Свт. Иоанн Златоуст



страница5/13
Дата09.08.2019
Размер2.54 Mb.
#126979
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Keywords: molecular paleontology. biostructures and biomolecules preservation in fossils, iron-hemoglobin hypothesis of M. Schweitzer, small age of the Earth.

1. Вводная часть: краткий обзор современных достижений в области молекулярной палеонтологии и палеогенетики

Люди начинали тревожиться, а потом вновь успокаивались; и так несколько раз кряду, пока все не привыкли настолько, что, даже когда разгорелась сильнейшая вспышка… люди начали помаленьку храбриться и, я бы сказал, черстветь.

Д. Дефо «Дневник чумного года»

Предмет молекулярная палеонтология занимается исследованием органических соединений в ископаемых остатках, включая белки и состоящие из них биологические структуры, в то время как палеогенетика нацелена на идентификацию и изучение фрагментов ДНК и РНК [1–17].

Факты сохранности в останках доисторических животных нестойких органических структур (мягких тканей, сосудов, костного матрикса, неокаменевшей кожи и др.), некоторых клеток (эритроцитов и остеоцитов, т.е. клеток кости), значительных по размеру фрагментов ряда белков и даже ДНК продолжают множиться начиная с первых настоящих открытий 1990-х гг., подтвержденных методами физико-химии и иммунохимии. Подробно данные из области молекулярной палеонтологии и палеогенетики представлены в ряде доступных зарубежных [3, 5, 15–17] и отечественных [1, 2, 4, 6–14] статей, обзоров и монографий. Хотя последние из них увидели свет недавно, тем не менее они не охватывают все соответствующие данные, поскольку дополнительные находки, в том числе в костях динозавров, добавляются год от года [18–27].

Впервые аминокислоты и некоторые пептиды в ископаемых остатках описал в 1950-х гг. Ф. Абельсон (Ph. H. Abelson; США) [8], но настоящими пионерами в области молекулярной палеонтологии динозавров должны считаться, вероятно, польские авторы из Краковского университета под руководством Р. Павлички (R. Pawlicki), которые, начав еще в 1960-х гг. изучать кости ящера с оцененным возрастом в 80 млн. лет [28, 29], в течение более чем 30-ти лет публиковали результаты своих исследований (полный список работ указанных авторов см. в [8]). В образцах костей динозавра были обнаружены под электронным микроскопом сосудистые каналы, выявлены волокна коллагена и детектированы подобные остеоцитам образования. С помощью иммуногистохимических и др. методов было продемонстрировано наличие в сосудистых стенках окаменевшей кости углеводов, липидов и ДНК. Выявлялись эритроциты динозавра, содержащие железо [8, 28, 29].

Однако использованные этими авторами методы идентификации биомолекул и биоструктур являлись только косвенными. Так, хотя путем иммуногистохимического анализа было показано, что в районе сосудистой стенки находятся остатки углеводов, липидов и ДНК, не было доказательств их эндогенного (т.е. присущего самому образцу) происхождения. Вполне вероятно, что там могли находиться биомолекулы загрязняющих микробов или грибков. Равным образом, сходство неких структур под микроскопом, к примеру, с коллагеновыми тяжами и т.п. совсем не свидетельствовало о том, что в них сохранились исходные биомолекулы, а не произошло диагенетическое замещение оригинального материала минералами с формированием псевдоморф (подробнее этот вопрос разобран нами ранее [8]).

За последующие несколько десятилетий находки в области молекулярной палеонтологии множились (включая идентификацию со специфическими антителами фрагментов различных белков в остатках ископаемых животных [3, 4, 8]), но они оставались в целом малозаметными. Пока к началу — середине 1990-х гг. соответствующими исследованиями не занялись авторы из университета в штате Монтана под руководством в том числе доктора биологических наук (Ph.D.) Мэри Швейцер (Mary Higby Schweitzer). Сейчас эта исследовательница, судя по всему, работает в основном в университете и в музее штата Северная Каролина [30].

