В 1999 году, когда я только приступила к работе над диссертацией, я вовсе не собиралась изучать бизонов. Я не думала о бизонах ни тогда, когда впервые робко пробиралась по коридорам отделения зоологии Оксфордского университета, ни тогда, когда отыскала стол, за которым мне предстояло просидеть целых пять лет. В детстве я тоже не особенно интересовалась бизонами я вообще познакомилась с настоящим бизоном только спустя несколько месяцев после того, как начала работать в университете: тогда мини-пилой фирмы «Дремель» я сделала срез бизоньей кости, которой было тридцать тысяч лет (да, это тоже считается). Стыдно признаться, но когда мне пришлось впервые всерьез задуматься о бизонах, то никакой симпатии к ним я не испытывала: мысли мои лихорадочно метались, ибо я судорожно подыскивала формулировку для вежливого отказа моему будущему научному руководителю, предложившему «Не хотите поработать с бизонами?» К счастью для моей карьеры, за этим сразу последовала фраза «Если согласитесь участвовать в этом проекте, поедете в Сибирь». Ну как тут можно было не согласиться?!
То были годы становления отрасли исследований под названием «секвенирование древней ДНК». Появилась же она примерно пятнадцатью годами ранее, когда ученые, работавшие в исследовательской лаборатории Аллана Уилсона при Калифорнийском университете в Беркли, выделили и секвенировали ДНК из маленького фрагмента мышечной ткани из сохранившихся столетних останков квагги вымершего вида зебры. Открытие, что ДНК иногда сохраняется в мертвых организмах, произвело фурор в научных кругах. В лабораториях всего мира создавались тогда рабочие группы, задачей которых было секвенировать ДНК мамонтов, пещерных медведей, моа и неандертальцев. Ученые конкурировали за почетное право первыми опубликовать самую древнюю ДНК и ДНК самого необычного вида, почти не придавая значения тому, была ли подтверждена достоверность наиболее впечатляющих результатов. К середине девяностых в уважаемых научных журналах были уже опубликованы результаты секвенирования ДНК динозавров[3]и ДНК древних насекомых из янтаря. Научный мир затаил дыхание в ожидании сенсаций но тут возникли сложности. Некоторые опубликованные последовательности древних ДНК можно было проверить, однако все самые древние последовательности ДНК оказались ненастоящими. Мало того: большинство (не все!) последовательностей ДНК предположительно старше нескольких сотен тысяч лет, как выяснилось впоследствии, были посторонними примесями иногда от микробов, иногда от людей, иногда от того, что исследователи ели на обед. Для секвенирования древних ДНК настали черные дни.
В 1999 году, когда я пришла в профессию, секвенирование древних ДНК только начало формироваться как серьезная научная дисциплина. Ученые выяснили, что древние ДНК обычно распадаются на крошечные фрагменты, подвергшиеся химическому повреждению, а в ходе экспериментов древние ДНК загрязняются неповрежденными ДНК живых организмов например исследователя, проводящего опыт. В конце девяностых годов несколько институтов и университетов потратили кучу денег на создание исключительно чистых лабораторий для исследований древних ДНК. Руководители этих лабораторий составляли строгие протоколы работы с древними ДНК: требовали проводить эксперименты только в стерильной среде, вымачивать все в отбеливателе (чтобы уничтожить другие ДНК, которые могли исказить результаты), носить стерильные халаты, бахилы, перчатки, шапочки и маски, чтобы не загрязнить древние образцы а также не верить результатам конкурирующих лабораторий. Впрочем, у этих мер был и побочный эффект: уменьшилось количество лабораторий, могущих соревноваться между собой в поисках самой интересной, самой древней ДНК.
Когда я неловкими детскими шажочками притопала в Оксфорд, чтобы погрузиться в секвенирование древней ДНК, я пребывала в блаженном неведении относительно того, какая жестокая конкуренция существует в этой научной области. Тамошняя лаборатория тогда лишь создавалась. Алан Купер, ее руководитель и мой будущий босс, только что вернулся из Беркли, где вместе с другими первопроходцами в исследовании древней ДНК обучался в группе Аллана Уилсона. Алан организовал стерильное помещение в Музее естественной истории при Оксфордском университете и пригласил Иэна Барнса в качестве постдока[4]. Когда я согласилась к ним присоединиться, нас стало трое.
Казалось бы, в относительно новой области исследований, которыми занимались лишь несколько лабораторий, я должна была располагать обширным выбором тем для изучения. Но вскоре выяснилось, что в секвенировании древней ДНК дело обстояло иначе. К 1999 году все таксономические категории были распределены между лабораториями, и самые любопытные хищники, древние люди и тому подобное, что могло бы пробудить интерес редакторов научных журналов и журналистов-популяризаторов, уже успели расхватать. Сванте Паабо (тоже из группы Аллана Уилсона) и Хендрик Пойнар, оба из недавно организованного Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка в Лейпциге, забрали себе мамонтов, гигантских ленивцев мегатериев, людей и неандертальцев. Боб Уэйн из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе взялся за собак, волков и лошадей. Росс Макфи из Американского музея естественной истории за овцебыков. Ну, а Алану достались медведи и кошки, которых затем отхватил себе Иэн, и еще бизоны, которые, похоже, никого особо не интересовали.
