» в 1970 году. В настоящее время Паризи является профессором того же университета. Он весьма известен в Италии своей публичной критикой недостаточного финансирования итальянской науки. Работы, отмеченные комитетом премии, были опубликованы итальянским физиком в 1980-х годах. Они посвящены принципиально новому математическому описанию неупорядоченных систем.

Исследование сложных неупорядоченных систем, во многом идущее рука об руку с развитием статистической механики, началось во второй половине девятнадцатого века с работ Максвелла, Больцмана и Гиббса, который и ввел термин «статистическая механика» в 1884 году. Это направление возникло в связи с необходимостью описывать поведение систем, состоящих из множества неупорядоченных частиц. Примерами таких систем являются стекла и газы. Так как необходимо учитывать случайное поведение частиц, их параметры при расчетах берутся усредненными. К примеру, в статистической механике температура газа — это метрика средней энергии всех частиц, а не каждой в отдельности.

В начале своей научной карьеры Паризи занимался физикой элементарных частиц. Достаточно известно уравнение Докшицера — Грибова — Липатова — Альтарелли — Паризи, использующееся для описания жестких адронных реакций. Свою работу по этой теме Паризи опубликовал в 1977 году в соавторстве с Гвидо Альтарелли (G. Altarelli, G. Parisi, 1977. Asymptotic freedom in parton language). В 1980 годах Паризи начал работать с интересным классом материалов — так называемыми спиновыми стеклами, — применяя методы статистической динамики для описания их физических свойств. Спиновые стекла — это сплавы немагнитных металлов с включением магнитных примесей. Свое название они получили по аналогии с обычными стеклами. Разница в том, что в обычном стекле в неупорядоченном состоянии находятся сами атомы элементов, а в спиновом стекле — их спины.

Пример спинового стекла — сплава меди и железа. Рисунок с сайта nobelprize.org

В предисловии к своей книге о спиновых стеклах Паризи пишет, что их изучение — сродни наблюдению за трагедиями Шекспира. Герой хочет дружить сразу с двумя людьми, но они ненавидят друг друга и это огорчает героя. Точно так же ведут себя и спины, которые хотят быть упорядоченными, но не могут, и находятся во фрустрированном состоянии (это термин!), являющимся наиболее энергетически выгодным в такой неприятной ситуации. В то время многие физики, включая нескольких нобелевских лауреатов, искали способ математического описания таких систем, но удалось это только Паризи. В 1979 году он предложил метод, позволяющий объяснить физические особенности спиновых стекол. Его подход оказался верным и пригодился не только в физике, но и в биологии, нейронауке и машинном обучении.

Кирилл Власов

источник

Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2021

Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2021 года Ардем Патапутян (Ardem Patapoutian, слева) и Дэвид Джулиус (David Julius). Фото с сайта nature.com

Нобелевская премия по физиологии и медицине в этом году была вручена Дэвиду Джулиусу (David Julius) и Ардему Патапутяну (Ardem Patapoutian) «за открытие рецепторов, обеспечивающих восприятие температурных и механических стимулов». Рецепторы термочувствительности (сначала рецепторы горячего, а через некоторое время и рецепторы холодного) были открыты в 1997–2003 годах. Пальма первенства тут принадлежит Джулиусу, открывшему три таких рецептора. Еще несколько рецепторов этих типов открыл чуть позднее Патапутян. Пара наших важнейших механорецепторов была открыта группой Патапутяна в работах 2010–2017 годов. В основу исследований, за которые была присуждена премия, лег чуть ли не весь арсенал современной генетики — клонирование, гибридизация ДНК, секвенирование, сравнительный анализ последовательностей, изучение структуры белков, — и, конечно же, эксперименты непосредственно на клеточных культурах и на животных, которые позволили во всей полноте установить механизм, обеспечивающий сенсорное восприятие разнообразных стимулов.

Дэвид Джулиус (David Julius) родился в Нью-Йорке в 1955 году, степень бакалавра получил в Массачусетском технологическом институте, а степень доктора философии (Ph. D.) — в Калифорнийском университете в Беркли. С 1990 года работает в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Ардем Патапутян (Ardem Patapoutian), рожденный в Ливане в 1967 году, переехал в США в 1986 году. Он окончил Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, а докторскую степень получил в Калтехе в 1996 году. В 2000–2014 годах работал в Научно-исследовательском институте Скриппса (Scripps Research), а сейчас работает в Медицинском институте Ховарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Таким образом, все отмеченные премией работы обоих лауреатов проводились на территории США.

Коллеги по Калифорнийскому университету в Сан-Франциско (University of California San Francisco, UCSF) поздравляют Дэвида Джулиуса с присуждением Нобелевской премии. Фото с сайта ucsf.edu

Работа Джулиуса уже была отмечена несколькими престижными наградами, в частности, он получил Премию за прорыв в области медицины за 2020 год («за прояснение механизмов болевой чувствительности»).

Чем же примечательны исследования лауреатов? Все начиналось с довольно незамысловатых — даже «детских» — вопросов. Каким образом компоненты перца и мяты вызывают ощущения горячего и холодного? Каким образом мы ощущаем прикосновения и работу собственных мышц и внутренних органов? Как мы слышим? Как горячее, холодное, или механическое воздействие на тело заставляют чувствовать боль?

Собственно, нервные пути, по которым распространяются те или иные ощущения, проделывая путь от кожи или иных участков тела, где находятся чувствительные нервные окончания, к спинному мозгу (и далее в головной мозг — где формируются уже осознанные ощущения), были в основном более или менее известны физиологам уже в 1980-х. И уже тогда было хорошо известно, что возбуждение начинается с изменения электрического потенциала на цитоплазматической мембране чувствительных нейронов, а значит, с открывания каких-то ионных каналов, встроенных в мембраны этих клеток. Так что целью Джулиуса и Патапутяна было выяснить, какие именно белки обеспечивают определенные формы чувствительности, какими свойствами они обладают, какими генами обеспечивается их синтез и насколько широки их функции в организме.

Первой на эту тема стала опубликованная в 1997 году статья от команды Дэвида Джулиуса, где сообщалось об открытии рецептора, чувствительного к капсаицину (алкалоиду, ответственному за остроту перца), и, вместе с тем, к умеренно высоким температурам — от 43°C (M. J. Caterina et al., 1997. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway). Собственно, о том, что это должен быть один и тот же рецептор, было известно заранее, а использовать химический индуктор для экспериментов технически проще — меньше риска получения побочных эффектов из-за повреждения клеток и т. п. Схема работы (ее проводили на клетках мышей) показана на рис. 3. Искомый белок сначала обозначили VR1 (от vanilloid receptor — ванилоидный рецептор), но затем сравнительный анализ показал, что по своей структуре он сходен с белком TRP (transient receptor potential), ранее обнаруженным в зрительных сенсорах у дрозофил. Это и стало причиной того, что впоследствии название было изменено на TRPV1 (transient receptor potential cation channel subfamily V member 1). Любопытно, что гомолог белка VR1 птиц не реагирует на капсаицин, поэтому птицы спокойно едят перец и распространяют его семена, а вот млекопитающих острота отпугивает (этот факт тоже был установлен в группе Джулиуса, S. Jordt, D. Julius, 2002. Molecular basis for species-specific sensitivity to «hot» chili peppers).

Схема исследования, послужившего начальным шагом в изучении терморецепторных белков. Справа показана температурная шкала с диапазонами для активации разных термочувствительных рецепторных каналов семейства TRP, которые были обнаружены в 1997–2003 годах. Выделение РНК из нервных клеток, реагирующих на капсаицин, с последующим получением ДНК-копий, их клонированием и испытанием в клеточных или бесклеточных системах, в итоге позволило идентифицировать белки, которые интересовали исследователей. Рисунок с сайта nobelprize.org

Этот белок, как и все прочие члены семейства TRP (в сумме их у млекопитающих обнаружилось аж 28), формирует ионный канал, который в открытом состоянии пропускает разнообразные моновалентные и дивалентные неорганические катионы (в первую очередь это Na+ и Ca2+), а также способен пропускать и органические катионы, в том числе довольно крупные. Ионный канал формируется четырьмя молекулами белка. Каждая отдельная белковая молекула имеет шесть гидрофобных участков, которые пронизывают мембрану, заякоривая в ней белок. Концы белковых молекул выходят на противоположные стороны от мембраны, формируя внеклеточный и внутриклеточный домены. Через них рецептор может взаимодействовать с другими молекулами экзогенного или эндогенного происхождения, которые могут влиять на работу канала.

TRPV1, будучи терморецептором, изменяет свою конформацию при воздействии повышенной температуры таким образом, что канал переходит в открытое состояние. Аналогичные изменения в конформации белка возникают и при взаимодействии с капсаицином красного перца, некоторыми пептидами (токсинами паука), а также с продуктами гидролиза мембранных фосфолипидов ферментом фосфолипазой — фосфоинозитидами. Открытие канала приводит к деполяризации мембраны нервного окончания и возникновению потенциала действия, направляемого далее в ЦНС. Возникающие при этом ощущения — это то самое чувство ожога, то есть боли, которая заставляет нас отдергивать руку от горячего, и заливать холодной водой пожар во рту после обеда в индийском ресторане.

Этот же рецептор оказался причастен и к возникновению боли в месте воспаления. Оказалось, что порог активирующей его температуры снижается на фоне повышения кислотности среды. При pH 6,4 канал открывается уже при 37°C, то есть при обычной температуре тела, а если pH опускается до 5,9 — то и при 32°C. Кислая среда создается в области воспаления за счет работы лейкоцитов. Но тут же можно вспомнить и жгучую боль от укуса муравья. Надо отметить, что Джулиус с коллегами продолжает активные исследования рецептора TRPV1: буквально месяц назад в журнале Cell вышла статья, посвященная изменениям его структуры при разных условиях (K. Zhang et al., 2021. Structural snapshots of TRPV1 reveal mechanism of polymodal functionality; к ней прилагается видео, показывающее модель открывания рецептора TRPV1 при связывании с пептидным токсином паука DkTx)

Через два года после пионерской работы Джулиуса. вышла публикация о еще одном похожем рецепторе. Его сначала назвали VRL-1, теперь же он обозначается TRPV2. Его активация требует более высоких температур (от 52°C), и он не реагирует ни на капсаицин, ни на кислотность среды. Сходство по аминокислотной последовательности для двух мышиных белков — 49%. Оба белка имеют ортологи и у человека.

Следующим на очереди стал рецептор холода. Сложно сказать, насколько это удивительно или закономерно, но один и тот же рецептор был описан в двух статьях, вышедших практически одновременно в начале 2002 года в двух престижнейших журналах: статья Дэвида Джулиуса — в журнале Nature (D. D. McKemy et al., 2002. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation), а статья Ардема Патапутяна — в журнале Cell (A. M. Peier et al., 2002. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol). Новооткрытый белок Джулиус назвал CMR1, а Патапутян TRPM8 — это название и было оставлено в итоге, поскольку снова это был белок из семейства TRP. Поиски рецептора опять велись при помощи вещества-агониста. Только на этот раз эту роль выполнял ментол — вещество из мяты перечной. Да-да, этот холодок от мятной жвачки вовсе неспроста — ментол действительно активирует те же самые нервные окончания, которые сообщают мозгу о прикосновении к чему-то прохладному, — причем, через взаимодействие с теми же самыми рецепторными каналами.

В течение следующего года в лаборатории Патапутяна были открыты еще два терморецептора из семейства TRP. Один из них, TRPA1, реагирует на очень низкие температуры — такие, при взаимодействии с которыми может даже ощущаться боль. Кроме того, позднее было установлено, что канал из этого белка может активироваться при взаимодействии с широким спектром летучих веществ и ядов, вызывая раздражение в слизистых оболочках (кашель, слезоточивость) и чувство боли и зуда (например, при укусах некоторых насекомых, скорпионов и т. д.). С мутациями этого белка связаны некоторые синдромы хронической боли и гиперчувствительности.

Интересно, что среди нервных волокон, несущих рецепторы холода, примерно у половины одновременно присутствуют и рецепторы горячего. Как эти волокна дифференцируют разные стимулы и доносят правильную информацию в мозг — пока не совсем понятно.

Еще один рецептор, TRPM3 — реагирует на мягкое тепло. Этот рецептор обнаруживается на мембранах кератиноцитов кожи, а не нейронов, где обычно находятся все выше упомянутые рецепторы. Предполагается, что работа этого рецептора может быть существенна в отношении скорости появления возрастных изменений кожи.

Если вас беспокоит зубная боль, то ее виновника опознали совсем недавно (L. Bernal et al., 2021. Odontoblast TRPC5 channels signal cold pain in teeth). Им оказался рецепторный белок TRPC5, экспрессирующийся в одонтобластах — особых клетках, которые размещаются в пульпе зуба. Из-за этого белка мы испытываем это ужасное ощущение, когда, откусив мороженого, вместо ожидаемого удовольствия, вдруг чувствуешь, как от холода начинают неприятно болеть все зубы одновременно.

Интересно, что рецептор TRPV2 был обнаружен также в клетках внутренних органов, не являющихся нейронами (например, на фибробластах — клетках соединительной ткани). В этих клетках он регулирует транспорт кальция внутрь в ответ на сигналы, не связанные с повышенной температурой (M. Kanzaki et al. 1999. Translocation of a calcium-permeable cation channel induced by insulin-like growth factor-I). В частности, было установлено, что этот канал регулируется связыванием с инсулиноподобным фактором роста — важнейшим белком, поддерживающим деление клеток у животных.