В 1997 г. была опубликована статья о нахождении в костях тираннозавра иммуногенных фрагментов гемоглобина [31], а также эритроцитов («Кровь из камня») [16, 32], которая имела широкую известность и была встречена с недоверием (см. в [8, 16]). В 2005–2013 гг. указанные авторы развили находки биоорганики в ископаемых останках еще дальше [17, 21–23, 30, 33–38]. Была расшифрована аминокислотная последовательность значительных по размеру фрагментов коллагена динозавра. Было обнаружено, что в костях весьма многих динозавров («65–80 млн. лет»), после растворения и удаления их минеральной составляющей, идентифицируются сосуды, клетки, мягкие ткани, морфологически мало изменившийся органический костный матрикс, а также остатки ряда неколлагеновых белков [18, 21, 33–39]. Попутно группой М. Швейцер были сделаны находки биоорганики и в ископаемых остатках не динозавров (к примеру [17, 22]).

В настоящее время Мэри Швейцер является, вероятно, ведущим исследователем в области молекулярной палеонтологии и, отчасти, палеогенетики (поскольку было опубликовано утверждение о нахождении в костях динозавра даже ДНК [39]).

Ранее работы по молекулярной палеонтологии и палеогенетике подробно разбирались нами в ряде обзоров на русском языке [4, 6–9], но последние из них охватывали период только до 2009 г. [6, 7, 9]. Помимо них, в Рунете имеются версии соответствующих апологетических публикаций Н.Ю. Колчуринского [10–13]. Некоторые данные были рассмотрены также в одном из разделов монографии И. Рухленко от 2015 г. [14]. За прошедшее время, как сказано, соответствующие находки весьма умножились (см., к примеру, перечень в [15, 17], а также новые источники [16–27, 30–43]), и факты сохранности в течение «десятков» и даже «сотен миллионов» лет того, что, в принципе, не должно сохраняться в обычных условиях и миллиона лет (см. в [3, 9, 14–17, 20, 30]; подробнее ниже), становились как бы привычной обыденностью, подтверждая слова М. Швейцер еще от 2006 г.: «Множество окаменелостей динозавров могут иметь внутри мягкую ткань» [44].

Параллельно с находками биоорганики в ископаемых остатках возрастом в «десятки миллионов лет» в 1990–2000-х гг. и позже прибавлялись теоретические, модельные, экспериментально-экстраполяционные и просто экстраполяционные исследования некоторых авторов, из которых следовало, что при наиболее благоприятных условиях даже устойчивые полипептиды значительного размера30 не способны сохраняться при положительной температуре в течение и миллиона лет, а ДНК — и того меньше [20, 45–55]. В том числе — публикации лауреата Нобелевской премии по химии за 2015 г.31 Томаса Линдаля (Tomas Lindahl) [46, 47]. Так как сосуды, мягкие ткани и костный матрикс состоят из биомолекул, преимущественно коллагена [33–35], то понятно, что все сказанное относится и к ним. Более того, столь сложноорганизованные надмолекулярные, клеточные и тканевые образования по определению должны быть еще более нестабильными.

Названные научные «невозможность» и «возможность», различающиеся на два-три порядка, продолжают жить параллельной жизнью вплоть до настоящего времени.



2. Гипотетические механизмы сохранности биоструктур и фрагментов биомолекул в течение «десятков миллионов» лет: на слуху почти только железо-гемоглобиновая гипотеза Мэри Швейцер
Утро Полины продолжается

Сто миллиардов лет.

В. Бутусов («Наутилус Помпилиус»). «Утро Полины»

Вполне естественно, что многие авторы, которые обнаруживали в ископаемых костях возрастом в «миллионы — десятки миллионов лет» остатки биоорганики (хотя бы по реакции с антителами к специфическим белкам, включая нестабильные альбумин, гемоглобин, иммуноглобулин и др.; см. в [4, 8]), пытались предложить некие физико-химические, геохимические или биохимические механизмы столь удивительной сохранности. Относительно подробно с соответствующими замечаниями они были разобраны нами ранее в обзорах [4, 6–9], но уместно и здесь привести их перечень с комментариями (некоторые — новые).

1) Формирование в процессе распада и разрушения молекулярных связей во время диагенеза специфических биополимеров, устойчивых к дальнейшей деградации.



