Квантовая запутанность на фото
Физики Университета Глазго во главе с Полем-Антуаном Моро (Paul-Antoine Moreau) впервые в истории сфотографировали пару фотонов в состоянии квантовой запутанности. Напомним, что в квантовом мире состояние частицы описывается волновой функцией, задающей вероятности, с которыми частица имеет то или иное значение каждой своей характеристики. При этом сам квантовый объект находится во всех возможных состояниях сразу (это называют суперпозицией состояний). Когда же исследователь измеряет значение характеристики, происходит «коллапс волновой функции», неопределенность исчезает.
Если в ходе какого-то процесса рождается пара частиц, законы сохранения требуют, чтобы они имели определённые характеристики. Например, из двух возникших фотонов один должен иметь спиральность +1, а другой –1. Но, как уже говорилось, до того как наблюдатель измерит спиральность фотона, тот находится в состоянии суперпозиции. И вот мы узнаём, что спиральность одного фотона положительна. Тут же у другого фотона, как бы далеко он ни находился, спиральность оказывается отрицательной. Получается, что между частицами происходит взаимодействие, причём это взаимодействие распространяется с огромной скоростью (потенциально — с бесконечной скоростью, если нам удастся разнести эти фотоны на бесконечное расстояние). Такая зависимость квантовых состояний называется «квантовой запутанностью» (более точным термином было бы «квантовая сцепленность» или «квантовая зацепленность»). Квантово запутанных частиц может быть не две, а больше, и характеристики их могут быть не двузначными, мы лишь рассмотрели самый простой пример.
Многие считали все рассуждения о вероятностной природе квантовых явлений лишь метафорой, облегчающей понимание. Эйнштейн отозвался об идее суперпозиции состояний знаменитой фразой «Бог не играет в кости», а квантовую запутанность в письме к физику Борну иронически назвал «жутким дальнодействием». Предполагали, что сами фотоны изначально «знают» свои характеристики, просто мы не можем их определить до измерения. Развитие физики показало, что это не так и что за парадоксальными построениями теоретиков стоит реальность.
Британец Джон Белл, работавший в ЦЕРНе, опубликовал в 1964 году статью, из которой следовала возможность экспериментально проверить, когда определяются характеристики квантово запутанных частиц: в момент их рождения или в тот момент, когда эта характеристика измерена. Статистические результаты эксперимента (так называемые «неравенства Белла») должны были отличаться в зависимости от того, какой из этих вариантов соответствует действительности. Такую проверку впервые провели в 1972 году Джон Клаузер и Стюарт Фридман, в 1981 другой эксперимент осуществил Ален Аспэ. В обоих случаях оказалось, что квантовая запутанность реально существует и характеристика пары запутанных частиц неопределённа до её измерения у одной из частиц. В частности, в эксперименте Аспэ общая спиральность фотонов была равна нулю, но у какого из фотонов спиральность +1, а у какого –1, определялось лишь в момент измерения. До этого момента каждый фотон находился в суперпозиции двух состояний. За последние несколько лет физикам удалось создать пары и группы квантово запутанных частиц, разнесённые уже более чем на сотню километров. Квантовая запутанность уже нашла практическое применение в квантовых вычислениях и криптографии.
Авторы нынешней работы разделили поток квантово запутанных фотонов так, чтобы один фотон из пары напрямую попадал на детектор, а второй предварительно проходил через специальный фильтр из жидкокристаллического бета-бората бария (β-BaB2O4), который менял фазу фотонов. Камера, способная снимать отдельные фотоны, фиксировала оба фотона из пары в одной и той же фазе, хотя через фильтр проходил только один из них.
Черная дыра
Еще одна фотография, но на этот раз объекта макромира. Международный проект «Телескоп горизонта событий» продемонстрировал первое в истории прямое изображение черной дыры.
До сих пор исследователи могли изучать черные дыры по косвенным признакам — например, наблюдая за поведением объектов (звезд, облаков газа) в их окрестностях. Такие наблюдения позволяют с довольно высокой точностью определить массу черной дыры. Хорошо знакомая астрономам сверхмассивная черная дыра находится в центре эллиптической галактики M87 в созвездии Девы. Ее масса составляет около 6,5 миллиарда масс Солнца, а расстояние от Солнечной системы — примерно 55 миллионов световых лет. Диск из ионизированного газа вокруг этой черной дыры вращается со скоростью около 1000 километров в секунду, а его диаметр равен примерно 0,39 световых лет.