Практические аспекты описываемых работ лежат в области медицинской проблематики, связанной с поиском причин патологических болей и разработкой средств для их оптимального лечения. Вот лишь один пример. Как было сказано выше, рецепторные ионные каналы TRPV1 и TRPV2 способны пропускать органические катионы. Это их свойство стало предпосылкой для разработки нового подхода к проведению анестезии. Всем знакомый лидокаин, будучи неполярным органическим соединением, может проникать через липидную клеточную мембрану посредством диффузии. В нейронах он связывает изнутри и блокирует работу каналов натрия, чем и обусловлен его анестезирующий эффект. Проникновение лидокаина в клетки неизбирательно — воздействие оказывается на все типы нейронов. В области инъекции теряется не только всякая чувствительность, но и возможность управлять мышцами. В эксперименте ученые проводили инъекцию в заднюю конечность смеси из катионных производных лидокаина и капсаицина (он был нужен для стимуляции открытия канала TRPV1). В итоге порог болевой чувствительности был заметно повышен, но при этом крысы в полной мере сохранили способность двигать ногами и воспринимать неболевые стимулы в области инъекции.

Еще один важный класс рецепторов, который был открыт и изучен в работах лауреатов — это так называемые механорецепторы, реагирующие на давление или другие виды механического воздействия (как внешнего, так и внутреннего). По крайней мере для животных белки с функцией механорецепторов впервые были идентифицированы в 2010 году группой Патапутяна (B. Coste et al., 2010. Piezo1 and Piezo2 Are Essential Components of Distinct Mechanically Activated Cation Channels). У позвоночных их оказалось два: PIEZO1 и PIEZO2 (открытие было сделано на культуре мышиных нейробластов). У большинства видов, впрочем, обнаруживается только один этих гомологов. Гомологичный им белок был выявлен, между прочим, и у растений (в частности, на клетках корневого чехлика, см. S. A. R. Moustavi et al., 2021. PIEZO ion channel is required for root mechanotransduction in Arabidopsis thaliana), а также у одноклеточных эукариот. Вместе с тем белки PIEZO не имеют признаков гомологии с некоторыми другими белками-механорецепторами, выявленными намного раньше у бактерий и архей.

В 2012 году группой Патапутяна было подтверждено предположение, что белки PIEZO формируют пору (ионный канал) в мембранах клеток млекопитающих (B. Coste et al., 2012. Piezos are pore-forming subunits of mechanically activated channels). Оказалось, что каждая пора состоит из трех одинаковых молекул белка, но при этом сами белки не имеют жесткой предсказываемой структуры. Предполагается наличие 16–18 гидрофобных участков, пронизывающих мембрану.

Модель структуры белка PIEZO1. Толстыми цилиндрами обозначены предполагаемые трансмембранные гидрофобные участки молекулы. Обозначены аминокислоты, мутации которых связаны с различными врожденными патологиями у людей или у лабораторных мышей. Рисунок из обзорной статьи E. O. Anderson et al., 2017. Piezo2 in Cutaneous and Proprioceptive Mechanotransduction in Vertebrates

И, наконец, только в 2016 году этой же научной группой было окончательно доказано, что стимулом для активации ионного канала, образованного белками PIEZO, является непосредственно деформация билипидного слоя мембраны, а не какие-то дополнительные молекулы-посредники (R. Syeda et al., 2016. Piezo1 channels are inherently mechanosensitive).

У млекопитающих сходство аминокислотных последовательностей паралогов PIEZO1 и PIEZO2 составляет 42%. Оба белка обнаруживаются в нервных окончаниях, подходящих к чувствительным структурам в коже и мышцах (клетки Меркеля, тельца Мейснера, нервно-мышечные веретена, сухожильный орган Гольджи). Именно работой этих ионных каналов обеспечивается восприятие тактильных ощущений в коже (S. S. Ranade et al., 2015. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice), а также проприоцепция — способность ощущать положение собственных частей тела относительно друг друга, чувствовать напряжение собственных мышц (S. Woo et al., 2015. Piezo2 is the principal mechanotransduction channel for proprioception).

Схема работы механорецепторного канала, построенного из белков PIEZO, открытых Ардемом Патапутяном. Рисунок с сайта nobelprize.org

У людей особенно высокая концентрация механорецепторов обнаруживается в коже ладоней и пальцев. Скопления механорецепторов обнаруживаются в чувствительных участках кожи и у животных, которые в значительной мере полагаются на осязание при добывании пищи, — например, в отростках на носу у крота-звездоноса, на кончике клюва уток и в волосяных фолликулах у основания вибрисс кошек и мышей.

Некоторые нервные окончания могут содержать одновременно белки PIEZO и TRPV2 — такие нервные окончания несут в мозг болевые сигналы, связанные с некоторыми механическими воздействиями (например, укол иглой).

Нельзя не сказать и о том, что, начав с изучения механорецепторов в качестве «деталей» механизма сенсорного восприятия, ученые столкнулись с гораздо более широкой функциональной ролью этих белков. На этот факт указывает уже хотя бы то, что попытки получить мышей с нокаутом любого из двух белков PIEZO оказались совершенно бесполезными. Эмбрионы гибли на ранних сроках развития.

У людей известно порядка затрагивающих эти белки 25 мутаций, связанных с тяжелыми пороками развития. Белок PIEZO2 экспрессируется только в нейронах. Аномалии в этом белке приводят к нарушению развития опорно-двигательного аппарата — атрофии мышц, врожденному сколиозу и т. д. Белок PIEZO1 оказался достаточно широко экспрессируемым в разных типах клеток. Особенно высока его концентрация в легких, почках, мочевом пузыре, сердце и кровеносных сосудах. Все это полостные органы, функционирование которых подразумевает механические сжатия и растяжения. Недостаточность функционирования PIEZO1 в эмбриональном периоде приводит к невозможности нормального развития системы кровеносных сосудов. Но, в то же время, избыточность функции белков PIEZO бывает связана с гиперчувствительностью к боли и синдромами хронических болей, среди которых широко и печально известна мигрень (A. Della Pietra et al., 2020. The Emerging Role of Mechanosensitive Piezo Channels in Migraine Pain). Для любопытствующих можем порекомендовать обстоятельный обзор разнообразия функций механорецепторов PIEZO у млекопитающих (J. Wu et al., 2016. Touch, Tension, and Transduction — the Function and Regulation of Piezo Ion Channels).

Также оказалось, что белок PIEZO1 в больших количествах присутствует на адипоцитах — основных клетках жировой ткани. Как выяснилось, этот рецептор составляет важное звено в контроле созревания адипоцитов и функционирования жировой ткани, в том числе при употреблении высококалорийной диеты (S. Wang et al., 2020. Adipocyte Piezo1 mediates obesogenic adipogenesis through the FGF1/FGFR1 signaling pathway in mice).

В настоящее время исследованиями различных аспектов работы температурных, болевых и механических рецепторов, открытых группами Джулиуса и Патапутяна, занимаются сотни лабораторий по всему миру. Изучение этих белков не только позволило разобраться в деталях генерирования тех или иных сенсорных ощущений у человека, но и привело к пониманию, что те же самые рецепторы вовлечены в обеспечение нормального развития и функционирования множества тканей и органов в нашем теле. Получаемые фундаментальные знания в конечном итоге помогают в поиске оптимальных стратегий решения медицинских задач. В особенности это касается аспектов патологической боли, в том числе хронической, которая серьезно снижает качество жизни многих людей.

Татьяна Романовская

источник

Кодируемый ретроэлементом белок удалось приспособить для транспортировки РНК в клетки

Белок PEG10 произошел от ретротранспозона, но уже давным-давно «одомашнен»: он закрепился в геноме млекопитающих и даже стал выполнять разные полезные функции. При этом PEG10 сохраняет некоторые черты, указывающие на его происхождение. В частности, он формирует капсидоподобные частицы сферической формы (левое изображение получено при помощи просвечивающего электронного микроскопа и показывает поверхность такой частицы, правое изображение получено при помощи криоэлектронной микроскопии и показывает частицу «на просвет»). Во времена былой активности эти капсидоподобные частицы использовались для защиты вурисной РНК, считанной с него и служащей матрицей для перескока в другое место, от клеточных ферментов и других неблагоприятных факторов. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Большинство ферментов, которыми пользуются молекулярные биологи, были когда-то выделены из разных живых организмов. Например, ДНК-полимераза Taq, использующаяся в полимеразной цепной реакции, была позаимствована у термофильной бактерии Thermus aquatius, а многочисленные эндонуклеазы рестрикции были взяты у разных видов бактерий. В геноме человека и других млекопитающих закодирован белок PEG10, который, как показало исследование американских генетиков, может оказаться незаменимым помощником в нелегкой задаче доставки ДНК или РНК в клетки. Белок этот не совсем человеческий: он принадлежит ретротранспозону, который в глубокой древности внедрился в геном кого-то из наших далеких эволюционных предков и так в нем и осел. Ученые обратили внимание на то, что PEG10 способен образовывать капсиды и заключать в них собственную РНК. Им удалось разобраться с тем, как это происходит, и снабдить эти белковые комплексы полезной нагрузкой. Пока что это лишь демонстрация возможностей новой системы транспортировки генетического материала, — но возможности эти многообещающие.

Более 8% человеческого генома составляют остатки так называемых ретроэлементов с длинными концевыми повторами. К ретроэлементам относят участки ДНК, являющиеся ретротранспозонами или эндогенными ретровирусами, — им присуща способность перемещаться по геному. Ретротранспозоны — это мобильные фрагменты генома, в состав которых входит ген, кодирующий обратную транскриптазу — фермент, который синтезирует ДНК на матрице РНК. Когда с ретротранспозона транскрибируется РНК, то она может внутри клеточного ядра переместиться к какому-нибудь другому участку генома, а обратная транскриптаза переведет ее в форму ДНК, которая затем встроится в этот новый участок. Эндогенные ретровирусы в глубокой древности интегрировались в геном какого-то нашего далекого предка, да так в нем и остались (подробнее о них можно прочитать в статье А. Ржешевского Ретровирусы: «пятая колонна» ДНК). Ретровирусы (не только эндогенные) отличаются от ретротранспозонов тем, что их мобильная форма, РНК, упаковывается в белковые капсиды, которые могут переноситься от инфицированной клетки к другим. Попадая в новую клетку, РНК-геном ретровируса подвергается обратной транскрипции и встраивается в геном клетки-хозяина. К числу ретровирусов, в частности, относится печально известный вирус иммунодефицита человека.

В ходе эволюции многие ретротранспозоны со временем «замолкают»: их гены, кодирующие обратную транскриптазу, накопили столько мутаций, что функциональный белок не производится. Замолкание ретротранспозонов происходит на разных этапах эволюционного пути, поэтому некоторые ретротранспозоны, перешедшие к оседлой жизни, присутствуют в геномах разных видов (это почти наверняка означает, что данный ретротранспозон был у общего предка этих видов). Так, общие ретротранспозоны есть у всех млекопитающих (см. Прочтение генома опоссума доказало ключевую роль транспозонов в эволюции млекопитающих, «Элементы», 13.05.2007), более того, некоторые из них даже стали выполнять важные функции в своем новом пристанище — например, участвовать в формировании плаценты (см. Древние млекопитающие заразились плацентой, «Элементы», 15.12.2005).

Некоторые молекулярные свидетельства былой мобильной природы осевших ретротранспозонов все же сохранились. В частности, и ретровирусы, и ретротранспозоны содержат ген gag (сокращение от group-specific antigen), кодирующий так называемый коровый структурный белок. Белок gag связывает геномную РНК ретровируса (или РНК ретротранспозона), в форме которой он путешествует от одной клетки к другой (или от локации в геноме к другой, соответственно), и защищает ее от неблагоприятных воздействий и клеточных ферментов. Некоторые ретровирусы, давным-давно осевшие в геноме человека, сохранили и ген env, кодирующий белок оболочки (см. статью А. Маркова Данные сравнительной геномики проливают свет на происхождение ретровирусов). Когда-то он входил в состав вирионов ретровирусов, однако после перехода к оседлой жизни необходимость в формировании вирусных частиц отпала, и в некоторых случаях ретровирусные белки «поступили на службу» организму, в геном которого они встроились. Белок PEG10, который выполнял функции белка gag у некого древнего ретротранспозона, а также белки, синтезируемые с генов env некоторых осевших ретровирусов, как раз и стали теми важными функциональными элементами формирования плаценты. В частности, белки синцитины, необходимые для слияния клеток при образовании плаценты, произошли от белков оболочки древних ретровирусов.

Примечательно, что, несмотря на кардинально новые функции, некоторые «одомашненные» гомологи структурных белков ретроэлементов сохранили способность связывать РНК и даже по старой памяти формировать капсиды! Связывание РНК при этом весьма специфично, ведь для белков ретроэлементов важно «поймать» именно РНК своего ретротранспозона или ретровируса, а не случайную РНК из многих тысяч, присутствующих в клетке. Чем не идеальный инструмент для программируемой доставки РНК?

Именно так и решил коллектив ученых из Массачусетского технологического института и других научных организаций США под руководством Евгения Кунина и Фэна Чжана. Им удалось «приручить» уже упоминавшийся белок PEG10, который умеет связывать собственную РНК и упаковывать ее в капсиды. Исследователи смогли добиться, чтобы PEG10 связывал ту РНК, которую они захотят, а затем — чтобы в составе капсидов она доставлялась в клетки.

Идея использования вирусных частиц для доставки чего-нибудь полезного в клетки далеко не нова. Например, одним из самых перспективных векторов для генной терапии является аденоассоциированный вирус. Однако авторы обсуждаемой работы впервые смогли на основе капсидов сделать высокоспецифичный инструмент для доставки строго конкретной РНК. Как же им это удалось?

Из предыдущих исследований было известно, что в геномах млекопитающих имеется множество гомологов гена gag, причем многие из них способны к формированию капсидоподобных структур, которые выделяются из клетки в составе мембранных пузырьков — внеклеточных везикул. Авторы наработали мышиный PEG10 и некоторые другие гомологи gag, сохранившиеся в геноме мыши, в клетках кишечной палочки и показали, что они, действительно, формируют капсиды, зачастую сферические (рис. 1). Более того, оказалось, что частицы из PEG10 действительно выделяются клетками млекопитающих в составе везикул.

