Где бы мы ни оказались, нас повсюду окружает пыль — домашняя, уличная, природная. Такие незначительные на первый взгляд частицы с точки зрения науки скрывают много интересного. Например, дома в одном фрагменте пыли можно найти омертвевшие клетки кожи, насекомых, пыльцу растений и огромный микробиом. Как по ним ученые исследуют древнюю и современную ДНК? Что такое лёссы? И сколько микрометеоритов падают на дачные участки? Разбираемся в нашем материале.
«Генетика без костей»
Для начала разберемся, что такое пыль? В широком смысле, это сложная мелкодисперсная смесь органических и неорганических частиц (англ. particulate matter, PM). В зависимости от их размера, различают несколько видов пыли. Например, PM10 — частицы размером 10 микрометров или меньше (1 микрометр равен 0,001 миллиметров), а также PM2.5 — частицы размером 2,5 микрометров и менее.
Такие частицы — довольно распространенный загрязнитель атмосферного воздуха. Согласно международным исследованиям, пыль, относящаяся к категории РМ2.5, негативно влияет на здоровье человека. Проникая глубоко в легкие, она повышает риск респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний.
Например, в современной археологии и палеогенетике пыль, или осадочные породы, из пещер и культурных слоев произвели настоящую революцию. Почему? Раньше ученые могли воспроизвести портрет древнего человека только по костям и зубам, сохранившимся в раскопе. Сегодня для этого достаточно экологической ДНК (eDNA)*. По ней исследователи могут понять, кто здесь жил, даже если других фрагментов и артефактов не сохранилось.
«Я называю такой вид исследований „генетикой без костей“. Организмы постоянно оставляют в окружающей среде следы своей жизнедеятельности. По сути, экологическая ДНК — это настоящий слепок экосистемы конкретного места в конкретный момент времени. Минералы в пещерной пыли (особенно глина) связывают эти обрывки ДНК, защищая их от полного распада», — рассказывает научный сотрудник Южного научного центра РАН, кандидат биологических наук Ольга Арамова.
По ДНК, найденной в одном грамме древней пыли, можно узнать видовую принадлежность, пол, индивидуальные генетические признаки людей. По молекулам крупных и мелких млекопитающих — реконструировать рацион древних жителей и фаунистический состав региона. Иногда в культурном слое сохраняются молекулы почвенных бактерий и микроорганизмов, связанных с деятельностью человека.
«Мы не просто можем определить, что ели древние люди, а конкретные виды злаков и трав, преобладавших в рационе. Пыль хранит и то, чем болели люди и когда к их кострам пришли первые волки. В почвенных слоях находят ДНК патогенов, а по наличию специфической ДНК псовых в жилых слоях пещер исследователи уточнили сроки одомашнивания волков», — говорит эксперт.
«Винегрет» из ДНК
Благодаря таким исследованиям несколько лет назад из знаменитой Денисовой пещеры на Алтае, где не нашли ни одной человеческой кости, ученые смогли выделить и расшифровать ядерную ДНК неандертальцев и денисовцев, обитавших там сотни тысяч лет назад. В другом прорывном исследовании международная группа ученых обнаружила в отложениях Гренландии экологическую ДНК возрастом около двух миллионов лет. До этого считалось, что срок годности таких молекул в вечной мерзлоте может составлять не более одного миллиона лет.
Используя технологии NGS (секвенирование нового поколения), расшифровывают фрагменты ДНК и получают огромный текстовый файл. Секвенатор выдает «винегрет» из ДНК — гены бактерий, мамонта, сосны и неандертальца. На этом этапе возникает сложная задача: отыскать среди терабайтов генетического мусора крупицы ценных молекул.
Разделить их помогает искусственный интеллект. Алгоритмы на базе машинного обучения мгновенно сверяют миллионы коротких фрагментов с эталонными базами данных живых существ. В том числе помогают отличить древние молекулы от современных.