Именно галактика M87 была выбрана для получения первого в истории науки изображения черной дыры. Конечно, не может быть и речи о том, чтобы объект, пусть и колоссально яркий, но находящийся в другой галактике за десятки миллиардов световых лет от нас, можно было увидеть в оптический телескоп. Черную дыру собирались рассматривать в радиодиапазоне.
Для решения этой задачи был создан радиоинтерферометр «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT), то есть несколько радиотелескопов в разных точках Земли (Чили, Гавайи, Испания, Мексика, Аризона, Антарктида), работающих в синхронном режиме. Интерферометр работал на частоте 1,3 мм и достиг углового разрешения 20 миллисекунд. Чтобы наглядно продемонстрировать эту величину, ученые говорят, что в оптическом диапазоне такое разрешение позволило бы читать нью-йоркскую газету из парижского кафе.
При работе восьми радиотелескопов в режиме гигантского интерферометра необходимо с большой точностью синхронизировать данные, полученные каждым из них. Для этого были использованы атомные часы (водородный мазер). В ходе наблюдательной кампании 2017 года каждый радиотелескоп в день получал 350 терабайт данных. Они записывались на специальные жесткие диски и отправлялись в Институт радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне и Обсерваторию Хэйстек (Массачусетский технологический институт), где находятся корреляторы — специальные суперкомпьютеры, которые обрабатывали полученные сигналы и в конечном итоге преобразовывали их в изображение.
«Когда черная дыра погружена в яркий диск светящегося газа, там должна образоваться темная область, напоминающая тень. Это явление, предсказываемое общей теорией относительности Эйнштейна, никогда раньше не наблюдалось, — рассказал глава Научного совета EHT Хейно Фальке (Heino Falcke) из университета Рэдбуд в Нидерландах. — Эта "тень", образующаяся вследствие гравитационного искривления света и его захвата горизонтом событий, многое говорит о природе этих удивительных объектов. Именно она и позволила нам измерить гигантскую массу черной дыры в M87». Граница самой черной дыры — так называемый «горизонт событий» — примерно в 2,5 раза меньше тени. В черной дыре галактики M87 он имеет диаметр чуть около 40 миллиардов километров. Из-за огромного расстояния, отделяющего наблюдателей от черной дыры, видимый размер тени черной дыры M87 составляет всего 42 угловых микросекунды (тут ученые вновь прибегли к наглядным сравнениям, сопоставив это с видимым размером кредитной карты, лежащей на поверхности Луны).
Бластоид из одной клетки
Среди нескольких достижений в области биологии развития мы выбрали работу ученых из Испании, Китая и США, которым удалось вырастить в клеточной культуре так называемый «бластоид» — структуру, напоминающую бластоцисту, одну из ранних стадий развития зародыша. Источником для бластоида послужила всего лишь одна стволовая клетка.
Развитие эмбриона до момента прикрепления к стенке матки вызывает большой интерес ученых, но изучение этого процесса на молекулярном уровне сталкивается с трудностями. В частности, не удается создавать жизнеспособные аналоги ранних стадий развития эмбриона in vitro, которые могли бы стать хорошим объектом для изучения идущих в ходе развития молекулярно-генетических процессов.
При обычном развитии эмбриона млекопитающих оплодотворенная яйцеклетка многократно делится, образуя эмбриональные стволовые клетки. Спустя некоторое время, когда наступает стадия бластоцисты, в составе эмбриона выделяются две группы клеток. Одна из них (эмбриобласт) образована клетками, которые в будущем образуют тело нового живого существа, другая (трофобласт) даст начало плаценте. На стадии бластоцисты эмбрион имеет вид полого шарика (у человека его диаметр равен примерно 0,1 миллиметра). Оболочку этого шарика образуют клетки трофобласта, а клетки эмбриобласта скапливаются внутри, возле одного из его полюсов.
В предыдущих попытках вырастить искусственный эмбрион, не прибегая к искусственному оплодотворению или клонированию, использовались только стволовые клетки эмбриобласта. В результате не удавалось получить структуру, хотя бы отчасти напоминающую эмбрион на ранней стадии развития, так как в этот период требуется, чтобы разные типы клеток координировали тесное взаимодействие друг с другом. Большим прорывом в 2017 году стала работа исследователей из Кембриджского университета, которые использовали не только стволовые клетки эмбриобласта, но и трофобластные стволовые клетки (их также называют экстраэмбриональными стволовыми клетками), а также внеклеточный матрикс, который должен был обеспечить трехмерную структуру эмбриона.