Ученые показали, что активация транскрипции мышиного Peg10 в культуре клеток приводит к тому, что во фракции вирусоподобных частиц, выделенных из культуральной среды, накапливается существенное количество полноразмерной мРНК Peg10. Клетки, у которых активирован Peg10, помимо множества метаболитов и разнообразных мембранных пузырьков выделяют в среду, в которой они растут, везикулы, содержащие капсиды из белка PEG10 и ряда других белков ретровирусов. Именно фракцию везикул, содержащую эти псевдовирусные частицы, и исследовали ученые. Хотя в других исследованиях ранее было показано, что в клетках трофобласта, задействованных в образовании плаценты, белок PEG10 связывает ряд мРНК, в том числе и свою, авторы новой работы показали, что именно собственная мРНК Peg10 попадает в состав капсидов и секретируется клетками наружу в форме внеклеточных везикул.

Белок PEG10 содержит два домена, которые, как предполагается, отвечают за связывание нуклеиновых кислот. Авторы исследования показали, что экспорт мРНК Peg10 зависит от наличия одного из них, и делеция этого домена приводит к существенному падению в количестве мРНК Peg10, экспортируемой клетками в составе везикул. Но какие участки в самой РНК необходимы для того, чтобы PEG10 ее связал? Ученые показали, что PEG10 связывает определенные последовательности в 5'-нетранслируемой области и в начале 3'-нетранслируемой области (точнее, первые 500 нуклеотидов 3'-нетранслируемой области) в собственной мРНК. Следовательно, если для успешного распознавания PEG10 своей мРНК-мишени ее кодирующая последовательность не играет роли, то белку можно «подсунуть» кодирующую область от любой другой РНК, окруженную нужными последовательностями с обоих концов, — он распознает ее и упакует в свои капсиды. Остается лишь экспериментально подтвердить возможность такого «обмана» PEG10.

Авторы работы разработали довольно замысловатую систему, позволяющую понять, может ли произвольная РНК, содержащая 5'-нетранслируемую область и начальный участок 3'-нетранслируемой области мРНК Peg10, быть связана белком PEG10, упакована в капсиды и секретирована в составе везикул, которые доставят ее в клетки-реципиенты. Они воспользовались системой Cre-loxP, состоящей из рекомбиназы Cre, которая узнает и вырезает участок ДНК, на концах которого располагаются специальные последовательности, обозначаемые как loxP. Ученые поместили последовательность, кодирующую рекомбиназу Cre, между необходимыми последовательностями нетранслируемых областей гена, кодирующего PEG10, в составе вектора — кольцевой плазмиды. Полученная генетическая конструкция была введена в клетки совместно с вектором, кодирующим белок оболочки вируса везикулярного стоматита, и вектором, кодирующим PEG10 (рис. 2). Белок вируса везикулярного стоматита выступал в роли фузогена, то есть агента, запускающего перестройки клеточной мембраны и отпочковывание везикул от нее. В результате в клетках, получивших все три вектора, образовывались внеклеточные везикулы, содержащие капсиды из белка PEG10, в которых находилась мРНК с нетранслируемыми областями от мРНК Peg10, между которыми была заключена область, кодирующая рекомбиназу Cre.

Схема работы системы SEND. В клетки вводятся три вектора, кодирующие белок-фузоген, PEG10 и РНК-груз, причем в составе груза кодирующая последовательность, соответствующая РНК, которую требуется перенести, окружена элементами, необходимыми для ее распознавания белком PEG10: 5'-нетранслируемой областью и начальным участком 3'-нетраслируемой области Peg10. В клетках с вектора синтезируется PEG10, он распознает свою РНК-мишень, упаковывает ее в капсид, который благодаря фузогену далее попадает в мембранные пузырьки — везикулы. Если эти везикулы добавить к другим клеткам, то после слияния везикул с мембраной клетки-реципиенты получат РНК-мишень в целости и сохранности. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Когда полученные везикулы были добавлены к клеткам, экспрессирующим зеленый флуоресцентный белок (GFP), ген которого был заключен между сайтами loxP, то после слияния везикул с клетками-реципиентами в цитоплазме последних начиналась трансляция привнесенных вместе с везикулами мРНК, кодирующих рекомбиназу Cre. Рекомбиназа Cre узнавала ген, кодирующий GFP, за счет сайтов loxP, вырезала его, синтез GFP прекращался, и флуоресценция в клетках исчезала. Таким образом, исчезновение зеленой флуоресценции в описанной системе служит сигналом успешного переноса РНК в капсиде из PEG10 от одних клеток к другим (рис. 3). Описанная система получила название SEND (Selective Endogenous Encapsidation for Cellular Delivery). Схожие результаты были получены и с человеческим белком PEG10. Для успешного распознавания РНК ему, как и мышиному PEG10, достаточно наличия в ней последовательности 5'-нетранслируемой области и первых 500 нуклеотидов 3'-нетранслируемой области собственной мРНК Peg10.

Подтверждение работы системы SEND с помощью Cre-LoxP. Если клетки-реципиенты, в которых работает зеленый флуоресцентный белок, успешно получают РНК, кодирующую рекомбиназу Cre, с помощью системы SEND, то в них происходит наработка белка Cre. Cre вырезает ген, кодирующий GFP, так как он был окружен сайтами LoxP, в результате чего зеленая флуоресценция пропадает. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

В описанной версии системы SEND есть один важный недостаток: в качестве фузогена в ней используется экзогенный белок — белок оболочки вируса везикулярного стоматита. А можно ли создать полностью эндогенную систему для доставки РНК, все компоненты которой были бы закодированы в собственном геноме клетки? Оказалось, что в качестве фузогена можно без потери эффективности использовать мышиный синтицин A — еще один белок, происходящий от «одомашненного» гена ретроэлемента, но не gag, как в случае с PEG10, а env. Таким образом, SEND можно сделать полностью эндогенной системой для доставки РНК.

В заключение стоит добавить, что белок PEG10 помимо описанных выше процессов участвует и в развитии нервной системы, причем, похоже, PEG10 в этом случае играет роль стабилизатора для РНК: как показали авторы работы, в развивающихся нейронах коры PEG10 может связывать и стабилизировать около полусотни РНК, включая свою собственную. Но ведь в созревающих нейронах также может экспрессироваться синтицин A, и теоретически они даже могут обмениваться друг с другом транскриптами посредством везикул, в которых находятся капсиды из PEG10 в комплексе с РНК. Так это или нет, пока остается неизвестным. Если нейроны действительно обмениваются РНК в составе псевдовирусных частиц в ходе созревания, то это свидетельствует о существовании принципиально нового уровня регуляции формирования нервной системы — регуляции за счет «общения» молодых нейронов с помощью РНК.

Источник: Michael Segel, Blake Lash, Jingwei Song, Alim Ladha, Catherine C. Liu, Xin Jin, Sergei L. Mekhedov, Rhiannon K. Macrae, Eugene V. Koonin, Feng Zhang. Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery // Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abg6155.

Елизавета Минина

источник

На острове Уайт нашли остатки сразу двух крупных спинозаврид

Цератозухопс (Ceratosuchops inferodios, слева) и рипаровенатор (Riparovenator milnerae, справа). Рисунок из блога Даррена Нэйша (Darren Naish), соавтора обсуждаемой статьи

Палеонтологические изыскания на острове Уайт, находящемся в проливе Ла-Манш всего в нескольких километрах от побережья Англии, ведутся с конца XIX века. За это время там было найдено немало представителей меловой фауны — разнообразных динозавров, птерозавров, черепах и рыб. Но как показывает статья в последнем выпуске журнала Scientific Reports, запас удивительных находок там еще не исчерпан: ученые нашли сразу двух крупных (длиной около 8 метров) динозавров из семейства спинозаврид, живших в раннем меловом периоде. Новые виды получили названия цератозухопс (Ceratosuchops inferodios) и рипаровенатор (Riparovenator milnerae). Находка позволила уточнить эволюционную историю спинозаврид: авторы статьи считают, что это чрезвычайно успешное семейство теропод, за время своего существования с конца юры по конец мела распространившееся чуть ли не по всему свету, появилось именно в Европе.

В меловых отложениях английского острова Уайт (формация Уэссекс, см. Wessex Formation) нашли остатки сразу двух крупных хищных динозавров из семейства спинозаврид, в которое также входят, например, барионикс и знаменитый спинозавр. Новых динозавров назвали цератозухопс (Ceratosuchops inferodios), что можно перевести как «адская цапля с рогатой крокодильей мордой», и рипаровенатор (Riparovenator milnerae) — «речной охотник Милнер», в честь английского палеонтолога Анжелы Милнер (Angela Milner), которая была соавтором описания барионикса (Baryonyx walkeri). Оба динозавра были крупными хищниками длиной под 8 метров, жившими в начале мелового периода (барремский век, примерно 125–130 млн лет назад).

Великобританию вполне можно считать «родиной» исследований динозавров: самые первые описания динозавров были составлены именно там (первый описанный род не птичьих динозавров, Megalosaurus, получил название в 1824 году), да и сам термин «динозавр» придумал английский ученый Ричард Оуэн. Но долгое время находки динозавров там были довольно фрагментарными. Поэтому, когда в конце XIX века в США начали один за другим находить крупные почти полные скелеты, «динозавровая лихорадка» переместилась за океан. По сути, крупнейшей британской находкой за весь XX век стал хищник барионикс, найденный в той же формации Уэссекс и описанный в 1986 году. «Крупнейшей» — не потому что он был особенно большим (хотя по некоторым оценкам барионикс достигал длины 10 м и весил больше полутора тонн), а потому, что барионикс представлял собой новый тип крупного хищника.

Если очень упростить, то все крупные хищные динозавры похожи друг на друга: они двуногие, с большой головой, мощной пастью и небольшими передними лапами. Хороший пример — знаменитый тираннозавр. Барионикс тоже двуногий и большеголовый, но выглядит он непривычно: у него вытянутая «крокодилья» пасть со смещенными кверху ноздрями и длинные передние лапы, на которых особенно выделяются огромные 24-сантиметровые когти. Поначалу возникло предположение, что барионикс был специализированным падальщиком: гигантскими когтями он мог разрывать мертвые туши, а ноздри были смещены назад, потому что он глубоко засовывал морду внутрь. Но в 1997 году вышла монография (соавтором которой была вышеупомянутая Анджела Милнер) с подробным описанием остатков барионикса, где в том числе было сказано, что в области желудка барионикса найдена чешуя лучеперой рыбы Scheenstia mantelli. Так что барионикс оказался первым достоверно рыбоядным хищным динозавром.

Барионикс сыграл и еще одну важную роль в палеонтологии: он помог ученым понять, как выглядел спинозавр. Внешний вид спинозавра оставался загадкой с начала XX века, но найденный скелет барионикса оказался очень похож на описанные остатки спинозавра. Поэтому до самого 2014 года спинозавра стали изображать как увеличенного барионикса с гребнем на спине. Правда, потом оказалось, что такое представление было ошибочным: в 2014 году новые находки в Марокко заставили снова пересмотреть облик спинозавра. Об этом подробно рассказано в новости Гигантский динозавр Spinosaurus aegyptiacus оказался водоплавающим («Элементы», 06.05.2020).

Итак, описанный в 1986 году барионикс стал сенсацией, но с тех пор громких новостей из Великобритании не поступало. Не то чтобы с тех пор там вообще больше никого не находили. За это время по британским находкам описано около 20 родов, но о них мало кто знает, кроме специалистов. Редкий энтузиаст вспомнит названия вектаэровенатора (Vectaerovenator) или круксихейроса (Cruxicheiros).

Реконструкция черепов цератозухопса и рипаровенатора. Белым показаны найденные остатки, серым — реконструкция остальной части черепа. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Теперь же нашли сразу двух крупных хищников. В первую очередь возник вопрос: а действительно ли это новые динозавры? Может, это просто новые экземпляры все того же барионикса? Но ученым повезло. Хотя найдено довольно мало остатков (кончик верхней челюсти, несколько кусков черепной коробки, а у рипаровенатора — еще и хвостовые позвонки), они зато практически аналогичные у обоих животных, что позволило сравнить их друг с другом:

Сравнение найденных остатков цератозухопса и рипаровенатора. Рисунок из блога Андреа Кау (Andrea Cau), одного из авторов обсуждаемой статьи

Если бы, скажем, от одного животного нашли только кости черепа, а от другого — позвонки, то показать, что они относились к разным родам, было бы гораздо сложнее. В данном же случае аналогичные кости удалось сравнить непосредственно. Как пишет у себя в блоге один из авторов исследования, Даррен Нэйш (Darren Naish), решение о выделении сразу двух новых родов далось авторам нелегко, но все же различий набралось достаточно, чтобы сделать это.

Эндокраны цератозухопса (слева) и рипаровенатора (справа). Бросается в глаза разное направление парокципитальных отростков (pp) и форма базисфеноидов (bs). Длина масштабных отрезков — 5 см. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Оба динозавра примерно одного размера и возраста, так что маловероятно, что отличия связаны с разными стадиями роста.

Получается, что примерно в одно и то же время в одном и том же месте жили сразу три крупных хищника — барионикс, цератозухопс и рипаровенатор. Звучит неправдоподобно, но во-первых, есть и другие примеры подобной симпатрии: например, в конце юрского периода в формации Моррисон в США одновременно жили аллозавр, цератозавр и торвозавр, а в позднемеловой монгольской формации Нэмэгэту одновременно жили тарбозавр и алиорам. А во-вторых, авторы статьи не утверждают, что все три динозавра жили в точности в одно и то же время. Все они жили в барремском веке, который длился примерно 4 миллиона лет, так что возможно, что какие-то из родов существовали чуть раньше других.