Меня же древняя ДНК манила в любом виде. Во время летней полевой практики по геологии в колледже я была просто поражена тем, как земные процессы формируют живые системы, и не могла без волнения смотреть на шрамы на поверхности земли, до сих пор заметные там, где надвигались и отступали исполинские ледники в эпоху плейстоцена, этот геологический период занял основную часть последних нескольких миллионов лет. Я представляла себе, как наползавший ледник каждый раз перезагружал все живое на своем пути: одни виды из-за него вымирали, другие объединялись в новые сочетания, и все это давало возможности для эволюции. Последний ледниковый период совпал еще и с первым массированным нашествием людей в Северную Америку, которое, так сказать, подлило масла в тлеющее пламя биологического переворота, усугубленного отступлением ледника, очень похоже на тлеющее пламя биологического переворота наших дней. В сущности, я выбрала Оксфорд именно для того, чтобы исследовать эту связь прошлого и настоящего и в дополнение к моей подготовке по геологии и экологии изучать палеонтологию и эволюционную биологию (Оксфорд славится сильным преподаванием этих дисциплин). До знакомства с Аланом я не слышала о секвенировании древних ДНК, но мне сразу стало очевидно, как много эта дисциплина даст для выявления влияния недавних ледниковых периодов на эволюцию жизни на Земле. Если я научусь выделять и анализировать древние ДНК, то смогу проследить эволюционные перемены, записанные в ДНК в периоды прошлых биологических переворотов. Я смогу усвоить уроки прошлого, необходимые для защиты современных видов и экосистем. Да, признаюсь, меня слегка опьянял энтузиазм, но это и понятно: ведь древние ДНК это так круто.
Впрочем, одного энтузиазма оказалось недостаточно. У меня был нулевой опыт в молекулярной биологии. Я ни разу в жизни не работала с пипеточным дозатором и не выделяла ДНК. Я не представляла себе, какие именно фрагменты ДНК стоит исследовать. Не знала, где и как добывать ископаемые, из которых можно выделить ДНК. И абсолютно ничего не знала о бизонах.
Не собираясь сдаваться, я решила начать с библиотеки. Принесла страшную клятву не пить чай в читальном зале и беречь книги от огня (без этого мне не выдали бы читательский билет библиотеки Оксфордского университета) и принялась изучать бизонов. Книг по этой теме оказалось на удивление много, причем некоторые до меня явно никто даже не открывал. Несколько недель я провела в холодной и сырой полутьме библиотечного подвала, с трудом справляясь с невероятно сильным искушением согреться горячим чаем или поджечь книги и набираясь знаний о бизонах, которые оказались гораздо интереснее, чем я думала.
Что такое бизоны?
Животные, которые на языке лакота называются «татанка» или «пте», а на языке дене «тлёкьере» и у которых есть множество других имен в языках тех, кто прожил бок о бок с ними много тысяч лет, первое свое английское название получили в XVI веке от европейцев, наименовавших их «буффало». Сегодня слово «буффало» вызывает ассоциации с чем-то грозным и невозмутимым весьма подходящие характеристики для этих гигантских своевольных зверей. Однако в XVI веке оно напоминало о толстом кожаном камзоле буффе, для которого, по мнению колонистов, очень годилась бизонья шкура. Но мало того, что зверя нарекли в честь верхней одежды, слово «буффало» даже не было названием конкретного вида: европейцы называли так всех новых (для них) животных, в которых видели потенциальные куртку или штаны. Переизбыток буффало оказался проблемой и вызвал ожесточенные баталии среди европейских систематиков, поскольку их профессия требует тщательности и осмотрительности во всем, что касается названий. К середине XVIII века в спорах за таксономические приоритеты засквозил здравый смысл и количество буффало снизилось до трех: североамериканский буффало, африканский буффало и азиатский буффало. Затем, в 1758 году, Карл Линней официально назвал американского буффало Bison bison, и систематики дружно вздохнули с облегчением. Отныне, объявили они, американский буффе будет именоваться бизоном. И время от времени мы так их и называем.
Бизоны в Северной Америке, можно сказать, новички. Если мамонты и лошади были частью североамериканской фауны миллионы лет, то бизоны, возникшие в ходе эволюции в Азии около двух миллионов лет назад, появились в местной палеонтологической летописи относительно недавно. Они пришли в Северную Америку через Берингов перешеек, названный в честь Берингова моря (которое теперь его затопило), а море, в свою очередь, получило название в честь Витуса Ионассена Беринга, датского первопроходца и картографа, который впоследствии, спустя сотни тысяч лет, прошел тем же маршрутом на корабле.