В нынешней работе удалось продвинуться дальше благодаря использованию так называемых «расширенных плюрипотентных стволовых клеток» (extended pluripotent stem cells, EPS-клетки). Если обычные стволовые клетки, взятые у эмбриона, могут дать начало разным типам эмбриональных клеток, но не могут дифференцироваться в клетки трофобласта, то эти клетки способны переходить как в клетки эмбриобласта, так и в клетки трофобласта. Чтобы наделить их такой способностью, на клетки во время культивирования воздействуют рядом веществ. Научились создавать EPS-клетки мышей в 2017 году.
Чтобы вырастить из EPS-клеток бластоид — подобие бластоцисты, на них воздействовали веществами, которые направляют развитие стволовых клеток как в сторону эмбриобласта, так и в сторону трофобласта. При этом для развития клеткам была создана среда, в которой они могут организовываться в трехмерные структуры. В итоге бластоиды возникали из EPS-клеток, но не из простых эмбриональных стволовых клеток.
Отдельной задачей было вырастить бластоид из одной клетки. Просто так из одиночной клетки развитие бластоида не шло. Тогда ученые взяли EPS-клетку, наделенную геном устойчивости к антибиотику пуромицину, вместе с другими клетками, не имевшими такого гена. После первых стадий развития этих клеток культуру обрабатывали пуромицином и неустойчивые клетки гибли. Поэтому все клетки формирующегося бластоида были потомками одной EPS-клетки. Правда, из одиночной клетки бластоид возникал только в 2,7 % случаев.
Еще один эксперимент состоял в том, чтобы выращивать бластоид не просто из мышиной EPS-клетки, а из клетки, которая изначально не была стволовой. В этом случае брался фибробласт (один из типов клеток соединительной ткани) взрослой мыши. Из фибробласта делалась индуцированная плюрипотентная стволовая клетка (о том, как это делается, можно прочитать в отдельном очерке), из этой клетки — EPS-клетка, а потом уже из нее выращивался бластоид. Этот путь тоже удалось удачно завершить.
Получающиеся в таких случаях бластоиды были пусть и не идентичны природным бластоцистам, но обладали многими их свойствами. К пятому дню роста бластоиды выглядели аналогично бластоцистам в возрасте четырех с половиной дней. Они представляли собой полый шарик из клеток, внутри которого была отдельная группа клеток. К пятому или шестому дню бластоиды содержали клетки, сходные со всеми тремя клеточными линиями, имеющимися в бластоцистах. Наличие различных типов клеток в бластоиде было определено по транскриционной активности их генов, которая соответствовала ожиданиям. При развитии бластоидов in vitro повторялись характерные этапы преимплантационного и раннего постимплантационного развития бластоцист.
Некоторые бластоиды (примерно 7 %) после переноса в матку мыши успешно имплантировались и продолжали развитие около недели. В них выделялись клетки децидуальной ткани, из которой впоследствии образуется плацента. Однако ткани в этих бластоидах были деформированы, а развитие шло медленнее по сравнению с обычными бластоцистами. Смогут ли когда-нибудь бластоиды мыши, полученные новым методом, развиться в здоровых взрослых мышей, неясно, но пока исследователи и не ставили перед собой такой задачи.
Асгард в лаборатории
Японские микробиологи под руководством Хироюки Имати (Hiroyuki Imachi) и Кена Такаи (Ken Takai) сумели вырастить в лабораторных условиях архей из группы Asgard, которые, как предполагают многие биологи, наиболее близки к предкам всех организмов, имеющих клеточные ядра. Статья с описанием полученных результатов ещё не опубликована в научном журнале, но ознакомившиеся с ней рецензенты уже публично назвали её «статьей года» и сравнили важность этого исследования для микробиологии с посадкой на Луну для космонавтики.
Около двух миллиардов лет назад в ходе эволюции произошло событие огромной важности. Если раньше на Земле существовали только прокариоты — организмы без клеточного ядра, то теперь возникли более совершенные эукариоты. Они были тоже одноклеточными, но внутри их клеток имелись ядра. Другое отличие эукариот состоит в появлении у них митохондрий — особых клеточных органов, служащих для производства энергии. Сейчас уже точно установлено, что митохондрии когда-то были самостоятельными бактериями, поглощёнными эукариотической клеткой.