Несмотря на, казалось бы, небольшое количество ископаемого материала, новые динозавры позволяют сделать сразу несколько выводов.

Ученым удалось обновить и уточнить классификацию семейства спинозаврид. К примеру, они подтвердили, что семейство состояло из двух подсемейств — барионихин (Baryonychinae) и спинозаврин (Spinosaurinae). Также прояснилось происхождение всего семейства спинозаврид. Получилось, что спинозавриды изначально появились в Европе, а не в южном полушарии, как считалось ранее. И уже из Европы расселились в Африку и Азию.

Обновленная классификация спинозаврид, наложенная на временную шкалу. Видно, что более древние представители этого семейства найдены в Европе. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Наконец, отметим, что формация Уэссекс — одна из самых изученных в мире. Раскопки там ведутся еще с XIX века, и за это время были найдены такие динозавры как гипсилофодон и полакант, а также многочисленные птерозавры, черепахи, рыбы и другие ископаемые. Но находка цератозухопса и рипаровенатора показывает, что даже в самом, казалось бы, изученном месте может оставаться простор для новых открытий.

Источник: Chris T. Barker, David W. E. Hone, Darren Naish, Andrea Cau, Jeremy A. F. Lockwood, Brian Foster, Claire E. Clarkin, Philipp Schneider & Neil J. Gostling. New spinosaurids from the Wessex Formation (Early Cretaceous, UK) and the European origins of Spinosauridae // Nature. 2021. DOI: 10.1038/s41598-021-97870-8.

Константин Рыбаков

источник

Спящую муху будит запах любимой пищи

Группы животных, у которых обнаружен сон. Спят и книдарии, у которых вообще нет центральной нервной системы (ЦНС), и все остальные животные с ЦНС. Это означает, что сон был и у их общего предка. Следовательно, эволюция сна насчитывает не менее 600 млн лет. Признаки глубокого и неглубокого сна отмечены не только у хордовых, но и у мух. Однако, в полной мере фазы сна сформировались только у хордовых. Рисунок из статьи R. C. Anafi et al., 2019. Exploring phylogeny to find the function of sleep

Интересное исследование сна представила международная группа нейробиологов. Ученые показали, что чуткость сна у дрозофил следует тем же закономерностям, что и у млекопитающих: она максимальна в конце ночного цикла и заметно понижена в его начале и во время дневного сна. Также оказалось, что мухи реагируют на седативные средства (такие как алкоголь) схожим с млекопитающими образом. Но важнее то, что разбудить муху могут не все стимулы, а только некоторые, — в частности, неприятные для мухи запахи или же, напротив, очень привлекательные. Было установлено, что сила стимуляции может трансформироваться в нервных центрах спящей мухи. Так, голодные мухи быстрее просыпаются при подаче запаха пищи. Это означает, что, как и у млекопитающих, во сне нервные центры мухи не просто тормозят поступающую информацию, но модулируют ее в зависимости от внутреннего состояния организма. В этой модуляции участвуют особые нейроны, регулирующие сигналы от обонятельных рецепторов.

Все многоклеточные животные спят. Чтобы отличить сон от бодрствования (не у всех имеются такие явные указатели на эту часть жизни, как подушка и одеяло), ученые используют несколько критериев: специфическая поза, снижение интенсивности и разнообразия движений, заторможенные реакции на внешние раздражители. Согласно этим критериям, даже гидры и медузы — сравнительно просто устроенные животные с диффузной нервной системой — спят по несколько часов в день (H. J. Kanaya et al., 2020. A sleep-like state in Hydra unravels conserved sleep mechanisms during the evolutionary development of the central nervous system).

Особенно важен последний из указанных критериев — заторможенность реакций на внешние раздражители, — так как он предполагает, что животное на какое-то время становится практически беззащитным. Но все же животные должны воспринимать какие-то стимулы даже во сне. Ясно, что это будут или какие-то сильные раздражители (громкий звук, очень яркий свет и т. д.), или чрезвычайно важные для животного стимулы. Для людей такие стимулы более или менее известны: мы быстро просыпаемся, если нас зовут по имени, — имя является важнейшим стимулом для человека. Также родители быстро просыпаются на плач ребенка — это один из главнейших стимулов для них в первые годы жизни малыша (постепенно значимость этого раздражителя слабеет). Для некоторых других млекопитающих тоже есть кое-какая информация на этот счет. Так, собаки, кошки и крысы просыпаются, если во время сна им подать специальный сигнал, связанный с выработанным положительным пищевым подкреплением или же с отрицательным болевым подкреплением (например, с ударом током).

В отношении остальных животных нет ясности, просыпаются ли они при наличии важных для них стимулов или нет. Если смотреть на суть этого вопроса, то она будет в целом следующей: в состоянии ли мозг спящего животного — будь то муха или слон — анализировать поступающую информацию? Для ответа на этот вопрос практически не было исследований. И вот пионерская работа об этом появилась на страницах журнала Nature. Ее авторы поставили эксперименты на дрозофилах, фиксируя на видео, как спящие мухи, помещенные в прозрачные пластиковые контейнеры, реагируют на различную стимуляцию.

Сами опыты выглядят сравнительно просто: в контейнер к спящей мухе пускали тот или иной запах и смотрели, разбудит он ее или нет. Таким нехитрым образом удалось набрать достаточную статистику. Было проверено 22 запаха — как пищевых, так и не связанных с пищей, как привлекательных, так и не привлекательных для мух. Выяснилось, что неприятные запахи чаще будили муху, чем приятные, а пищевые запахи будили муху вернее, чем не связанные с пищей. С чем связана такая избирательность, пока рано судить.

Затем ученые установили, что у мух, как и у млекопитающих, чуткость сна зависит от времени суток и стадии сна. Самый глубокий сон, когда муху мало что может разбудить, приходится на начало сна в первой половине ночи и на дневной сон. Во вторую половину ночи мухи больше реагируют на стимулы.

Чуткость сна мух при действии стимула — приятного для них запаха 5-процентного уксуса. По вертикальной оси — вероятность пробуждения, по горизонтальной оси — время, привязанное к циркадному ритму (ZT — Zeitgeber time). Самый крепкий сон — дневной (siesta), но запах 5-процентной уксусной кислоты может прервать и его (правда, это наблюдалось менее чем в половине испытаний). Самый некрепкий — в конце биологической ночи: видно, что запах уксуса с очень большой вероятностью разбудит муху. На левом графике показано усреднение за полчаса, на правом — усреднение за три часа с наиболее частыми периодами сна у мух для разных концентраций уксусной кислоты (концентрации 10% и 30% для мух неприятны). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Вторая черта сходства сна мух и млекопитающих — действие седативных средств и их способность снижать чуткость сна. Для человека, как хорошо известно, таким средством является алкоголь. Пьяный быстро засыпает и его трудно разбудить, пока он не протрезвеет. Что же касается мух, то пить алкоголь им, конечно, не давали, а вместо этого предоставляли возможность нюхать его пары в течение часа. Этого вполне достаточно, чтобы муха опьянела. В этом состоянии мухи беспорядочно летают, бьются о стенки своего контейнера и быстро засыпают. Как выяснилось, пьяную муху, как и человека, разбудить гораздо труднее, чем трезвую.

Примерно также действует и депривация сна. Если мухе сутки не давать спать, то она потом засыпает крепче обычного и спит дольше — то есть «отсыпается». Здесь тоже усматривается параллель с млекопитающими.

Далее ученые приступили к более важному вопросу: как влияет внутреннее состояние мухи на чуткость сна и реакцию на стимулы. В экспериментах сравнили вероятность пробуждения голодных и накормленных мух при стимуляции запахом слабой уксусной кислоты — привлекательного для них пищевого индикатора. Как выяснилось, запах уксуса скорее разбудит голодную муху, чем накормленную. То же относится, кстати, и к остальным запахам, на которые реагировали спящие мухи.

Сравнение действия стимулов на голодных и накормленных спящих мух. Слева — непищевые стимулы, справа — пищевые (желтые линии соответствуют привлекательным запахам, черные — отталкивающим); пунктиром отмечены не значимые различия. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Это означает, что в мозге у мухи (точнее, в ее головных нервных ганглиях) интенсивность стимуляции модулируется ее внутренним состоянием. Иными словами, стимул каким-то образом становится для нее более значимым и потому более «побудительным». Входящий сигнал так или иначе трансформируется в нервных центрах, акцентируя ставшую важной информацию, например, о потребности в пище.

Здесь важно подчеркнуть, что не все запахи становятся более сильным стимулом для пробуждения у голодных мух по сравнению с сытыми, а только некоторые. Поэтому ученые рассудили, что версию о повышении общей запаховой чувствительности у голодных мух можно смело отбросить, а вместо этого нужно сосредоточиться на механизмах модуляции внешнего сигнала.

С помощью инактивации различных нейронов удалось найти те, которые усиливают сигнал от обонятельных рецепторов, поступающий в зону регуляции сна в нервных центрах мухи. Один из этих нейронов (он получил название MB011B), несущий информацию из грибовидных тел, тормозит запаховый сигнал; но если его инактивировать тем или иным способом, то запаховая информация поступит в центр сна и разбудит муху. Следовательно, в модуляции запаховых сигналов принимают участие нейроны, задача которых затормозить действие данный нейрон. Еще один путь модуляции затрагивает сами рецепторы: у голодных мух рецепторы, реагирующие на более концентрированный уксус, неприятный для мух, начинают работать вместе с рецепторами на 5-процентный уксус. Таким образом, пищевой сигнал усиливается.

Авторы работы подчеркивают, что эта модель регуляции сигналов очень проста. Однако учитывая сходство реакций спящих мух и спящих млекопитающих, она может с известными оговорками применяться для изучения базовых свойств сна у всех животных. Напомню, что у мух даже выявлены аналоги фаз быстрого и медленного сна. У мух фаза быстрого сна, которая у млекопитающих сопровождается быстрым движением глаз, выделяется по быстрому вытягиванию и втягиванию хоботка (B. van Alfen et al., 2021. A deep sleep stage in Drosophila with a functional role in waste clearance. Правда, пока не понятны содержательные границы этого сопоставления. Так или иначе, здесь важно, что на мухах можно расшифровать какие-то основополагающие нейронные схемы и их генетику, срабатывающие во время сна. Стоит все же заметить, что сон у мух хоть и имеет некоторое сходство со сном млекопитающих, но отличается от него кардинальным образом: мухи могут не спать всю жизнь без ущерба для ее продолжительности — по крайней мере, в экспериментах (Q. Geissmann et al., 2019. Most sleep does not serve a vital function: Evidence from Drosophila melanogaster). Млекопитающие при депривации сна долго не протянут.

Источник: Alice S. French, Quentin Geissmann, Esteban J. Beckwith & Giorgio F. Gilestro. Sensory processing during sleep in Drosophila melanogaster // Nature. 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03954-w.

Елена Наймарк

источник

Ипупиара восстала из пепла Национального музея Бразилии

Пара ипупиар (Ypupiara lopai) ловит рыбу и амфибий на мелководье. На заднем плане бродит одинокий титанозаврид. Рисунок © Guilherme Gehr из обсуждаемой статьи в Papers in Palaeontology

К сожалению, утрата бесценных палеонтологических образцов — дело не такое уж редкое: окаменевшие кости, чешуя и даже панцири весьма хрупки, поэтому легко разрушаются при неосторожном обращении или в неблагоприятных условиях. Например, полые изнутри позвонки гигантского зауропода мараапунизавра разрушились вскоре после его первоописания, а позвоночник хищного спинозавра, увенчанный внушительным гребнем, был полностью уничтожен в 1944 году во время бомбежки Мюнхена, разрушившей часть музея. Жившая в конце мелового периода ипупиара (Ypupiara lopai) вполне вписывается в эту компанию «несчастливчиков»: пожар поглотил ее остатки — два небольших фрагмента челюстных костей — даже раньше, чем статья с описанием этого вида вообще вышла в свет. Хотя в каком-то смысле ей, конечно, повезло: ученые начали изучать ипупиару незадолго до трагедии, уничтожившей почти всю коллекцию Национального музея Бразилии, поэтому успели сфотографировать и детально исследовать кости. Ипупиара стала первым бразильским дромеозавридом — ранее остатки южноамериканских представителей этого широко распространенного семейства позднемеловых оперенных динозавров находили только в Аргентине и Колумбии.

История ипупиары (Ypupiara lopai) началась где-то между 1940 и 1960 годами: именно тогда Альберто Лопа (Alberto Lopa), верный помощник Ллуэллина Айвора Прайса (Llewellyn Ivor Price), одного из первых бразильских палеонтологов, обнаружил две маленькие челюстные косточки, усеянные острыми зубами. Прайс описал их как принадлежащие неопределенному позвоночному, после чего единственные известные на сегодняшний момент окаменелости нового вида динозавров пролежали в хранилище Национального музея Бразилии почти восемьдесят лет, не привлекая ничьего внимания.

Ситуация изменилась в 2018 году: 2 сентября во дворце Сан-Кристован в Рио-де-Жанейро — основном здании музея — возник сильный пожар. Люди при этом не пострадали (это было воскресенье, к тому же пожар начался после закрытия здания), но огонь нанес большой урон: из без малого 20 миллионов бесценных экспонатов примерно 90% было бесследно уничтожено. Предполагается, что возгорание произошло из-за короткого замыкания в перегревшемся кондиционере. Список жертв пожара потрясает: тут и помпейская фреска, пережившая извержение Везувия, и архив Курта Нимуендажу, крупнейшего специалиста по религии и космологии некоторых племен южноамериканских индейцев, и реликвии из личной коллекции Педру II, последнего правителя Бразильской империи. К сожалению, многие бесценные записи, карты и фотографии, посвященные этнографическому наследию Бразилии, не выжили в огне, а обрушившаяся крыша и резкий перепад температур после начала тушения пожара непоправимо повредили то, что не успел уничтожить огонь.