Комментарий. Трудно сказать, каким образом полимеризация молекул с высокоэнергетическими связями (каковыми являются биомолекулы) приведет к повышению их устойчивости на два-три порядка. Если же брать биополимеры, то ситуация явно обратная: белки менее устойчивы, чем пептиды, а пептиды менее устойчивы, чем аминокислоты. Равным образом — с ДНК, ее короткими последовательностями и нуклеотидами.

2) Стабилизация биомолекул через образование комплексов с органическими продуктами перегноя почвы, в частности, с гуминовыми (гумусовыми) или другими кислотами [2, 56]. Подобные комплексы, полученные и в лабораторных условиях, ингибируют активность расщепляющих ферментов [56, 57].



Комментарий. То же самое: ожидать от комплексов с гуминовыми кислотами удлинения времени полужизни белков и ДНК на два-три порядка слишком оптимистично. Поскольку распад белков и ДНК в течение миллионов — десятков миллионов лет будет обусловлен не только воздействием ферментов, которые и сами вскоре распадутся. И не только микроорганизмов.

3) Быстрое «цементирование» при погребении отложений, что защищает от микробов и кислорода. Этот процесс создает также закрытую систему, предотвращающую распад.



Комментарий. Однако физико-химические процессы распада полипептидов и ДНК при очевидно положительных температурах должны идти и в отсутствии микробов (как смоделировано, к примеру, в [48, 51, 53, 54]), и в отсутствии кислорода.

4) Связывание биологических макромолекул с минеральными субстратами костей и раковин, что повышает их стабильность. Этот механизм сохранения считается одним из наиболее важных. Максимальный эффект ожидается при его сочетании с формированием внутреннего «закрытого кристалла». Принято считать, что белки способны сохраняться долгое время, составляющее даже геологические эпохи, находясь в комплексе с апатитом минерализованных костей. Адсорбция на неорганической матрице предохраняет биомолекулы от воздействия воды, протеолитических ферментов и микроорганизмов.



Комментарий. Такой механизм, конечно, имеет место. Например, для ДНК модельная адсорбция на оксиапатите (минеральная составляющая костей) удлиняла время полужизни (см. в [46]). Правда, всего в два раза [46], но столь малую величину позже связали с тем, что модельная среда представляла собой раствор, а не оригинальную матрицу кости [48]. И действительно, к примеру коллаген в составе интактной высушенной кости (где он находится в тесном комплексе с минеральной матрицей) имеет температуру денатурации 173°C по сравнению с 94°C для деминерализванного образца [48, 58]. Адсорбция коллагена на апатите увеличивает период его выживаемости [51, 59].

В работе Collins M.J. et al., 2000 [51] проводили исследование стабильности остеокальцина32 при 75–95°C в составе интактной кости и в составе модельной смеси, содержащей все костные компоненты (растворимые и нерастворимые белки, а также апатит), но — вне оригинальной костной структуры33. Наша оцифровка соответствующих графиков для кривых выживаемости остеокальцина при 75°C из [51] (рис. 1) показывает, что период полураспада трех различных эпитопов (узнаваемых антителами) в молекуле указанного белка в составе интактной кости превышает показатель для контрольной смеси приблизительно в 18–145 раз. Казалось бы, эти значения как раз и дают удлинение времени жизни до более чем двух необходимых порядков, но, по оценке тех же авторов, полный распад остеокальцина даже в интактной кости произойдет при 20°C за 580 тыс. лет, а при 10°C — за 7,5 млн. лет [55]. Последняя величина, все же, на порядок меньше датировок для костей динозавров с мягкими тканями, сосудами, костным матриксом, клетками и фрагментами биомолекул [3–19, 21, 22, 25, 27–44, 60, 61]. Следует иметь в виду также, что остеокальцин гораздо устойчивее коллагена, а биоструктуры (мягкие ткани, сосуды и костный матрикс), равно как и клетки, гораздо лабильнее полипептидов.