Эукариоты стали бурно развиваться, и теперь к числу их потомков относятся грибы, растения и животные. Все эти два миллиарда лет продолжают существовать и прокариоты. Они разделяются на две большие группы — бактерии и археи. Археи, по данным молекулярной генетики, ближе к эукариотам, чем бактерии, предполагается, что именно археи сумели обзавестись ядром и митохондриями, дав начало эукариотам. Но детали этого события не ясны. В частности, учёные хотят установить, разделились ли археи и эукариоты на раннем этапе и развивались уже независимо («теория трёх доменов») или же отделение эукариот произошло позже, в процессе эволюции архей.
В 2015 году появилась надежда разобраться с деталями происхождения эукариот от архей. В рамках проекта по поиску новых видов архей биолог Тайс Эттема (Thijs Ettema) из Упсальского университета и его коллеги проанализировали 10 граммов осадка, поднятого со дна в северной части Атлантики возле подводных вулканов, известных под названием «Замок Локи». Они обнаружили, что там присутствуют последовательности генов, которые указывают на наличие неизвестных микроорганизмов. Хотя исследователи смогли выделить только несколько нанограмм разрушенной ДНК, они при помощи методов метагеномики собрали воедино эти фрагменты и восстановили частичные геномы трёх новых архей. Учёные не смогли выделить живые или мёртвые организмы, но ДНК рассказала о них достаточно много.
Новые археи получили неофициальное название Lokiarchaeota, или кратко Локи, в честь скандинавского бога. Гены, кодирующие белок актин, который нужен для создания цитоскелета, у Локи оказались гораздо ближе к эукариотическим генам, чем аналогичные гены у прочих архей. Также у Локи обнаружили гены малых ГТФаз — ферментов, играющих роль в образовании цитоскелета и функционировании везикулярного транспорта в клетке. Ещё у Локи имеются несколько генов белкового комплекса ESCRT, который у эукариот занят сгибанием и разрезанием мембран при клеточном делении и образовании везикул. Все эти данные позволяли судить, что «теория трёх доменов» неверна и что эукариоты возникли среди архей, а Локи — максимально близко к их предку.
Учёные очень хотели познакомиться с археями Локи непосредственно, но не могли обнаружить их клетки. Однако в последующие годы нашли следы ДНК родственников Локи. В 2016 году команда учёных во главе с представителями Техасского университета выделила из образцов, взятых в реке Уайт-Оук (Северная Каролина), геном архей Thorarchaeota, названных в честь бога Тора. В 2017 году вышло масштабное исследование, в котором на основе образцов из «Замка Локи», эстуария реки Уайт-Оук, водоносных горизонтов у реки Колорадо и геотермальных источников в Новой Зеландии и Японии были выявлены ещё две группы архей, родственных археям Локи. Им дали названия в честь богов Одина и Хеймдалля — Odinarchaeota и Heimdallarchaeota, а вся группа архей тогда же получила название Асгард — по городу богов. Согласно реконструкции на основе генетических данных, группа Asgard разделилась на две ветви, в одну из которых вошли Lokiarchaeota, Thorarchaeota и Odinarchaeota, а в другую — Heimdallarchaeota и будущие предки эукариот.
Чтобы добиться успеха в выращивании этих архей, японским учёным потребовалось 12 лет. Хироюки, Такаи и их коллеги работали с образцами морских донных осадков, поднятых в 2006 году батискафом Shinkai 6500 с глубины примерно 2500 метров. Материалы в течение двух тысяч дней находились в биореакторах, куда постоянно подавался метан, чтобы воспроизвести атмосферу подводных гидротермальных источников. Затем небольшие образцы инкубировались в пробирках с большим количеством питательных веществ. Чтобы исключить проникновение бактериальных загрязнений, в среду были добавлены четыре антибиотика. Спустя год учёные обнаружили микроорганизмы в одной из пробирок.
Анализ ДНК показал, что микроорганизмы принадлежат к бактериям из группы Asgard. Японские исследователи нарушили традицию скандинавских названий и выбрали для них имя Prometheoarchaeum syntrophicum в честь титана Прометея. Эксперименты показывают, что Prometheoarchaeum syntrophicum обычно или даже всегда живёт в симбиозе с другим микроорганизмом, выделяющим метан. Сам Prometheoarchaeum syntrophicum расщепляет аминокислоты для получения энергии и выделяет водород, необходимый его партнёру. Сложные симбиотические отношения в этой паре, по мнению учёных, стали одной из причин, по которым представителей этой группы архей так сложно выращивать.