Пожар в Национальном музее Бразилии; на переднем плане — статуя Педру II. Фото © Felipe Milanez с сайта en.wikipedia.com

Косточки ипупиары оказались в числе жертв пожара, и, если бы бразильские палеонтологи не взялись за их изучение заранее, этот динозавр так никогда бы и не «вышел в свет». К счастью, на момент пожара образцы ипупиары уже были изучены, а результаты работы — представлены на 78-й ежегодной встрече Общества палеонтологии позвоночных (Society of Vertebrate Paleontology), так что огонь только лишил возможности других палеонтологов вживую ознакомиться с материалом, представленным в обсуждаемой статье, — теперь от ипупиары есть только фотографии ее костей. Кстати, некоторое время назад, согласно правилам Международного кодекса зоологической номенклатуры, описание вида по утерянным образцам считалось недопустимым. Однако сейчас это позволяется, если образцы были собраны надлежащим образом, каталогизированы, хранились в музейной коллекции, а утрачены были при известных обстоятельствах. И описания по утерянным образцам уже были (например, — динозавр нопчаспондил (Nopscaspondylus), от которого сейчас остался лишь рисунок позвонка).

Но в конце концов этот изящный бразильский динозаврик, от которого на нынешний момент не сохранилось ни одной косточки, все же стал известен миру под именем Ypupiara lopai. Его родовое имя в переводе с языка бразильских индейцев тупи означает «тот, кто живет в воде» и обозначает одно из существ их мифологии, тогда как видовое имя является отсылкой к Альберто Лопа, который обнаружил остатки животного.

Уничтоженные остатки животного представляли собой два обломка челюстей: фрагмент правой верхней челюсти (с тремя сохранившимися зубами) и небольшой кусочек правой нижней челюсти. Оба образца были найдены на юго-востоке Бразилии, в муниципалитете Убераба. В этих местах на поверхность выходят слои формации Марилия (Marília Formation), сформировавшиеся в маастрихтском ярусе позднего мелового периода. Поскольку оба фрагмента челюстей были найдены рядом и датированы одним возрастом, ученые описали их как принадлежащие одному животному, предположительно, относящемуся к подсемейству уненлагиин (Unenlagiinae). Это подсемейство авторы обсуждаемой статьи, в которой описана ипупиара, считают подтаксоном широко известного семейства дромеозаврид — плотоядных оперенных динозавров мелового периода, отличавшихся увеличенными когтями на задних лапах и приходящихся близкой родней птицам.

Расположение двух найденных образцов в черепе ипупиары и ее предположительный размер в сравнении с современной домашней кошкой. Реконструкция ипупиары основана на строении других уненлагиин, — например, буитрераптора, известного по частичному скелету. Рисунок из обсуждаемой статьи в Papers in Palaeontology

О принадлежности ипупиары к уненлагиинам говорят некоторые особенности строения зубов и челюстей (например, относительно мелкие альвеолы с широко расставленными зубами и отсутствие мезиальных и дистальных килей на зубах верхней челюсти). Наиболее близким родственником ипупиары, согласно проведенному анализу, был австрораптор — другой представитель уненлагиин, живший в позднемеловой Аргентине, достигавший в длину 6 метров и питавшийся в основном рыбой. Сопоставив размеры челюстей австрораптора с челюстями ипупиары, ученые смогли заключить, что при жизни ипупиара была вдвое меньше своего родственника — около 3 метров в длину, а ростом она приходилась примерно по бедро взрослого человека.

Эволюционное древо манирапторов (птиц и их ближайших родственников среди динозавров), показывающее филогенетическое положение ипупиары (вверху). Ипупиара на этом дереве занимает место среди уненлагииний (Unenlagiinae). Эту группу предлагают выделить авторы обсуждаемой статьи путем объединения двух подсемейств дромеозаврид — уненлагиин и хальшкарапторин (Halszkaraptorinae). Внизу показано местоположение находок уненлагиин на картах Земли с сеномана по коньяк (внизу слева) и с кампана по маастрихт (внизу справа). Местонахождение ипупиары выделено красным. Рисунок из обсуждаемой статьи в Papers in Palaeontology

Несмотря на разницу в размерах, ипупиара, вероятно, питалась так же, как австрораптор: рядом с обломком верхней челюсти животного были найдены рыбьи кости, а строение ее зубов — широко расставленных и гладких, без зазубрин — напоминает зубы спинозаврид — других известных любителей рыбных блюд, полностью вымерших за двадцать миллионов лет до ее появления. Ко всему прочему, кости животного были обнаружены в весьма подходящем для питания рыбой месте: в маастрихте формация Марилия представляла собой обширную речную пойму, сформированную множеством мелких, густо разветвленных речек. В таких водно-болотных угодьях у ипупиары (как, например, и у нынешних цапель), была масса возможностей поохотиться на рыбу и других мелких животных (ящериц, амфибий и млекопитающих).

К сожалению, отсутствие большей части скелета ипупиары не дает ученым делать более конкретные выводы о ее облике и образе жизни. Но одна зацепка имеется. Дело в том, что примерно в то же время, когда был обнаружен голотип ипупиары, и в том же месте была найдена плюсневая кость, явно принадлежащая дромеозавриду. Этот экземпляр, получивший неофициальное название «Lopasaurus» (то есть «ящер (Альберто) Лопы»), был утерян через некоторое время после смерти Прайса в 1980 году. Возможно, плюсна принадлежала ипупиаре, но сейчас это невозможно определить: слишком уж далеко она находится от челюсти в скелете, чтобы можно было делать какие-то выводы о принадлежности этих костей одному виду (и, тем более, одной особи). Ученым мог бы помочь достаточно полный скелет близкородственного вида (сравнивая соответствующие кости можно было бы что-то понять про ипупиару), но и его пока нет. Если каким-то образом удастся доказать, что косточка действительно относится к скелету ипупиары, то это подтвердит принадлежность ипупиары к уненлагиинам (об этом говорит строение дистального конца плюсневой кости).

Незаконченная зарисовка голотипа «лопазавра», выполненная Л. А. Прайсом: А — вид спереди, B — вид сзади. Название этого вида является неофициальным, поскольку его научное описание так и не было опубликовано. Условные обозначения: deIII — дистальное расширение III плюсневой кости; mt II–IV — плюсневые кости II– IV; pexII — заднемедиальное расширение II плюсневой кости; pexIV — заднебоковое расширение IV плюсневой кости. Длина масштабного отрезка — 50 мм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Papers in Palaeontology

Ипупиара стала первым описанным дромеозавридом, обнаруженным на территории Бразилии (ранее южноамериканских уненлагиин находили только в Аргентине). А вся работа по ее исследованию является красноречивым доказательством того, что научная жизнь Национального музея Бразилии продолжается даже после утери многих экспонатов. Остается надеяться, что так или иначе его коллекцию получится восстановить хотя бы частично.

Источник: A. S. Brum, R. V. Pêgas, K. L. Bandeira, L. G. Souza, D. A. Campos, A. W. Kellner. A new unenlagiine (Theropoda, Dromaeosauridae) from the Upper Cretaceous of Brazil // Papers in Palaeontology. 2021. DOI: 10.1002/spp2.1375.

Анна Новиковская

источник

Палеопротеомика связала экспансию степняков в раннем бронзовом веке с развитием животноводства

Происхождение образцов зубного камня с сохранившимися древними белками. a — энеолит (4600–3300 годы до н. э.), b — ранний бронзовый век (3300–2500 годы до н. э.), c — средний и поздний бронзовый век (2500–1700 годы до н. э.). Овечки и лошадки обозначают присутствие образцов с молочными белками, соответственно, жвачных (овец, коров, коз) и лошадей. Светло-серая овечка соответствует единственному энеолитическому образцу, в котором нашлись остатки коровьего α-S1-казеина, но нет других молочных белков, которые сохраняются лучше, чем казеин, так что факт употребления этим индивидом коровьего молока нельзя считать доказанным. Для каждого местонахождения указано число индивидов с молочными белками в зубном камне и общее количество образцов с сохранившимися древними белками. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Многие факты свидетельствуют в пользу того, что в раннем бронзовом веке (примерно 3300–2500 годы до н. э.) причерноморско-каспийские степняки, родственные создателям так называемой ямной культуры, расселились на огромных территориях от Западной Европы до Алтая и Монголии, распространив повсюду свои гены и культурное наследие. Эта гипотеза согласуется с данными археологии и палеогенетики, а теперь свой вклад начала вносить палеопротеомика. Изучение остатков белковых молекул в зубном камне древних степняков показало, что в раннем бронзовом веке в их рацион прочно вошло молоко домашних животных: овец, коров, коз и лошадей. Не исключено, что такое обогащение рациона способствовало экспансии степняков наряду с развитым коневодством и использованием колесных фургонов на конной тяге.

«Элементы» уже рассказывали о том, как палеогенетические данные подкрепили догадки историков о масштабной экспансии причерноморско-каспийских степняков, близких к создателям ямной культуры, в Западную Европу и Центральную Азию в III тысячелетии до н. э. (см.: Палеогенетика подтвердила важный вклад причерноморско-каспийских степняков в формирование генофонда европейцев, «Элементы», 14.06.2015). Многие специалисты связывают эту экспансию с распространением индоевропейских языков — идея правдоподобная, хотя и труднодоказуемая.

Одной из главных причин степной экспансии предположительно было широкое использование ямниками колесных повозок на конной тяге. Это должно было резко повысить мобильность степных популяций. Остатки повозок и упряжи, а также лошадиные кости встречаются в захоронениях ямников. Однако наличие у ямников именно домашних лошадей пока не считается строго доказанным. Теоретически кости могли принадлежать и диким лошадям, добытым на охоте, а в повозки могли запрягать, скажем, быков.

Свою роль в усилении степной цивилизации предположительно сыграло также обогащение рациона за счет роста потребления молочных продуктов. Это тоже, как и колесный транспорт, указывает на более эффективное и разностороннее использование домашних животных (см.: Secondary products revolution).

Об употреблении в пищу молока можно судить по остаткам липидов на керамике (S. Mileto et al., 2018. Differing modes of animal exploitation in North-Pontic Eneolithic and Bronze Age Societies). Еще один многообещающий подход связан с анализом фрагментов белковых молекул, сохраняющихся в зубном камне — так называемая палеопротеомика (см. Paleoproteomics). Именно этот подход использован в статье международного коллектива историков, археологов, антропологов и молекулярных биологов, опубликованной недавно в журнале Nature.

Изученный материал происходит из археологических коллекций Самарского государственного социально-педагогического университета и Института экологии растений и животных в Екатеринбурге. Протеомный анализ проводился в Институте истории человечества в Йене (Max Planck Institute for the Science of Human History). Авторы изучили образцы зубного камня обитателей причерноморско-каспийских степей, живших в три последовательные эпохи. Самые древние образцы относятся к энеолиту (4600–3300 годы до н. э.), вторая по древности выборка соответствует раннему бронзовому веку (3300–2500 годы до н. э.), третья — среднему и отчасти позднему бронзовому веку (2500–1700 годы до н. э.). Большинство (87%) изученных образцов оказались пригодными для палеопротеомного анализа: в них обнаружились остатки древних белков, характерных для человеческой ротовой полости.

Основные результаты суммированы на рис. 1.

В энеолитических образцах (4600–3300 годы до н. э., рис. 1, а) молочные белки отсутствуют. Лишь в одном образце из Хвалынска обнаружены два пептида, идентичные фрагментам коровьего белка молочной сыворотки — α-S1-казеина (серая овечка на рис. 1, а). Авторы, однако, не считают это строгим доказательством того, что молочные продукты действительно входили в рацион данного индивида. Дело в том, что в образце отсутствуют другие молочные белки, включая β-лактоглобулин, который обычно сохраняется лучше, чем казеин. Не исключено, что этот казеин — просто-напросто результат современного загрязнения. Проверить это трудно. Древние белки в принципе можно отличить от современных по степени дезамидирования, но два казеиновых пептида из зубного камня энеолитического хвалынца содержат лишь один аминокислотный остаток, который в принципе может быть дезамидирован.

В дополнение к индивидам из Поволжья (рис. 1, а) авторы изучили два энеолитических образца из местонахождения Ботай в северном Казахстане (см. Ботайская культура). В этом местонахождении найдено много лошадиных костей, а анализ липидов в древней керамике вроде бы показал, что ботайцы доили кобыл уже 5500 лет назад. Правда, палеогенетики недавно выяснили, что ботайские кони генетически ближе к лошади Пржевальского, чем к современным домашним лошадям, и не являются предками последних. По-видимому, это была отдельная, очень ранняя попытка одомашнивания дикой лошади. Есть даже мнение (с которым согласны не все специалисты), что современные лошади Пржевальского — это одичавшие потомки лошадей, некогда прирученных ботайцами (C. Gaunitz et al., 2018. Ancient genomes revisit the ancestry of domestic and Przewalski’s horses). Так или иначе, в зубном камне двух ботайцев никаких следов кобыльего (и любого другого) молока обнаружить не удалось, хотя в целом сохранность белков в образцах хорошая. Нужно иметь в виду, что белки в зубном камне позволяют судить об употреблении в пищу молочных продуктов конкретными индивидами, тогда как липиды в керамике — лишь о том, что популяция в принципе имела дело с молоком.

Таким образом, в энеолите систематическое употребление в пищу молочных продуктов, по-видимому, не было характерно для степных жителей. Кстати, судя по распределению археологических памятников, в те времена они жили в основном по берегам крупных рек, а не в открытой сухой степи.

Для раннего бронзового века (3300–2500 годы до н. э., рис. 1, b) картина получилась совершенно другая. В подавляющем большинстве образцов обнаружились фрагменты разнообразных молочных белков. Во ряде случаев по аминокислотной последовательности пептидов удалось определить вид или более крупную таксономическую группу, к которой принадлежали дойные животные. Выяснилось, что степняки раннего бронзового века широко использовали молоко жвачных: коров, овец и коз. Кроме того, два индивида из местонахождения Кривянский IX в Ростовской области помимо молока жвачных употребляли также и кобылье. Это можно считать надежным доказательством того, что у степняков тогда уже были домашние лошади.