Палеонтологи XIX и начала XX века не знали точно, когда именно бизоны пересекли Берингов перешеек, но кое-какими данными они все же располагали. Например, ученые знали, что пройти по перешейку можно было только в самые холодные периоды плейстоцена, когда уровень моря опускался ниже нынешнего, поскольку почти вся пресная вода на планете замерзала. Обнажившийся Берингов перешеек представлял собой сплошной коридор свободной от ледников земли, где животные могли свободно перемещаться. По Берингову перешейку переходили и в дальнейшем рассеивались по континентам мамонты, львы, лошади, бизоны, медведи и даже люди правда, не одновременно и не в одном и том же направлении. Поскольку перешеек поднимался над водой лишь иногда, палеонтологи знали, что бизоны пришли в Северную Америку во время холодной стадии, причем сравнительно недавно. Большинство бизоньих костей, найденных на Северо-Американском континенте, не успели минерализоваться, а значит, они, скорее всего, были не слишком древними. Однако некоторые из них, найденные в зонах более теплого климата, где минерализация происходит быстрее, оказались частично минерализованы, что не могло не сбивать с толку. Палеонтологам требовался надежный способ измерения возраста бизоньих остатков, и в пятидесятые годы прошлого столетия он наконец появился: именно тогда зародилась новая технология радиоуглеродный анализ.
Радиоуглеродный анализ показывает, давно ли умер тот или иной организм. Эта технология опирается на то, что организмы в процессе роста поглощают из атмосферы углекислый газ и применяют его как строительный материал для создания костей, листьев и прочих своих частей. Точнее, они поглощают два разных изотопа углерода стабильный углерод-12 и углерод-14, радиоактивный изотоп, который получается, когда космическое излучение бомбардирует верхние слои земной атмосферы. Углерод-14 нестабилен и распадается на углерод-12 с периодом полураспада 5730 лет. После смерти организм перестает поглощать углерод из атмосферы, однако углерод-14 в биологических остатках продолжает распадаться на углерод-12. А значит, отношение углерода-14 к углероду-12 будет с течением времени сокращаться с известной скоростью. Измерив это отношение, мы узнаем, сколько лет прошло с тех пор, как организм перестал поглощать новый углерод-14. Это скажет нам, когда организм умер, а следовательно, сколько лет ископаемой находке.
Хотя радиоуглеродный анализ и произвел революцию в палеонтологии, у этого метода есть свои ограничения. Главное из них радиоуглеродный анализ можно применять только для изучения возраста относительно молодых древних остатков. Где-то через пятьдесят тысяч лет углерода-14 остается настолько мало, что точное измерение становится невозможным и метод лишь покажет, что находка старше этой величины.
Когда радиоуглеродный анализ применили для оценки возраста старейших бизоньих костей в Северной Америке, большинство их оказалось моложе пятидесяти тысяч лет, однако нашлись и настолько древние, что датировке они не поддавались. Следовательно, бизоны пришли в Северную Америку больше пятидесяти тысяч лет назад. Такое положение вещей сохранялось примерно полвека, пока ответ на загадку не дало секвенирование древней ДНК а помог в этом вулкан.
В 2013 году Берто Рейес, геолог из Университета провинции Альберта, работая на дальнем севере канадской территории Юкон, нашел замерзшую бизонью ногу, торчавшую из такого же замерзшего утеса. Утес был частью Чьиджи-Блафф, геологического обнажения возле уединенного поселения Олд-Кроу. Кость находилась чуть выше толстого покрывала вулканического пепла так называемой тефры Олд-Кроу в отчетливо выделявшемся слое темно-коричневой почвы, который был набит ветками, корнями и другим органическим мусором: именно такие отложения образуются во времена потепления между ледниковыми периодами. Над толстым темным слоем, куда вклинилась кость, лежал мелкозернистый серый слой: подобные отложения накапливаются в ледниковые периоды. Поскольку на образование геологических слоев нужно много времени, Берто заключил, что кость принадлежала животному, жившему в теплый период, предшествовавший ледниковому. Это подсказало ему возраст бизоньей ноги. Однако на протяжении плейстоцена сменилось целых двадцать ледниковых периодов с потеплениями между ними так как же узнать, к какому именно потеплению принадлежит находка Берто?
Вот тут-то и помог вулкан.
При извержении вулкана в верхние слои атмосферы выбрасываются в виде пепла мелкие осколки камней, стекла и кристаллов. Воздушные течения подхватывают этот пепел и уносят прочь от вулкана, иногда на тысячи километров. В конце концов пепел оседает на землю и покрывает ее, словно снег, слоем толщиной от микроскопических величин до нескольких метров. После этого пепел постепенно размывается дождями, разлетается по ветру, скрывается под слоями других отложений и подвергается воздействию прочих естественных процессов. Проходят тысячелетия, и накопившиеся слои почвы прорезает река, отчего обнажается стена ущелья, на которой между полосами обычного грунта виднеется словно бы случайно попавшее туда белое одеяло. Это белое одеяло и есть пепел и метка времени: все, что ниже слоя пепла вся почва, все кости, деревья и прочий органический материал, попало туда до извержения вулкана, а все, что выше наслоилось после.