Исследователи секвенировали полный геном Prometheoarchaeum syntrophicum и утверждают, что он содержит некоторые гены, близкие к генам эукариот. При исследовании микроорганизма под электронным микроскопом видно, что он имеет множество разветвлённых придатков. Авторы предполагают, что с помощью подобных придатков древний представитель этой группы архей окружил бактерию, которой суждено было стать предком митохондрий в эукариотической клетке.
«Хаябуса-2» и астероид Рюгу
В феврале, апреле и июле прошедшего года японский космический аппарат «Хаябуса-2» совершил три операции по забору проб грунта с астероида Рюгу. В конце ноября аппарат покинул окрестности астероида и отправился в обратный путь к Земле, куда он должен доставить свою добычу.
Астероид Рюгу получил название в честь Рюго-дзё — дворца дракона Рюдзина, повелителя морей из японских сказок. Он относится к астероидам спектрального класса C (углеродных), в который входит 75 % известных астероидов. По характеристикам орбиты Рюгу входит в группу астероидов-аполлонов. Основная часть их орбит лежит за пределами орбиты Земли, но в моменты своего максимального приближения к Солнцу аполлоны пересекают земную орбиту. Причем орбита Рюгу столь вытянута, что пересекает также и орбиту Марса. Диаметр астероида составляет около 900 метров, а один оборот вокруг своей оси он совершает примерно за семь с половиной часов. Примечательно, что вращение Рюгу ретроградное, то есть направлено в сторону, противоположную вращению большинства планет, кроме Венеры и Урана, — этот факт «Хаябуса-2» открыл, находясь уже на подлете к астероиду.
Первые две операции происходили по схожему сценарию. «Хаябуса-2» спускался со своей обычной орбиты на высоте 20 километров до высоты сначала в 40, а потом и всего в 8,5 метра и приблизился к заранее выбранной точке взятия образца. Когда всё было готово, с Земли поступала команда, и «Хаябуса-2» приближался к самой поверхности астероида, спустив к ней пробоотборник (sampler horn). В этот момент аппарат выстреливал в астероид пятиграммовой пулей из тантала. Со скоростью 300 метров в секунду она врезалась в грунт, вверх поднялись крошки камня и пыли. Ударяясь о стенки пробоотборника, они в итоге попадали в контейнер (sample catcher). Всё занимало лишь несколько секунд, после чего «Хаябуса-2» возвращался на привычную высоту в 20 километров.
На третий раз «Хаябуса-2» выстрелил в грунт не пулей, а целым «снарядом» SCI (Small Carry-on Impactor), который состоит из медного груза массой 2,5 килограмма и заряда взрывчатого вещества в 4,5 килограмма. Чтобы произвести выстрел, от основного корпуса «Хаябусы-2» отделились два модуля: «пушка» и автономная камера. Сам «Хаябуса-2», чтобы не попасть под осколки, удалился на другую сторону астероида. После выстрела «пушки» SCI полетел с высоты около 500 метров и врезался в поверхность астероида на скорости два километра в секунду. Взорвавшись, он создал воронку диаметром около двух метров и обнажил глубокие слои грунта. За полетом снаряда и взрывом наблюдала автономная камера, которая передала «Хаябусе-2» точные координаты места взрыва. Вернувшийся аппарат сначала изучил место взрыва дистанционно, а затем при помощи пробоотборника взял образцы со дна воронки.
Первая победа над красной волчанкой
Ученым впервые удалось полностью избавить подопытных мышей от заболевания, известного под названием «системная красная волчанка». Это удалось сделать при помощи одной из разновидностей генной терапии — использования химерных антигенных рецепторов.
Волчанка — аутоиммунное заболевание, клетки иммунной системы у больных становятся гиперактивными и теряют способность различать патогены и здоровые ткани организма. В результате они вызывают воспаление и повреждение суставов, кожи и внутренних органов. По данным Американского фонда волчанки, в мире ею страдает около пяти миллионов человек. Подробнее об этой болезни можно узнать из специального очерка.
Цель создания химерных антигенных рецепторов состоит в том, чтобы научить Т-клетки иммунной системы бороться с определенными типами клеток, которые связаны с тем или иным заболеванием. Мишенью могут быть, например, клетки определенных видов опухолей, а в случае волчанки ею становятся B-лимфоциты. Из организма пациента извлекают его собственные Т-лимфоциты и подвергают их генетической модификации, в ходе которой им передается специального сконструированный ген определенного белка — поверхностного рецептора клетки. Это и есть химерный антигенный рецептор. Данный белок способен избирательно связываться с антигенами — белками клеток-мишеней. Таким образом, Т-лимфоциты, вернувшись в организм пациента, уже обучены распознавать и уничтожать эти клетки.