В раннем бронзовом веке люди стали активно осваивать открытую степь, а приречные энеолитические поселения запустели. Не исключено, что жизнь в открытой степи стала возможной именно благодаря одомашниванию лошади. Зимой лошади эффективно вскрывали снеговой покров (см. Тебенёвка), тем самым, возможно, помогая прокормиться заодно и жвачным (W. T. T. Taylor et al., 2020. Early Pastoral Economies and Herding Transitions in Eastern Eurasia).

В среднем и позднем бронзовом веке (2500–1700 годы до н. э., рис. 1, с) восточноевропейские степняки, судя по белкам в их зубном камне, молоко отнюдь не разлюбили. По крайней мере молоко жвачных: следы кобыльего молока в образцах этого возраста не обнаружены. В каком виде они его употребляли — в сыром или в виде кисломолочных продуктов с пониженным содержанием лактозы — по зубному камню не скажешь. Второй вариант представляется более вероятным, учитывая, что, по данным палеогенетики, гены переносимости лактозы не получили распространения у степняков (см.: Ген переносимости лактозы распространился среди европейцев за последние три тысячи лет, «Элементы», 08.09.2020).

Таким образом, исследование показало, что в начале бронзового века восточноевропейские степняки, во-первых, стали есть много молочных продуктов, во-вторых, к этому времени они уже точно одомашнили лошадь. Возможно, они даже были первыми, кто это сделал, поскольку данные по ботайской культуре остаются дискуссионными. Полученные результаты хорошо согласуются с идеей «революции вторичных продуктов» (Secondary products revolution), согласно которой важной предпосылкой степной экспансии был рост эффективности использования домашних животных, от которых стали систематически получать не только «первичные», невозобновляемые продукты (мясо и шкуры), но и «вторичные» возобновляемые (молоко и тягловую силу).

Источник: Shevan Wilkin, Alicia Ventresca Miller, Ricardo Fernandes, Robert Spengler, William T. -T. Taylor, Dorcas R. Brown, David Reich, Douglas J. Kennett, Brendan J. Culleton, Laura Kunz, Claudia Fortes, Aleksandra Kitova, Pavel Kuznetsov, Andrey Epimakhov, Victor F. Zaibert, Alan K. Outram, Egor Kitov, Aleksandr Khokhlov, David Anthony & Nicole Boivin. Dairying enabled Early Bronze Age Yamnaya steppe expansions // Nature. 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03798-4.

См. также:
Палеогенетика подтвердила важный вклад причерноморско-каспийских степняков в формирование генофонда европейцев, «Элементы», 14.06.2015.

Александр Марков

источник

Аналог Тунгусского метеорита стер с лица земли прототип Содома и Гоморры

Археологические раскопки поселения Телль-эль-Хаммам (Tall el-Hammam), на месте которого предположительно находился библейский город Содом. Само поселение находилось на большом холме, который возвышается за дорогой. В глубине кадра — долина реки Иордан, а на горизонте, в 22 км от Телль-эль-Хаммама — древний город Иерихон. Фото с сайта ru.wikipedia.org

Археологи, проводящие раскопки на территории поселения бронзового века Телль-эль-Хаммам на восточном берегу реки Иордан, при участии большой группы ученых самых разных специальностей провели подробный анализ артефактов, найденных за время раскопок (начавшихся в 2005 году). Им удалось собрать достаточно убедительные доказательства того, что примерно 3600 лет назад здесь произошло событие, похожее на Тунгусскую катастрофу: характер повреждений кирпичей, черепков и человеческих останков свидетельствует именно о таком сценарии. Взрыв ледяного астероида или гигантского метеорита в атмосфере вызвал мощный выброс энергии, а огонь и ударная волна разрушили город до основания. Ученые считают, что именно это событие послужило поводом для библейской легенды о гибели Содома и Гоморры, описывающей разрушение расположенных недалеко от Мертвого моря городов, на которые упали камни и огонь с неба, что привело к их полному разрушению.

Древнее поселение Телль-эль-Хаммам находилось примерно в 13 км к северо-востоку от северной оконечности Мертвого моря, на территории современной Иордании. Археологи занимались его изучением с середины 1970-х годов, но планомерные раскопки начались только в 2005 году. Тогда ученые и обнаружили темный слой древесного угля, золы, расплавленных кирпичей и глиняной посуды толщиной около 1,5 м, покрывающий всю площадь древнего города и его окрестности. Исследователи условно назвали его «слоем разрушения».

Осколки тысяч различных керамических сосудов в этом слое были перемешаны с оплавленными фрагментами сырцового кирпича, обломками бытовых предметов, обугленными кусками деревянных балок, известняковыми булыжниками, сожженными до меловой консистенции, а также раздробленными на мелкие части костями людей и животных. Все свидетельствовало о произошедшей здесь грандиозной катастрофе. Радиоуглеродные датировки позволили установить, что она произошла примерно в 1650 (±50 лет) году до нашей эры. Тогда, в период среднего бронзового века (1950–1550 годы до н. э.), Телль-эль-Хаммам с территорией около 34 га, по оценкам историков, был крупнейшим городом на юге Леванта. Для сравнения, Иерусалим и Иерихон в то время занимали 4,9 и 4,0 га соответственно. По числу жителей этот город на порядок превосходил Иерусалим и был в пять раз больше Иерихона.

Результаты археологических раскопок, проводившихся в регионе, указывают на то, что эта территория была постоянно заселена на протяжении как минимум 2500 лет до мощного катаклизма, который случился на исходе бронзового века. Помимо Телль-эль-Хаммама ученые обнаружили еще около 120 мелких поселений, которые были разрушены вместе с ним, в том числе — древний Иерихон.

В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, авторы обобщают результаты мультидисциплинарных исследований, полученные за последние 15 лет, и представляют убедительные доказательства того, что причиной масштабной катастрофы стал взрыв над городом ледяного астероида — космического объекта, аналогичного или даже превосходящего по размерам тот, который взорвался в 1908 году в районе Подкаменной Тунгуски в России. Рабочую группу, в которую входили археологи, геологи, геохимики, геоморфологи, минералоги, палеоботаники, седиментологи, эксперты по импактным событиям и медики — всего 21 специалист из США, Канады и Чехии, — возглавлял археолог Филипп Сильвия (Phillip J. Silvia) из Юго-Западного университета Тринити в Альбукерке, Нью-Мексико.

Раскопки в Телль-эль-Хаммаме. Фото с официального сайта раскопок trinitysouthwest.com

На первом этапе ученые создали компьютерную модель, с помощью которой проверили достоверность различных сценариев катастрофы — от извержения вулкана и крупного пожара до военных действий. Но ни одно из этих событий не могло создать температуру, при которой плавится металл, сырцовые кирпичи и глиняная посуда. Эксперименты с лабораторными печами показали, что для этого нужен нагрев выше 1500°C, а температура огня при обычном пожаре составляет не более 1100–1200°C. Единственный сценарий, при котором такой нагрев возможен, — столкновение с космическим телом (астероидом или крупным метеоритом).

После этого ученые в течение нескольких лет собирали на месте раскопок вещественные доказательства своей гипотезы. Для анализа состава образцов из слоя разрушения авторы применяли оптическую микроскопию, сканирующую электронную микроскопию (SEM) с энергодисперсионной спектроскопией (EDS), рентгеноспектральный микроанализ (электронный микрозонд), электронную микроскопию со сфокусированным ионным пучком, катодолюминесценцию и нейтронно-активационный анализ.

В слое разрушения ученые обнаружили кристаллы кварца со следами ударного воздействия и агрегаты алмазоподобного углерода; микроскопические сферулы (шарики), обогащенные железом и кремнием, а также состоящие из расплавленного карбоната кальция и гипса; оплавленные кристаллы высокотемпературных минералов — циркона, хромита и кварца. Химический анализ выявил в слое повышенное содержание платины, иридия, никеля, хрома, золота и серебра — элементов, которые редко встречаются в земных породах, но которыми обогащены космические тела.

Полученные доказательства импактного события можно условно объединить в четыре группы: 1) свидетельства высокотемпературного горения; 2) плавление высокотемпературных минералов; 3) ударный метаморфизм высокого давления; 4) раздробленные фрагменты человеческих костей с вкраплениями расплавленного стекла. Разберем их по порядку.

Первыми свидетельствами высокотемпературного горения стали оплавленные фрагменты керамики, извлеченные из обогащенного углем и золой слоя при раскопках. Сразу стало ясно, что дело здесь не в обычном пожаре, при котором керамика обгорает, но не плавится, а в более мощном тепловом воздействии.

Культурные слои города охватывают около трех с половиной тысячелетий — от раннего бронзового века (3300–2300 года до н. э.) до раннеримского периода (63 год до н. э. — 135 год н. э.), и во всех из них присутствуют обломки керамики. Но только в слое разрушения она имеет характерные особенности: внешние части фрагментов керамических сосудов несут следы высокотемпературного плавления — «кипения» керамики с образованием пузыристой корки и слоя гладкого глянцевого стекла, свидетельствующего о моментальном очень сильном нагреве с последующим быстрым охлаждением, — а внутренние части не несут никаких следов теплового воздействия. Часто края фрагментов осколков оплавлены, что говорит о том, что частичное плавление черепков произошло уже после разрушения керамических изделий (рис. 3).

Внешние (b, d) и внутренние (а, с) стороны керамических черепков. Внешние части несут следы высокотемпературного воздействия (оплавленность — b, вскипание — d), а внутренние — нет. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Теоретическая температура плавления керамики составляет от 1300 до 1500°C. Авторы провели лабораторные эксперименты непосредственно на образцах керамики из Телль-эль-Хаммама и получили значение 1400°C для начальной стадии плавления и около 1500°C для получения пузырчатой текстуры вскипания и поверхностного слоя стекла.

Вместе с оплавленными фрагментами керамики в слое разрушения содержатся расплавленные сырцовые кирпичи. Особенно их много в районе дворцового комплекса, стены которого имели толщину от 1 до 2,2 м, а их высота составляла 11–15 м. Археологи предполагают, что дворец имел 4–5 этажей.

При детальном изучении расплавленных сырцовых кирпичей авторы исследования обнаружили в их структуре стекловидные микроволокна с везикулярной (пузырьковой) текстурой в общей расплавленной матрице, содержащей нерасплавленные включения минералов и металлов (рис. 4).

Расплавленные сырцовые кирпичи из дворца (а, b, c) и их внутреннее строение на изображениях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

В сырцовых кирпичах за пределами слоя разрушения, на которых нет следов плавления, такие образования отсутствуют. Также расплавленные кирпичи намного тверже нерасплавленных — они царапают стекло, но не оставляют царапин на кварце, то есть их твердость по шкале Мооса находится в интервале от 5,5 до 7. Лабораторные эксперименты показали, что сырцовые кирпичи начинают плавиться при температуре около 1250°C.

Помимо керамики и кирпичей в слое разрушения встречаются куски оплавленной кровельной глины. Глубина плавления на них составляет 1–5 мм от поверхности.

В отдельных случаях фрагменты керамики расположены так, что археологам удалось не только определить их принадлежность одному изделию, но и реконструировать процесс разрушения — восстановить направление движения ударной волны. Обугленные зерна, рассыпавшиеся после разрушения горшков, подчеркивают это направление (рис. 5).

Реконструкция процесса разрушения керамики. Черепки одного сосуда обведены контуром своего цвета, направление ударного воздействия отмечено стрелками. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Не менее убедительны и доказательства плавления высокотемпературных минералов в ходе катаклизма. На расплавленной поверхности черепков и кирпичей ученые обнаружили зерна кварца со следами плавления. Некоторые из них оплавлены частично, а некоторые — почти полностью и даже имеют признаки диффузии в расплавленную Ca–Al–Si матрицу керамики или сырцового кирпича. Полностью расплавленные зерна кварца обычно содержат пузырьки, возникшие из-за выделения газа при плавлении. Обычно такое наблюдается только при превышении верхней температуры плавления кварца 1713°C, когда вязкость кварца падает настолько, что он начинает течь.

Слой разрушения содержит также крошечные шарики расплавленного материала (сферулы, рис. 6), в составе которых преобладают оксиды железа (в среднем около 40,2 мас. %) и SiO2 (в среднем 20,9 мас. %) с примесями элементарного железа, TiO2, а иногда и редкоземельных элементов. Эксперименты показали, что сплавленные шарики, состоящие преимущественно из оксида железа, образуются при температуре около 1590°C. Но некоторые сферулы из Телль-эль-Хаммама содержат включения значительно более тугоплавких минералов и металлов — циркона (температура плавления 1687°C), кварца (1713°C), платины (1768°C), хромита (2190°C) и иридия (2466°C).

Сферулы из расплавленного песка (вверху слева), дворцовой штукатурки, состоящей из извести (карбоната кальция) и гипса (вверху справа) и расплавленного металла (внизу). Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Что касается свидетельств ударного метаморфизма, то в шести образцах из слоя разрушения исследователи обнаружили микроскопические структуры, состоящие из квазиаморфного углерода. При более детальном изучении с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) и электронной дифракции выбранной области (SAD, см. selected area diffraction) выяснилось, что это диамоноиды (или диамондоиды, см. diamondoid) — разновидность наноалмазов, представляющих из себя элементарные ячейки каркасной структуры кристаллической решетки алмаза.