Рис. 1. Кривые распада трех участков молекулы остеокальцина (N-концевого, среднего и C-концевого) при 75°C в составе интактной кости и в смеси, моделирующей кость. Темные и светлые символы (а и б) — распад в составе модельной смеси и в составе кости соответственно. По оси абсцисс — время распада, дни; по оси ординат — % оставшегося сигнала детекции участков белка. Русифицированный график из [51].

Представляет интерес также некоторое несовпадение с гипотезой стабилизации путем адсорбции на минеральных матрицах кости факта сохранения остеокальцина в ископаемых неолитических костях. Сохранность основного эпитопа молекулы оказалась обратно пропорциональной кристаллизации апатита образцов кости [51], хотя, казалось бы, все должно быть наоборот: чем минерализованней кость, тем лучше должна сохраняться в ней органика.

* * *

Перечисленные гипотезы, приводимые ранее многими авторами [2, 3, 5, 14, 45, 48–51] (в том числе и нами [4, 6–9]), похоже, стали несколько отходить на второй план. К примеру, в относительно недавних работах Швейцер с соавторами [16, 38, 40], в которых была рассмотрена биоорганика в костях ископаемых животных, точные заключения о механизмах сохранения фрагментов белков, мягких тканей, сосудов и клеток в течение «десятков миллионов лет» отсутствуют [16]34, [38]35, [40]36. Однако в последних публикациях указанных авторов все же есть разбор прежних гипотез (в частности, про механизм стабилизации за счет связывания с минеральными матрицами [30, 39, 40] и др.), причем превалирующей в данном случае является мысль о необходимости защиты от протеолитических ферментов и микроорганизмов. Что, вновь, не самое главное в плане сохранения структуры полипептидов в течение «десятков миллионов лет».



Но особенно популярной ныне стала последняя, пятая гипотеза37, которая отличается от прочих большей степенью научного неправдоподобия, если брать критерии естественнонаучных дисциплин (подробнее ниже). Механизм сохранности белков в костях динозавров М. Швейцер с соавторами еще в 2006–2007 гг. связали с повышением их устойчивости за счет образования перекрестных межмолекулярных сшивок в результате окислительных процессов, индуцируемых порфириновым железом гемоглобина. Сначала это предположение было озвучено в 2006 г. на ежегодном форуме Американской ассоциации по продвижению науки (AAAS) в виде презентации М. Швейцер и ее руководителя Дж. Хорнера (Jack Horner) [60]. Затем, в 2007 г., вышла уже статья в журнале Королевского научного общества Великобритании (Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences; Proc. Biol. Sci.), где имелся соответствующий фрагмент, посвященный влиянию индуцированных железом окислительных процессов на сохранность биомолекул и биоструктур [61]. В последние годы М. Швейцер с сотрудниками весьма развили данное построение [30, 39, 40].

И вышло так, что только указанная железо-гемоглобиновая гипотеза о механизме повышения сохранности белков и полипептидов на два-три порядка только и осталась на слуху в общедоступном Интернете. Как в научных источниках, так и в научно-популярной литературе (вкупе с по крайней мере российскими «научно-просветительными» публикациями, вплоть до Википедии), а также в СМИ [62–66].

Дошло до того, что в последнем голливудском фильме из цикла «Парк Юрского периода» («Мир Юрского периода», 2015 г.) группе экскурсантов гид рассказывает, что «вечная» сохранность ДНК в костях связана с воздействием железа, которого много в крови, и т.п.38
3. Суть гипотезы Мэри Швейцер об опосредованном железом гемоглобина увеличении времени сохранности биомолекул и биоструктур и попытка ее экспериментального подтверждения

Теперь вся сила в гемоглобине.

И. Ильф, Е. Петров. «Двенадцать стульев»



3.1. Теоретические предпосылки
Сохранение биоорганики в течение геологических периодов времени связывается с трансформацией лабильных молекул, клеток и тканей в более стабильные формы за счет полимеризации и/или образования перекрестных межмолекулярных сшивок, поликонденсации белков и/или их кластеризации, а также перекисного окисления липидов мембран [40, 61].