Терапия с использованием химерных антигенных рецепторов (CAR-T-терапия) возникла в 1990-е годы, и главным направлением ее ожидаемого применения всегда считалось лечение онкологических заболеваний. Недавно в США получили одобрение для клинического применения два метода CAR-T-терапии, предназначенные для борьбы с острым лимфобластным лейкозом и B-клеточной лимфомой. Но специалисты по аутоиммунным заболеваниям давно с интересом следили за развитием этой методики и задумывались над применением ее в своей области.
В 2016 году был достигнут первый успех в этом направлении. В Пенсильванском университете при помощи химерных антигенных рецепторов получилось избавить мышей от редкого аутоиммунного заболевания — пузырчатки (pemphigus vulgaris), поражающего кожу и слизистые оболочки. Но при терапии системной красной волчанки возникали сложности. В распоряжении врачей с 1997 года имеется генно-инженерное антитело ритуксимаб, нацеленное на белок CD20, присутствующий на клеточных оболочках B-лимфоцитов. Оно применяется при некоторых типах лимфом, хроническом лимфолейкозе, а также аутоиммунных заболеваниях: ревматоидном артрите и рассеянном склерозе. Но в лечении системной красной волчанки ритусимаб оказывался не эффективен.
Возникло даже предположение, что B-лимфоциты не важны для борьбы с волчанкой. Но иммунолог Марк Шломчик (Mark Shlomchik) из Питсбургского университета и его коллеги сочли, что дело тут в том, что антителам ритусимаба после прикрепления к B-лимфоцитам для их уничтожения нужна помощь других клеток иммунной системы — макрофагов, а при волчанке активность этих клеток может быть заблокирована. Следовательно, нужно было средство избавления от B-клеток, не нуждающееся в их помощи.
Иммунолог Марко Радик (Marko Radic) из Университета Теннеси и его коллеги решили прибегнуть к созданию химерных антигенных рецепторов. Они использовали в своем эксперименте специально созданные линии лабораторных мышей, у которых была воспроизведена системная красная волчанка. У этих мышей взяли Т-клетки и наделили их химерным рецептором, нацеленным на антиген CD19 B-клеток. Чтобы уничтожить немодифицированные Т-клетки в организме мышей, их подвергли облучению. Затем Т-клетки с химерным рецептором были введены в их организм.
У 26 мышей из 41, получившей модифицированные Т-клетки, были успешно уничтожены все В-лимфоциты с антигеном CD19. Симптомы системной красной волчанки на селезенке, коже, почках и других органах этих мышей полностью исчезли. После эксперимента большинство мышей прожило более года, что для этих животных — довольно большой срок. Все мыши из контрольной группы прожили не больше 10 месяцев, а многие из них погибли значительно раньше.
Лицо австралопитека из Миро-Дора
Палеоантропологии опубликовали описание почти полностью сохранившегося черепа анамского австралопитека возрастом около 3,8 миллиона лет. Ранее столь информативных находок этого вида исследователям не попадалось. Череп MRD-VP-1/1 не только позволяет точнее реконструировать облик анамского австралопитека, но и, возможно, заставит учёных пересмотреть свои взгляды на эволюционные отношения среди австралопитеков. В частности, есть вероятность, что придётся отказаться от представления об анамском австралопитеке как предке афарского австралопитека.
Анамский австралопитек — самый древний из своего рода. Его существование относят к периоду от 4,2 до 3,8 миллионов лет назад. Даже обладатель черепа MRD-VP-1/1, самый близкий к нам анамский австралопитек, старше знаменитой Люси (Australopithecus afarensis) на 200 тысяч лет и старше мисс Плэз (Australopithecus africanus) на 1,3 миллиона лет. Непосредственными предками анамских австралопитеков считаются ардипитеки, а потомками — грацильные австралопитеки.
Хотя учёные успели отыскать в Кении и Эфиопии останки примерно двадцати анамских австралопитеков, об их облике известно не так много, поскольку все находки фрагментарны. В распоряжении исследователей до обнаружения черепа MRD-VP-1/1 были куски верхних и нижних челюстей, отдельные зубы, фрагменты черепной коробки и несколько костей конечностей.