Известно, что наноалмазы возникают в обстановке ударного сжатия, и ранее их наличие стало одним из важнейших свидетельств ударного воздействия при падении космического тела в Абу-Хурейре в Сирии 12 800 лет назад (подробнее см. Одно из древнейших человеческих поселений сохранило следы падения кометы в позднем дриасе, «Элементы», 26.03.2020). Позже было установлено, что все образцы пород из слоя разрушения содержат диамоноиды в количестве до 3 ppm. Отдельные агрегаты диамоноидов встречаются и в виде частиц, расположенных в микрократерах на поверхности подвергшейся ударному воздействию керамики (рис. 7).

Агрегат алмазоподобного углерода в микрократере (crater) на расплавленной поверхности фрагмента керамики: а — изображение, полученное с помощью электронного микроскопа; bf — карты элементов (C, O, Si, Ca, Al), полученные методом SEM–EDS. Видно, что агрегат, внедренный в Ca–Al–Si матрицу, состоит из чистого углерода и практически не содержит других элементов. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Чтобы оценить силу ударной волны, которая, судя по расположению обломков керамики и рассыпанных зерен, подошла к холму, на котором находился город, с юго-востока, авторы изучили характер микротрещин и элементов микродеформации в кварце из слоя разрушения. Природный кварц не имеет видимых кристаллографических трещин определенной ориентации, а только хаотически ориентированные непараллельные трещины, поэтому наличие направленных параллельных трещин в нем всегда говорит о более позднем ударном воздействии. Часть зерен кварца из слоя разрушения действительно имеют систему внутренних параллельных микротрещин (рис. 8).

Микрофотографии неповрежденного кристалла кварца (a, b) и кварца, подвергшегося ударному воздействию, в кристаллах которого образовались системы параллельных микротрещин (сf). Справа — увеличенные фрагменты изображений а, с и d. На снимке d видно, как аморфный кварц (черный, AQ), образовавшийся при частичном плавлении первичного кристаллического кварца, заполняет появившиеся при ударе микротрещины. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Плоские микроструктуры в виде параллельных трещин в кварце образуются при относительно невысоких давлениях (начиная с 5 Гпа), но при высокой температуре. Для возникновения структур пластической деформации, которые намного реже присутствуют в микрокристаллах кварца из слоя разрушения в Телль-эль-Хаммаме, нужно давление 8–10 ГПа.

Отсюда исследователи делают вывод о том, что как такового удара об землю не было, а высокая температура и ударная волна, уничтожившие город, были следствием взрыва, произошедшего на определенной высоте над землей, подобного Тунгусскому событию. В Телль-эль-Хаммаме, как в районе Подкаменной Тунгуски, так и не нашли фрагменты самого космического тела. По мнению ученых, это был ледяной астероид или метеорит, который взорвался в атмосфере.

Эта версия неплохо подкрепляется результатами компьютерного моделирования, проведенного в Национальной лаборатории Сандия в США. Когда ледяной болид входит в атмосферу Земли, он подвергается огромному аэродинамическому сопротивлению, в результате чего большая часть объекта фрагментируется в огненный шар, после чего оставшаяся его масса превращается в струю высокотемпературного пара, которая продолжает стремительно двигаться вниз. Достигнув поверхности Земли, она выбивает из нее поверхностные рыхлые отложения и расплавляет их, выбрасывая в атмосферу мельчайшие брызги, застывающие в виде шариков, обогащенных железом и кремнием и содержащих очень малый процент материала самого ударного тела (M. Boslough, 2015. Airburst Modeling).

Наконец, еще одним свидетельством в пользу версии воздушного взрыва космического тела служит характер повреждений человеческих останков в слое разрушения. Ученые предполагают, что ни один из жителей города, в котором, по оценкам историков, на тот момент проживало около 8000 человек, не выжил. Археологи не нашли в Телль-эль-Хаммаме ни одного целого скелета. Самыми крупными находками были несколько отдельных костей рук и ног со следами обугливания на краях и проломленные черепа, все остальные кости встречаются в виде мелких фрагментов, рассредоточенных в рыхлой матрице, состоящей из золы, древесного угля и измельченного сырцового кирпича.

Одна кость, найденная учеными, покрыта сверху застывшими каплями превращенного в стекло расплавленного осадочного материала. Детальные исследования показали, что стекло частично проникло внутрь кости, как бы вплавившись в нее (рис. 9). Исследователи, которые находили подобные образцы в Абу-Хурейре (см. упомянутую новость), предполагают, что такое сплавление стекла с костью происходит при температуре выше 1500°C.

Фрагмент кости с вплавленными в нее каплями расплавленного осадочного материала: а — микрофотография фрагмента размером 3,5 мм; b — тот же фрагмент под электронным микроскопом, желтый квадрат — область, определенная для детального исследования; с — выделенная область под электронным микроскопом с большим разрешением, цифрами обозначены зоны: 1 — нерасплавленный осадочный материал Ca–Al–Si-состава, без костного компонента; 2 и 3 — расплавленный осадок, смешанный с расплавленной костью (гидроксиапатит); 4 — обугленная кость; d — изображение (с), раскрашенное для наглядности. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Авторы статьи так описывают предполагаемую картину катастрофы в Телль-эль-Хаммаме. Во время взрыва на высоте около четырех километров над землей образовался огненный шар. Температура была такой, что весь город загорелся мгновенно, через несколько секунд на него обрушилась мощная ударная волна, уничтожившая все постройки, а людей и животных разорвало на куски. Мощность взрыва, по оценкам ученых, в тысячу раз превышала силу атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. Примерно через минуту пламя и ударная волна достигли Иерихона, расположенного в 22 км к западу от Телль-эль-Хаммама. Кроме того, ученые предполагают, что мощный взрыв выбросил огромное количество соли Мертвого моря на бывшие когда-то плодородными земли, сделав их непригодными для земледелия. Археологические данные свидетельствуют о том, что после катастрофы город был частично восстановлен лишь спустя 600 лет, уже в железном веке.

Источник: Ted E. Bunch, Malcolm A. LeCompte, A. Victor Adedeji, James H. Wittke, T. David Burleigh, Robert E. Hermes, Charles Mooney, Dale Batchelor, Wendy S. Wolbach, Joel Kathan, Gunther Kletetschka, Mark C. L. Patterson, Edward C. Swindel, Timothy Witwer, George A. Howard, Siddhartha Mitra, Christopher R. Moore, Kurt Langworthy, James P. Kennett, Allen West & Phillip J. Silvia. A Tunguska sized airburst destroyed Tall el-Hammam a Middle Bronze Age city in the Jordan Valley near the Dead Sea / Scientific Reports. 2021. DOI: 10.1038/s41598-021-97778-3.

Владислав Стрекопытов

источник

Тапуннгака — крупнейший птерозавр Австралии

Реконструкция внешнего вида тапуннгаки (Thapunngaka shawi). Рисунок c сайта Квинслендского университета

Находки птерозавров в Австралии случаются крайне редко: со времен обнаружения первой крылатой рептилии около сорока лет назад в руки австралийских ученых попало всего около двадцати образцов. Описанный в августе этого года тапуннгака (Thapunngaka shawi) стал четвертым видом австралийских птерозавров — и самым крупным из всех. И хотя был найден лишь небольшой фрагмент челюсти, ученым удалось оценить размеры древнего летающего ящера. Размах его крыльев составлял от шести до девяти с половиной метров, что делает тапуннгаку одним из крупнейших живых существ, когда-либо поднимавшихся в воздух.

Птерозавры — разнообразная и процветающая группа мезозойских рептилий — являются одними из самых известных вымерших животных. Эти летающие ящеры занимали разнообразные экологические ниши, среди них были как карлики размером не больше домового воробья (например, Nemicolopterus), так и невероятные гиганты с размахом крыльев 11–13 метров вроде хацегоптерикса. Птерозавры были распространены на всех континентах, включая Антарктиду, и просуществовали в течение более чем 150 миллионов лет — с конца триасового периода по конец мелового. Первый скелет птерозавра — немецкого птеродактиля из знаменитых сланцев Зольнхофен, — был описан еще в 1784 году, и с тех пор ученым стали известны сотни родов этих вымерших рептилий, ставших первыми позвоночными животными, поднявшимися в воздух на собственных крыльях.

Распределение обнаруженных родов птерозавров на карте мира. Красными кружочками обозначены крупные местонахождения окаменелостей — лагерштетты. Разными цветами обозначены представители различных семейств птерозавров. Рисунок с сайта ru.wikipedia.com

В популярной культуре птерозавров нередко называют «летающими динозаврами», однако это абсолютно неверно: летающие ящеры включаются в кладу авеметатарзалий, куда входят также динозавры и современные птицы, но они не принадлежат к динозавриформам, куда входят все динозавры и их вымершие родственники. Проводя аналогию с современными млекопитающими, птерозавры находятся с птицами и динозаврами в той же степени родства, в какой современные грызуны родственны приматам и, в частности, человеку разумному.

Упрощенная схема эволюции архозавров в триасовом периоде: птерозавроморфы, к которым относятся птерозавры, являются сестринской группой по отношению к динозавроморфам, куда относятся динозавры и их ближайшие родственники. Рисунок с сайта people.eku.edu

Из-за адаптаций к полету — полых костей, хрупких черепов и редукции, а порой и полному отсутствию покрытых эмалью зубов, — остатки птерозавров сохраняются плохо (см. Why Are Pterosaur Fossils Rare?), и порой ученым приходится объединять данные по нескольким видам, чтобы составить представление об их внешнем виде и повадках. К сожалению, не все места на Земле одинаково подходят для сохранения окаменелостей птерозавров, и в то время как из одной формации Цзюфотан (Jiufotang Formation) на севере Китая известно около полутора десятков видов летающих ящеров, во всей Восточной Африке найден только один вид — тендагуриптер.

Не повезло в этом отношении и Зеленому континенту, Австралии: из-за особенностей австралийской геологии окаменелости на этом континенте сохраняются хуже, чем где-либо еще на Земле (см. Why haven't there been many big dinosaurs found in Australia?). Большинство окаменелостей старше мезозойской эры все еще покоятся под толстым слоем породы и недоступны для исследования, тогда как животным, жившим после динозавров, повезло еще меньше: их остатки за миллионы лет эрозии и выветривания были разрушены и/или унесены ветром и водой.

Неудивительно, что большая часть птерозавровых окаменелостей, найденных в Австралии, — это лишь разрозненные кусочки костей, по которым ученые пытаются восстанавливать облик древних животных. Все образцы происходят из морских и приморских отложений, образовавшихся на месте древнего шельфового моря Эроманга (Eromanga Basin), в меловом периоде занимавшего большую часть современного континента (S. Russel, 2017. Modelling the evolution of the Eromanga Sea in the context of tectonics, geodynamics and surface processes). Первым австралийским птерозавром стал митунга (Mythunga camara). Остатки его черепа были найдены в 1991 году, а сам вид описан только в 2007 году (R. Molnar, R. A. Thulborn, 2007. An incomplete pterosaur skull from the Cretaceous of north-central Queensland, Australia). Изначально митунгу отнесли к базальным птеродактилоидам (подотряду прогрессивных птерозавров, наиболее заметной чертой которых является редуцированный хвост), но позже его переописали как члена аньянгуэрид — группы поздних птеродактилоидов, родственных знаменитому птеранодону и в свое время распространившихся по всему миру (A. W. A. Kellner et al., 2010. New isolated pterodactyloid bones from the Albian Toolebuc Formation (western Queensland, Australia) with comments on the Australian pterosaur fauna).

Позже были описаны еще два эндемичных австралийских рода птерозавров: оссидрако (Aussiedraco molnari) был выделен в 2011 году, хотя саму окаменелость обнаружили за тридцать лет до этого (A. W. A. Kellner, 2011. Short note on a Pteranodontoid pterosaur (Pterodactyloidea) from western Queensland, Australia), а ферродрако (Ferrodraco lentoni) — в 2019 году (A. H. Pentland et al., 2019. Ferrodraco lentoni gen. et sp. nov., a new ornithocheirid pterosaur from the Winton Formation (Cenomanian–lower Turonian) of Queensland, Australia). Оба новых вида были изначально отнесены к аньянгуэридам, но позже оссидрако был переопределен как член таргариендраконид (Targaryendraconidae), сестринской группы по отношению к аньянгуэридам.

Гипотетическая реконструкция суровых будней австралийских птерозавров: ныряющих за рыбой оссидрако вполне могли изредка ловить гигантские морские рептилии, такие как этот кронозавр. Рисунок © R. J. Palmer из личного твиттера художника

Таким образом, новый вид птерозавров, названный Thapunngaka shawi, стал лишь четвертым видом крылатых ящеров Австралии, но при этом — самым крупным из всех. Единственную окаменелость тапуннгаки нашли в 2011 году в отложениях формации Тулебук (Toolebuc Formation) на северо-востоке Австралии: около 105 миллионов лет назад на этом месте плескались прохладные воды моря Эроманга, в котором жили различные морские рептилии. Остатки наземных животных также изредка попадали в морские отложения, — например, именно из формации Тулебук происходит знаменитый австралийский муттабурразавр, известный по почти полному скелету, — и птерозавры не были исключением: три из четырех австралийских видов летающих рептилий были найдены именно здесь.

«Земляки» тапуннгаки — митунга и оссидрако, — тоже не были карликами, но на фоне новообнаруженного родственника явно проигрывали: оссидрако, с его размахом крыльев в 3–3,5 метра, был размером со странствующего альбатроса, у митунги размах крыльев был еще на метр больше, а вот у тапуннгаки он оценивается в 6–9,5 метра, что даже на нижней границе сопоставимо с размерами крупнейших летающих птиц в истории — пелагорниса и аргентависа, но не идет ни в какое сравнение с размерами других крупных птерозавров — например, кетцалькоатля, чей размах крыльев оценивается в 10–12 метров. К сожалению, более точно оценить габариты животного едва ли получится: все, что попало в руки ученых от целого скелета — это фрагмент нижней челюсти, размером чуть побольше человеческой ладони и украшенный крупным плоским гребнем, вероятно, игравшим роль в динамике полета. Формой находка несколько похожа на наконечник копья, и именно поэтому птерозавр получил свое название: в переводе с языка народа ванамара (wanamara), некогда жившего на территории Квинсленда, «тапуннгака» означает «копьеротый» (thapun — читается «та-бун» — «копье», а ngaka — читается «нга-га» — «рот»). Видовое же название, «shawi», дано в честь Лена Шоу (Len Shaw), местного палеонтолога-любителя, обнаружившего окаменелость.