Гипотеза М. Швейцер с соавторами состоит в том, что такие процессы опосредуются посмертным распадом гемоглобина и миоглобина. Железо, входящее в состав порфириновой структуры гема этих белков, находится в восстановленной форме (Fe2+), но после их распада гемовая структура, за счет реакции Фентона39, окисляется до Fe3+ с высвобождением высокореактивных свободных радикалов (активных форм кислорода), среди которых присутствует наиболее агрессивный окислитель — радикал гидроксила. В конечном счете, после реакции перекисей уже с Fe3+, образуются супероксид-радикал и другие активные формы кислорода. Согласно предположению названных исследователей, именно радикалы, генерируемые в результате реакции окисления железа гемоглобина, вносят непосредственный вклад в формирование перекрестных сшивок (cross-link) между липидами клеточных мембран [39, 61]40, а также ковалентных сшивок в молекулах белков (по типу сшивания формальдегидом или глутаровым альдегидом), в особенности коллагена [30, 39, 40, 60, 61]. Внутри- и межмолекулярное сшивание делает подобные молекулы и структуры более устойчивыми к реакциям распада за счет протеолитических ферментов, микроорганизмов и повышает их термостабильность (т.е. устойчивость к процессам термодинамической деградации). Поскольку мягкие ткани и сосуды в костях формируются из белков (в основном коллагена), то, соответственно, сохранность биоструктур также была объяснена воздействием активных форм кислорода [30, 39, 40, 60, 61].

(Впрочем, М. Швейцер с сотрудниками делают оговорку, что одних только опосредованных ионами железа сшивок органических компонентов все же недостаточно для объяснения сохранности мягких тканей в течение геологических периодов времени. Предполагается, что вторая стадия этого процесса — минерализация тканей и клеточных поверхностей через фосфатизацию, сходную с процессом формирования кости, что также стабилизирует биоорганику (см. выше первый абзац в данном разделе) [40, 61].)

Откуда была взята исходно железо-гемоглобиновая гипотеза, долгое время сказать было затруднительно, поскольку в соответствующих публикациях М. Швейцер с соавторами не было ссылок на, так сказать, «аналоги и прототипы». Как в 2006 г. [60] и в 2007 г. [61], так и в одной из публикаций 2013 г. [30]. Но в статью [39] за 2013 г. указанная информация все же была включена. Согласно предположениям иных авторов, сохранность органической фазы в ископаемых формациях [69] и в морских осадках [70] опосредована связыванием с ионами железа (продуктами деятельности микроорганизмов, утилизующих биосубстраты). Сформировавшиеся комплексы с железом способны затем ингибировать дальнейший распад органики под действием, вновь, микроорганизмов.

Следует отметить, что в работе 2001 г. Р. Петровича (Radomir Petrovich, Оклахома) [69] можно найти практически аналогичную построениям М. Швейцер с соавторами гипотезу о механизме сохранности ископаемой органики под действием ионов Fe2+. Напомним, однако, что первые сообщения подобного рода от М. Швейцер с соавторами увидели свет спустя только 5–6 лет — в 2006 и 2007 гг. [60, 61]. Без ссылок на каких-то предшественников, насколько нам известно41.

Следует подчеркнуть, что и в случае «аналогов-прототипов» [69, 70], и в случае работ М. Швейцер с сотрудниками [30, 39, 40, 60, 61], главный упор, судя по всему, был сделан на повышение устойчивости биоорганики к распаду протеолитическими ферментами и микроорганизмами42.


3.2. Попытка экспериментального подтверждения

Спустя семь лет после первоначального формулирования гипотезы [60], в 2013 г., вновь в журнале Королевского общества Великобритании43 М. Швейцер с сотрудниками опубликовали результаты «экспериментального подтверждения» своей гипотезы [30].

1) Было действительно показано, что в деминерализованных образцах кости двух динозавров сосудистые структуры связаны с наночастицами железа. Таким образом, факт комплекса с названным металлом биоорганики в ископаемых костях был налицо, но из этого, понятно, не следовало автоматически, что сохранность белков, из которых состояли те сосуды, сразу возрастает на два-три порядка.