«Во-первых, древняя ДНК всегда сильно фрагментирована. Во-вторых, со временем на концах молекул ДНК происходит особая химическая реакция: дезаминирование цитозина. Цитозин (Ц) превращается в урацил (У), который при секвенировании читается как тимин (Т). Компьютерные алгоритмы ищут этот характерный паттерн старения на концах фрагментов. Если он есть, значит ДНК древняя. Если молекулы длинные и целые — это ДНК археолога, который случайно чихнул на раскопе», — объясняет специалист.
«Пылевые» методы активно набирают популярность в криминалистике. Специалистам больше не нужны отпечатки пальцев или капли крови. Достаточно собрать пыль с плинтусов или извлечь частицы из кондиционерных фильтров. Если человек находился в помещении хотя бы 15 — 20 минут, его генетический автограф оседает в воздухе и на поверхностях, сохраняясь там месяцами. Так пыль становится немым свидетелем, позволяющим реконструировать события прошлого — как в масштабе тысячелетий, так и в пределах недавнего преступления.
Летопись природных ландшафтов
В геологии пыль тоже является важным объектом для исследований. Только здесь ученых интересуют частицы, образованные без вмешательства человека: вулканические, минеральные (геологические), морские (аэрозоли), органические (пыльца, споры), космические. Изучая их состав, ученые могут определить, как менялся климат в прошлом, восстановить облик древних ландшафтов.
Распространяясь на тысячи километров, пепловые частицы оседают в различных отложениях и образуют так называемые прослои — тефры. Определив их химический состав, ученые могут понять, из какого вулкана пришла пыль (поскольку у каждой вулканической постройки свой уникальный геохимический «паспорт»), и связать возраст прослоя с датой извержения.
Отдельная область исследований — изучение магнитных частиц в составе минеральной пыли. Измеряя их ориентацию в пространстве с помощью современных приборов, геологи определяют направление ветров в момент осаждения этих частиц из воздуха.
«По космической пыли на дне морей и океанов можно узнать, каким было магнитное поле Земли в момент их падения. Условно говоря, попадая в толщу породы, эти космические магнитные частицы ориентируются по направлению магнитного поля как компас и в таком виде „запечатываются“ в осадке», — рассказывает специалист.
Климатический архив
Еще один вид пыли, представляющий интерес для геологов — так называемые лёссы. Это горная порода состоит в основном из минеральной пыли, перенесенной ветрами в естественные «ловушки». Чаще всего она встречается в умеренных широтах, в том числе в странах Средней Азии. Лёссовые толщи переслаиваются с погребенными почвами, отражая климатические изменения.
Главная особенность лёссов в том, что они формировались исключительно на протяжении четвертичного периода — геологической эпохи, наступившей около 2,6 миллионов лет назад и которая продолжается по сей день.
Сопоставляя лёссово-почвенные отложения с другими климатическими архивами, ученые оценивают возраст их накопления. Результаты подтверждают абсолютными геохронологическими методами. Например, с помощью люминесцентного датирования. Дело в том, что у любой горной породы есть естественный радиоактивный фон и дефекты в кристаллической решетке минералов. Эти дефекты работают как ловушки возбужденных электронов, получивших энергию от ионизирующего излучения радиации. По таким «батарейкам» можно определить возраст горных пород: чем больше энергии накопилось, тем ярче свечение частиц и тем древнее материал. Однако, попадая на свет, эти «аккумуляторы» обнуляются. Поэтому легко извлечь образцы при дневном освещении не получится.
«Конечно, можно прийти ночью на место отбора проб с красными фонариками, очистить стенку, добраться до материала, который не облучается светом, и сложить образцы в светонепроницаемые пакеты. Но иногда отложения вскрываются крутыми вертикальными траншеями. Взбираться по ним в темное время суток небезопасно», — комментирует эксперт.
Более удобный способ: отбирать горные породы, вбивая в них непрозрачные трубы. Так образцы, попадающие в центральную часть конструкции, не контактируют со светом. Собранные материалы исследуют в специальных комнатах с красным освещением, напоминающие фотолаборатории.