Череп MRD-VP-1/1 был найден в регионе Ворансо-Милле (регион Афар, Эфиопия) в феврале 2016 года. Первый фрагмент черепа — часть верхней челюсти — нашёл 10 февраля 2016 года местный пастух Али Береейо в местечке Миро-Дора, район Милле. В тот день он решил вырыть укрытие, чтобы спрятать козлят от гиен, и увидел торчащие из песка зубы. Вытащив кусок челюсти, он отнёс находку работающим по соседству антропологам. На следующий день они провели тщательные раскопки в этом месте и нашли остальные части черепа. А пастух Али Береейо, ранее несколько месяцев безуспешно пытавшийся попасть на работу в экспедицию, осуществил свою мечту и был зачислен в штат.
Как показало исследование, череп MRD-VP-1/1 принадлежал взрослому самцу. Его принадлежность к анамским австралопитекам определена по особенностям верхней челюсти и клыков. Его возраст (от 3,81 до 3,77 миллиона лет) устанавливается по сопоставлению со слоями вулканических осадков, а также палеомагнитным методом. Череп сохранился в песчаных отложениях дельты впадавшей в озеро реки. Анализ пыльцы и частей древних растений показывает, что климат в бассейне реки был преимущественно сухим. Ландшафт состоял в основном из зарослей колючих кустарников, но в районе дельты имелись и тропические леса, и озёрно-болотные угодья.
Важность находки состоит, во-первых, в том, что она впервые позволяет нам взглянуть в лицо анамскому австралопитеку, а во-вторых — реконструировать строение мозгового отдела его черепа. В результате, что ожидаемо, обнаружились характерные примитивные черты его строения. В частности, вытянутый и узкий мозговой отдел черепа сближает анамского австралопитека с сахелантропом. Объём мозга у обоих видов, по расчётам, составлял 365–370 см3, примерно таков он у современных шимпанзе. Форма клыков анамского австралопитека сходна с зубами Ardipithecus kadabba.
Но исследователи обнаружили у MRD-VP-1/1 также и прогрессивные признаки. Например, форма скуловых челюстей анамского австралопитека оказалась близка к одному из массивных австралопитеков — Paranthropus aethiopicus, жившему 2,5 млн лет назад. Однако авторы статьи полагают, что этот признак возник у анамского австралопитека и у парантропа независимо. «У MRD есть сочетание примитивных и продвинутых черт лица и черепа, которое я не ожидал увидеть ни у одного человека», — отмечает ведущий автор исследования Иоганнес Хайле-Селассие (Yohannes Haile-Selassie) из Кливлендского музея естественной истории.
Возможно, эта находка разрушит стройную концепцию палеоантропологов, согласно которой анамский австралопитек был непосредственным предком австралопитека афарского, жившего от 3,8 до 3,2 млн лет назад. Основной удар тут наносит датировка. Ранее считалось, что анамские австралопитеки жили не позднее 3,9 млн лет назад. Сдвиг на 100 тысяч лет сделал двух австралопитеков пересекающимися во времени. К тому же, в черепе MRD-VP-1/1 отмечен ряд признаков, которые были прогрессивными по отношению к предковым видам, тогда как эти же черты у афарских австралопитеков оказываются более примитивными.
«Раньше мы думали, что A. anamensis постепенно превратился в A. afarensis с течением времени. Мы всё ещё считаем, что у этих двух видов были отношения предка и потомка, но это новое открытие предполагает, что оба вида фактически довольно долго жили вместе в Афаре. Это меняет наше понимание эволюционного процесса и поднимает новые вопросы — конкурировали ли эти виды за пищу или жизненное пространство?» — объясняет Стефани Мелилло (Stephanie M. Melillo) из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка.
Денисовцы не из Денисовой пещеры
О денисовцах — загадочным виде (или подвиде) рода Homo, ставшем известным ученым только благодаря тому, что они научились выделять из костей древнюю ДНК, — новости в 2019 году поступали неоднократно. Удалось идентифицировать еще одну, шестую по счету кость денисовца из Денисовой пещеры (на этот раз фрагмент черепа), появлялись новые исследования, уточняющие палеогенетику денисовцев и их генетический след в популяциях современных людей. Но главное событие года состоит в том, что впервые кость денисовского человека была найдена не в Денисовой пещере.