Найденный фрагмент челюсти таппунгаки и реконструированная челюсть птерозавра. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Vertebrate Paleontology

Судя по размеру фрагмента, челюсть тапуннгаки была огромной, как и сама голова: по выражению ведущего автора обсуждаемой статьи палеонтолога Тима Ричардса (Tim Richards), по сути это «был просто череп с длинной шеей, прикрепленный к паре длинных крыльев». Зубы животного не сохранились, но, основываясь на анатомии его ближайших родственников, можно предположить, что они были ровными и тонкими, похожими на иглы, и только на нижней челюсти их было 26, а всего — около сорока. Проводя аналогию с другими аньянгуэридами, сохранившимися лучше, — например, собственно аньянгуэрой, впервые обнаруженной в Бразилии, — можно предположить, что тапуннгака был рыбоядным животным, при этом он мог не только охотиться сам, но и отбирать добычу у меньших по размеру птерозавров, как это делают некоторые современные морские птицы (см. Обед за чужой счет).

Размеры тапуннгаки (А) в сравнении с митунгой (B) и ферродрако (C). Человеческий силуэт приведен для сравнения, рост человека — 1,8 м. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Vertebrate Paleontology

Вполне вероятно, что время от времени гигантский птерозавр промышлял и на берегу, разграбляя гнезда и убивая мелких динозавров, которые не успевали вовремя от него спрятаться. Нынешние чайки нередко промышляют грызунами, а огромный тапуннгака вполне мог живьем проглотить какого-нибудь некрупного динозавра или беспомощного детеныша.

Источник: Timothy M. Richards, Paul E. Stumkat, Steven W. Salisbury. A new species of crested pterosaur (Pterodactyloidea, Anhangueridae) from the Lower Cretaceous (upper Albian) of Richmond, North West Queensland, Australia // Journal of Vertebrate Paleontology. 2021. DOI: 10.1080/02724634.2021.1946068.

Анна Новиковская

источник

Вспышка сверхновой произошла из-за столкновения звезды с нейтронной звездой или черной дырой

Массивная звезда, которая «проглотила» нейтронную звезду или черную дыру и вот-вот взорвется. Исходная двойная система существовала миллионы или даже миллиарды лет, но за счет излучения гравитационных волн ее компоненты постепенно теряли энергию и сближались. В какой-то момент они сблизились настолько, что компактный тяжелый объект (то есть либо нейтронная звезда, либо черная дыра) начал вытягивать вещество из звезды. Это продолжалось несколько сотен лет, в течение которых образовалась спиралевидная (или торообразная) «атмосфера» — общая для двух объектов. После столкновения произошел взрыв сверхновой, приведший к мощному всплеску рентгеновского излучения, которое было зарегистрировано в 2014 году рентгеновским телескопом MAXI, установленным на МКС. А в 2017 году радиоизлучение, вызванное взаимодействием разлетающегося вещества, оставшегося после взрыва сверхновой, с торообразной атмосферой, было зарегистрировано массивом радиотелескопов VLA. Рисунок © Chuck Carter с сайта caltech.edu

Вспышки сверхновых обычно являются результатом естественной эволюции массивных звезд. При вспышках выделяется колоссальная энергия, благодаря чему сверхновые — одни из самых ярких объектов во Вселенной (их светимость сравнима с целыми галактиками). Есть два основных механизма взрыва сверхновых: перетекание вещества с нормальной звезды на белый карлик в двойной системе и гравитационный коллапс ядра звезды в нейтронную звезду или черную дыру после того, как она исчерпает запасы термоядерного топлива. Теоретически предсказаны и другие механизмы взрывов сверхновых. О наблюдении одного из них рассказано в недавней статье в журнале Science. Проанализировав данные об источнике мощнейшего радиоимпульса, собранные рентгеновским телескопом MAXI в 2014 году и массивом радиотелескопов VLA в 2017 году, американские астрофизики пришли к выводу, что этот источник — сверхновая, взрыв которой был спровоцирован столкновением звезды с компактным объектом (нейтронной звездой или черной дырой).

Теоретические исследования, многочисленные результаты компьютерного моделирования и наблюдения свидетельствуют о том, что есть два основных механизма взрыва сверхновых. Первый механизм, так называемые сверхновые типа Ia, связан с белыми карликами — компактными остатками звезд, стабильность которых обеспечивается давлением газа электронов. Масса белого карлика не может превышать предел Чандрасекара, равный приблизительно полутора массам Солнца. Если белый карлик по каким-то причинам превысит этот предел, то давления электронов уже не будет хватать, чтобы преодолевать силу гравитации, и он превратится в нейтронную звезду. Набирать массу белый карлик может, находясь в составе двойной системы. Если его компаньон — обычная звезда, то при сближении компонентов системы белый карлик будет стягивать на себя вещество с ее поверхности. Если же компаньоном является еще один белый карлик, то они могут слиться — это тоже приведет к взрыву сверхновой типа Ia.

Второй основной тип сверхновых вызван гравитационным коллапсом ядра массивной (приблизительно от десяти до нескольких сотен масс Солнца) звезды на определенном этапе ее эволюции, когда запасов термоядерного топлива ее недрах перестает хватать для обеспечения темпов реакции, необходимых для противодействия тяготению внешних слоев (скорость движения вещества ядра при этом коллапсе доходит до нескольких десятков процентов от скорости света). При этом ядро превращается в компактный объект — либо в нейтронную звезду, температура которой при формировании составляет около 100 миллиардов градусов Кельвина, либо в черную дыру. Вещество звезды с колоссальной скоростью падают на сколлапсировавшее ядро, а потом верхние слои отскакивают от нижних из-за увеличения давления — происходит взрыв.

При взрыве сверхновой обычно выбрасывается несколько солнечных масс вещества, движущегося со скоростью до нескольких процентов от скорости света. Мощность электромагнитного излучения сверхновой превышает таковую у звезд на 4–8 порядков. А светимость самой яркой сверхновой ASASSN-15lh превышала светимость Солнца примерно в 570 миллиардов раз, то есть по мощности излучения она превосходила целые галактики (например, наш Млечный путь — в 20 раз).

Сверхновая SN 1994D (яркая точка в левом нижнем углу) и ее родительская галактика NGC 4526, удаленная от нас примерно на 55 млн св. лет. Фото получено телескопом «Хаббл», с сайта eso.org

В ходе взрыва образуется ударная волна, проходящая по звезде и по окружающему ее межзвездному веществу. Оставшееся расширяющееся облако пыли и газа может затем наблюдаться в телескоп как туманность и называется остатком сверхновой. Сверхновые являются основным источником элементов от кислорода до рубидия в межзвездной среде, а также — гипотетически — источником сильных гравитационных волн (пока, правда, наблюдались только гравитационные волны, возникшие при слиянии достаточно массивных черных дыр и/или нейтронных звезд).

Помимо этих двух основных механизмов теории предсказывают и более экзотические (вроде разрывания звезды черной дырой), которые пока по большей части остаются гипотетическими. Об одном из таких механизмов — сверхновой с захватом электронов (electron-capture supernova) — можно прочитать в новости Недостающая часть элементов «железного пика» синтезируется во взрывах очень плотных белых карликов («Элементы», 23.07.2021). Еще один экзотический механизм — термоядерный взрыв, спровоцированный столкновением звезды с массивным компактным объектом (черной дырой или нейтронной звездой). О нем и пойдет речь ниже.

В 2017 году радиотелескоп VLA (Very Large Array) зарегистрировал необычно мощный импульс радиоизлучения с пиком, приходящимся приблизительно на частоту 5 ГГц (что соответствует длине волны 6 см). Это событие получило обозначение VT J121001+495647. Произошло оно в карликовой галактике SDSS J121001.38+495641.7, находящейся чуть менее, чем в 500 миллионах световых лет от Земли.

Массив радиотелескопов VLA (Very Large Array — Очень большая антенная решетка), находящийся в штате Нью-Мексико, США. Он располагается на высоте 2124 метра над уровнем моря. Y-образный массив состоит из двадцати восьми 25-метровых радиотелескопов, суммарная площадь принимающих антенн которых составляет 13 250 квадратных метров. VLA способен регистрировать излучение с длиной волны от 0,6 см (что соответствует частоте 50 ГГц) до 410 см (73 МГц), и имеет угловое разрешение 120 градусов. Фото с сайта public.nrao.edu

Мощные импульсы радиоизлучения порождаются тем, что после взрыва сверхновой по разлетающемуся веществу взорвавшейся звезды проходят очень быстрые ударные волны. Вблизи своего фронта они разгоняют электроны до релятивистских скоростей и провоцируют их синхротронное излучение, которое приходится на радиодиапазон. До недавних пор только один из зарегистрированных ранее импульсов радиоизлучения, ассоциированный затем со сверхновой, был по мощности сопоставим с VT J121001+495647.

В опубликованной недавно статье группа исследователей из Израиля, Канады, США и Японии предположила, что этот радиоимпульс был вызван специфическим взрывом сверхновой, который был ранее предсказан теоретически, но никогда не наблюдался астрономами, — вспышкой сверхновой, произошедшей из-за столкновения звезды с нейтронной звездой или черной дырой. При таком сценарии столь мощный радиоимпульс может быть взаимодействия разлетающегося после взрыва звездного вещества с достаточно плотной торической оболочкой газа, которая возникает в двойной системе из-за вытягивания вещества звезды плотным компактным компаньоном.

Около 70% звезд во Вселенной с массами, превышающими 8 масс Солнца, образуют двойные системы. В такой системе более массивная звезда через какое-то время взрывается как сверхновая, оставляя после себя сколлапсировавшее в нейтронную звезду или черную дыру ядро. Таким образом, если стабильность двойной системы не будет нарушена из-за резкого падения массы одного из компаньонов, может образоваться система, состоящая из звезды и массивного компактного компаньона.

Подобные системы достаточно стабильны и могут существовать миллионы или даже миллиарды лет. Но двойная система излучает гравитационные волны, теряя при этом энергию. Потеря энергии приводит к сокращению расстояния между объектами в двойной системе, и в какой-то момент компактный объект подходит к звезде-компаньону настолько близко, что вещество с ее поверхности начинает двигаться под действием гравитации в направлении компактного компаньона. Из-за этого у двойной системы возникает торическая или спиралевидная атмосфера из этого вещества, которая из-за ненулевого момента вращения начинает медленно удаляться от двойной системы. Характерный размер торической атмосферы составляет около одного триллиона километров, а плотность вещества в ней оценена исследователями примерно в миллион частиц газа на один кубический сантиметр.

Вытягивание вещества длится всего несколько сотен лет, так как для того, чтобы оно началось, необходимо, чтобы компактный компаньон подошел очень близко к звезде, а это происходит только на конечном этапе эволюции двойной системы. В конце концов нейтронная звезда или черная дыра сталкивается со звездой, и дальнейшее движение ее к центру звезды вызывает дестабилизацию ее ядра и последующий взрыв сверхновой. Компьютерное моделирование этого процесса очень сложно, поэтому у исследователей до сих пор нет детальной картины того, как конкретно происходит взаимодействие двух объектов в такой системе после погружения компактного объекта в тело звезды. Например, не ясно, происходит ли взрыв сразу после столкновения, или только когда компактный компаньон достигает звездного ядра. Возможно также, что он успевает сорвать все внешние слои вещества со звезды, а врезается уже в оголенное ядро.

После взрыва оболочка из разлетающихся остатков звезды начинает двигаться от ее центра со скоростью несколько тысяч километров в секунду (анализ импульса VT J121001+495647 показал, что относительная скорость в данном случае составляла приблизительно 2000 км/с). Когда она достигает торическую атмосферу, то начинает с ней активно взаимодействовать, порождая мощный радиоимпульс, который и был зарегистрирован в 2017 году.

Если гипотеза о природе радиоимпульса VT J121001+495647 верна, то за некоторое время до него должен был произойти полноценный взрыв сверхновой (следствием которого и стал этот импульс). И действительно, анализ архивов данных астрономических наблюдений показал, что в 2014 году (приблизительно за 3,5 года до регистрации события VT J121001+495647) рентгеновский телескоп MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image), смонтированный на японском модуле Международной космической станции, зарегистрировал короткий (продолжительностью около 15 секунд) импульс рентгеновского излучения, названный GRB 140814A, превышающий по мощности излучение Солнца примерно в 10 триллионов раз и пришедший из той же точки на небесной сфере, что и радиоимпульс VT J121001+495647 (M. Serino et al., 2014. MAXI observations of gamma-ray bursts). Время, прошедшее между регистрацией (и, соответственно, излучением) радио- и рентгеновского импульсов, а также скорость, с которой двигалось вещество звезды по отношению к атмосфере двойной системы, хорошо совпало с ожиданиями, основанными на расчетах и моделировании. Таким образом, с достаточно высокой степенью уверенности можно говорить о том, что астрофизики впервые наблюдали вспышку сверхновой, порожденную новым механизмом — гравитационным коллапсом, спровоцированным слиянием с компактным объектом.

Источник: Dillon Z. Dong, Gregg Hallinan, Ehud Nakar, Anna Y. Q. Ho, Andrew K. Hughes, Kenta Hotokezaka, Steve T. Myers, Kishalay De, Kunal Mooley, Vikram Ravi, Assaf Horesh, Mansi M. Kasliwal, Shri R. Kulkarni. A transient radio source consistent with a merger-triggered core collapse supernova // Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abg6037.

Андрей Фельдман

источник