Часто в разновозрастных погребенных почвах лёссово-почвенных отложений находят древние каменные орудия, отщепы или необработанные гальки, оставленными людьми. Для таких артефактов существует археологический термин — лёссовый палеолит. Эти находки говорят о многократном пребывании древних людей на территории, между этапами которого могли пройти десятки и даже сотни тысяч лет.
«Одним из таких регионов является Южный Таджикистан. Изучение находящихся там лёссово-почвенных отложений позволяет ответить на фундаментальные вопросы: когда древние представители рода Homo пришли в Центральную Азию и какой был климат в то время. В ходе одного из таких исследований геологам удалось определить возраст находок», — рассказывает Екатерина Кулакова.
Космический след
По современным научным данным, в атмосферу нашей планеты попадает примерно 15 000 тонн космической пыли в год. Это микрометеориты диаметром от примерно 30 микрон до нескольких миллиметров, а также более мелкие пылинки, которые называют межпланетными пылевыми частицами (англ. Interplanetary Dust Particles, IDP).
Их источником принято считать пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера, в котором объекты сталкиваются и дробятся, образуя пыль. Также, некоторые частицы происходят из каменной фракции ледяных ядер комет, выброшенных при их прохождении вблизи Солнца. Эта пыль формирует зодиакальное облако*.
Несмотря на внушительные объемы космической пыли, до поверхности Земли долетает лишь 10 — 20% от общей массы. Большинство микрометеоритов из-за атмосферного трения плавятся, выпадая в виде космических шариков, или полностью испаряются.
Другие частицы, которые не так сильно нагреваются, осаждаются как шлаковидные, содержащие реликтовые тугоплавкие зерна и непереплавленные микрометеориты. Эти материалы — наиболее ценный объект для изучения: в отличие от космических шариков, их минеральный и химический состав не модифицирован плавлением и испарением.
Поэтому искать космическую пыль удобнее всего на ледниках Антарктиды, Гренландии и Новой Земли, где воздух и снег остаются одними из самых чистых на планете. Внеземной материал извлекают из криоконита — частиц на поверхности ледника, состоящих из горных пород и цианобактерий.
«Поскольку источники космической пыли весьма разнообразны, мы можем исследовать вещество, не присутствующее среди известных метеоритов и, соответственно, получать новую информацию. С другой стороны, есть существенное ограничение: малые размеры микрометеоритов затрудняют воссоздание исходной породы», — говорит кандидат геолого-минералогических наук Дмитрий Бадюков.
Хотя особого практического применения метеориты и космическая пыль пока не находят, с их помощью можно воссоздать ранние этапы эволюции Солнечной системы. В последнее время эта область развивающейся науки приносит новые результаты, которые имеют важное фундаментальное значение, подчеркивает эксперт.
«В лаборатории метеоритики и космохимии ГЕОХИ РАН исследуются микрометеориты, собранные на ледниковом щите Новой Земли. Основное преимущество этой коллекции — изобилие материала по сравнению с антарктическими коллекциями. Мы изучаем редкие и уникальные типы непереплавленных микрометеоритов, то есть не испытавших изменений при пролете через атмосферу. Естественно, в нашем распоряжении должно находиться весьма большое количество материала», — рассказывает специалист.
Чтобы узнать, из чего состоят такие частицы и какую ценность представляют для исследователей, не обязательно отправляться в далекие экспедиции. Ознакомиться с необычными образцами можно в Музее внеземного вещества ГЕОХИ РАН или в Минералогичесом музее имени А. Е. Ферсмана РАН. О лёссах и других видах осадочных горных пород расскажут в Государственном геологическом музее имени В. И. Вернадского РАН. Прогуливаясь по этим музеям, можно узнать, чем отличается космическая пыль от минеральной и как в науке такие частицы становятся источником важных открытий.
Анна Шиховец