Ученые давно понимали, что Алтай, где находится Денисова пещера, не был центром расселения денисовцев. Судя по их «генетическим следам» в современных геномах, они были распространены южнее и восточнее, там, где пролегал маршрут древней миграции людей в Юго-Восточную Азию и далее — на острова Индонезии и в Австралию. Перспективной целью для поисков других мест обитания денисовцев казался Тибет. Еще в 2014 году у тибетцев были найдены денисовские гены. Причем весьма полезные: у денисовцев тибетцы унаследовали вариант гена EPAS1, облегчающий выживание в разреженном воздухе высокогорья. Недавние раскопки в центральном Тибете принесли более трех тысяч каменных орудий, самые древние из которых имеют возраст более тридцати тысяч лет. Хронологически это вполне подходит для денисовцев, но только в ходе этих раскопок не нашли ни одной кости. И вот, наконец, кость найдена.
Точнее, найдена она была давно. В 1980 году в карстовой пещере Байшия на Тибетском плато (уезд Сяхэ, Ганьнань-Тибетского автономного округа провинции Ганьсу) монахом из расположенного рядом буддийского храма был найден костный фрагмент — правая половина нижней челюсти с двумя сохранившимися зубами. В нынешней статье сообщается также, что в 2011 году в той же пещере начались новые раскопки, в ходе которых нашли кремневые орудия и кости животных со следами срезания мяса, но никаких подробностей об этих находках не дается и их изображения не публикуются.
В 2010 году глава буддийской школы «Шестой Живой Будда» Гун-Тан передал челюсть из пещеры Байшия ученым из Университета Ланьчжоу. Ее исследованием занялась большая команда под руководством Дунцзюй Чжана (Dongju Zhang) из Университета Ланьчжоу и Жана-Жака Ублана (Jean-Jacques Hublin) из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка и Международного центра палеоантропологии в Париже.
Образовавшуюся на кости корку из карбоната кальция датировали уран-ториевым методом и установили, что она не моложе 160 тысяч лет. Саму кость подробно исследовали при помощи компьютерной томографии. Ученые предприняли попытку выделить из челюсти древнюю ДНК, но этого сделать не удалось.
Но исследователям помог более новый метод — палеопротеомика. Если палеогенетика занята извлечением и исследованием древней ДНК, то палеопротеомика изучает структуру белковых молекул в древних останках. Во многих случаях она оказывается пригодной там, где ДНК извлечь невозможно из-за древности находок или из-за неподходящего для сохранения ДНК климата (подробнее о палеопротеомике и полученных с ее помощью результатах можно прочитать в особом очерке). По аминокислотной последовательности белка можно реконструировать структуру генов, получив, таким образом, знание о древней ДНК, которую невозможно изучить непосредственно.
Ученые взяли образец дентина из зубов и определили его структуру. После этого и выяснилось, что наиболее близок к челюсти из пещеры Байшия геном денисовцев с Алтая. Так что теперь Денисова пещера перестала быть единственным известным нам местом жительства денисовцев.
Исследователи отмечают, что по своей морфологии челюсть из пещеры Байшия более всего близка останкам гоминин среднего плейстоцена, в частности Homo erectus. Она очень массивная, подбородочный выступ отсутствует. Необычный признак — врожденное отсутствие третьего моляра. Подобная особенность есть также у челюсти Homo erectus, найденной в 1963 году в одной из пещер уезда Ланьтянь провинции Шэньси, а также у челюсти, которая была выловлена в море у островов Пэнху близ Тайваня. Два имеющихся на челюсти из пещеры Байшия моляра очень крупные, больше, чем известные образцы у Homo erectus.
Определив принадлежность челюсти денисовцам, авторы исследования решили изучить её более пристально. Их внимание привлёк редкий признак: коренной зуб на челюсти имеет три корня. Обычно моляры человека имеют три корня в верхней челюсти и два корня — в нижней. Но среди многих монголоидных народов встречаются и трёхкорневые нижние моляры. У японцев первый нижний моляр имеет три корня в 22,7 %, у тайцев — в 19,2 %, у эскимосов — в 12,5 %, у малазийцев — в 16 % случаев. Гораздо реже эта особенность встречается у европеоидов (2,5–4,7 %) и ещё реже — у африканцев (2,8 %).
Обычно считалось, что такой признак у жителей Азии возник в результате мутации, случившей уже после выхода Homo sapiens из Африки. Теперь же наличие трёх корней нижнего моляра в древней челюсти указывает на возможность иного пути появления этого признака. Азиатские Homo sapiens могли получить такие зубы в результате скрещивания с денисовцами.