2) Затем авторы провели опыт по инкубации аналогичных сосудистых структур из кости современного страуса в растворе гемоглобина, выделенного из лизата эритроцитов цыпленка (с добавлением туда лизата эритроцитов страуса). В параллельном контроле сосуды страуса инкубировали или в очищенной воде, или в фосфатном буфере (3,75 ммоль/л, pH 7,2). Вначале пробы инкубировали 5 дней при комнатной температуре и в аэробных условиях для моделирования посмертного освобождения в костях железа из гемоглобина. После этого выдерживание сосудистых структур осуществляли как в присутствии кислорода, так и в бескислородной атмосфере (закачивая в пробы аргон). Индикацию состояния препаратов осуществляли под электронным микроскопом, взяв в качестве морфологических реперов толщину сосудистой стенки и некоторые визуально определяемые структуры в сосудах.

Авторы утверждают, что обработанные гемоглобином сосуды из кости страуса оставались практически неизменными после хранения при комнатной температуре в течение 2-х лет, в то время как контрольные препараты были подвержены значительной деградации (в основном микроорганизмами) через три дня. Хотя в самой работе [30] представленные результаты несколько противоречат сделанному заявлению о специфических эффектах именно железа и гемоглобина. Приведенная относительная степень стабилизации для разных условий инкубации имеет следующий вид [26] (Hb — гемоглобин; PBS — фосфатный буфер):
Hb + O2 > Hb – O2 = PBS – O2 >> PBS + O2.
Видно, что по данным самих авторов [30] при отсутствии кислорода никакого эффекта именно Fe2+-гемоглобина по сравнению с буферным раствором нет.

Тем не менее, для М. Швейцер с соавторами гипотеза считается доказанной. Утверждается, что железо и гемоглобин «продлевают жизнь биоструктурам в 240 раз» [30, 40].



4. Научное неправдоподобие железо-гемоглобиновой гипотезы сохранности биоорганики в течение «десятков миллионов лет»

«Виктор Михайлович... из обломков устроил стационарный двигатель, который был очень похож на настоящий, но не работал».

И. Ильф, Е. Петров. «Двенадцать стульев»


4.1. Критерии установления причинно-следственной связи между двумя событиями в естественнонаучных дисциплинах
Биологические зависимости не предопределены строго математически. Множество факторов внутренней и внешней среды в клетке, ткани, организме и популяции делают порой невозможным выведение точных, формализованных математически следствий из той или иной причины или из действия того или иного агента. Биологические закономерности никогда не детерминированы со 100%-й вероятностью; всегда могут быть исключения. Скажем, даже при самой большой дозе повреждающего агента на культуру клеток при тех или иных условиях могут сохраниться живые клеточные единицы [73]. Конечно, их может сохраниться настолько мало, что этой вероятностью в практическом плане пренебрегают. Но где, порой, точные лимиты подобной градации?

В связи с этим, еще в 1965 г. была предложена совокупность из 9-ти критериев установления причинно-следственной связи между двумя событиями для медико-биологических дисциплин. Они называются критериями Хилла — от имени своего основателя, английского автора А. Бредфорда Хилла (Austin Bradford Hill) [74]. Набрав в Google ключевые слова «Критерии Хилла» каждый может убедиться, что это — основа и краеугольный камень доказательной биологии и медицины. Мы же приведем здесь соответствующую информацию из раздела «Методология исследований в медико-биологических дисциплинах» зарубежного академического пособия от 2007 г. «Философия науки» [75].

Применительно к нашей теме, актуальными представляются 6–8-й критерии Хилла об установлении причинной связи между явлениями44:

6-й. Биологическое правдоподобие: существование известного или постулированного механизма, с помощью которого можно, в том числе, объяснить искомую зависимость.

7-й. Согласованность с биологическими закономерностями и данными предыдущих исследований: доказательство должно соответствовать фактам, которые рассматриваются как связанные с ним.

8-й. Экспериментальное подтверждение, которое демонстрирует, могут ли сходные эффекты наблюдаться в контролируемых экспериментах в модельных системах.

Ниже мы рассмотрим, насколько имеется соблюдение данных критериев для гипотезы М. Швейцер с соавторами.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница