Палинологический анализ — мощный инструмент в руках реконструкторов

Наука и жизньНаука

Пыльцевые отпечатки истории

Денис Новиков, Волгоградский государственный медицинский университет

В рамках информационного партнёрства с научно-популярным сайтом biomolecula.ru публикуем журнальный вариант статьи, которая была представлена на конкурс «Био/мол/текст»-2022/2023 в номинации «Свободная тема».

Невидимые для невооружённого глаза пыльцевые зёрна подобны архивам, хранящим воспоминания о прошлом. Спорово-пыльцевой, или палинологический анализ, — мощный инструмент в руках исследователей, занимающихся реконструкцией растительных сообществ прошлого и изучением видового состава ныне живущих растений. Для палеоэкологических исследований пыльцевые зёрна и споры растений, грибов и даже бактерий не менее полезный объект, чем годичные кольца древесины.

Так как цветковые — самый распространённый отдел растений на Земле, то именно они чаще всего становятся объектом палинологического анализа. Каждое пыльцевое зерно покрытосемянных представляет собой довольно сложно организованный многоклеточный мужской гаметофит — практически растение в миниатюре. Растения производят их в большом избытке, хотя для оплодотворения достаточно всего лишь одного зерна, попавшего на женский цветок. Таким образом, большинство пыльцевых частиц так или иначе будет обречено на постепенное оседание в слоях почв или водоёмов без всяких репродуктивных перспектив. Ведь перед оплодотворением гаметофиту предстоит проделать долгий путь, полный опасностей и невзгод.

Преодолеть неблагоприятные условия окружающей среды пыльце помогает экзина — твёрдая капсула, состоящая преимущественно из спорополленина — одного из самых инертных биополимеров, устойчивого к воздействию органических растворителей, минеральных кислот и щелочей. Природная химическая стойкость экзины долгое время была препятствием для выяснения её структуры. Исследования, проведённые с использованием ядерного магнитного резонанса, позволили установить, что спорополленин представляет собой комплекс из плотно сшитых каротиноидов, жирных кислот, фенилпропаноидов и поливиниловых спиртов1.

1 Li F. S., Phyo P., Jacobowitz J. еt al. The molecular structure of plant sporopollenin. Nature Plants, 5, 41—46 (2019).

Эта особенность химического состава оболочки позволяет пыльце сохраняться в геологических отложениях на протяжении тысяч и даже миллионов лет в виде микроскопических остатков, называемых палиноморфами. Поскольку внешнее строение таких окаменевших зёрен очень сильно отличается даже у разных родов растений внутри одного семейства, то опытному специалисту-палинологу не составляет труда определить и видовую принадлежность изучаемого образца (рис. 1). Зная экологическую толерантность растений, выявленных по их пыльцевым остаткам в нескольких стратиграфических слоях, можно сделать вывод об изменении природных факторов на интересующей территории в разные геологические эпохи. Для наглядности исследователи строят пыльцевые диаграммы, основанные на процентном распределении палинотаксонов относительно глубин их обнаружения. Безусловно, у этого метода есть свои недостатки, ведь такие диаграммы (палинограммы) отражают только цветущие растения. Те, что по той или иной причине до периода цветения не дожили, попросту не оставят после себя пыльцы, то есть следы. Кроме того, из-за природных катастроф (наводнений, землетрясений и лавин) нередко происходит смещение отложений и геологическая преемственность фоссилий нарушается. Эти временны́е пробелы исследователи заполняют методом экстраполяции данных из других, более полных диаграмм.

Рис. 1. Пыльца различных родов семейства ароидных (Araceae) выглядит очень по-разному под микроскопом: А — амброзиния; B — дракункулюс; C — пинеллия; D — циртосперма; E — антуриум; F — монстера. Рисунок из книги: Halbritter H. et al. (2018). Palynology: History and Systematic Aspects. In: Illustrated Pollen Terminology. Springer, Cham.

Анализируя палинограммы, можно реконструировать события прошлого. Например, увеличение числа пыльцевых зёрен водных растений расскажет о стихийном наводнении, а рост числа палиноморф растений, характерных для пустынь и полупустынь (их называют ксерофитами), поведает о наступлении засухи в далёкой древности.

Палинология о чуме

Традиционно принято думать, что вторая пандемия чумы (1346—1353 годы) началась в глубинах Азии, и, вероятно, там же следует искать первых жертв Yersinia pestis. Результаты недавнего исследования международной группы учёных из России, Германии, Италии, Казахстана и Великобритании, опубликованного в «Nature», подтверждают эту регулярно оспариваемую точку зрения. Свои изыскания участники экспедиции вели на берегах озера Иссык-Куль (Киргизия) — на кладбищах Кара-Джигач, датированных 1338 годом. Могильники изобиловали надписями на надгробиях, указывающими на смерть погребённого «от неизвестной язвенной болезни», и (ожидаемо) содержали останки людей, контактировавших с возбудителем чумы. Скрининг ДНК средневекового патогена из Киргизии показал, что это был предок именно того штамма, который спустя 8 лет после начала эпидемии в Кара-Джигач распространился по всей Евразии и впоследствии стал причиной смерти почти половины людей, населявших континент2.

2 Spyrou M. A., Musralina L., Gnecchi Ruscone G. A. et al. The source of the Black Death in fourteenth-century central Eurasia. Nature, 606, 718—724 (2022).

Но везде ли в Европе смертность была столь высока? Демографические последствия второй пандемии чумы помогли расследовать палинологи. Они опирались на гипотезу, что между количеством пыльцевых остатков зерновых культур и колебаниями численности населения времён Чёрной смерти должна быть взаимосвязь. Логика исследователей была очень проста: чем больше на той или иной территории проживает людей, тем выше их потребность в хлебе. То есть резкое сокращение человеческой популяции должно было отразиться и на объёмах продукции растениеводства (рис. 2).

Рис. 2. Схема палинологического подхода к изучению демографических последствий пандемии чумы. В сценарии «Да» болезнь приводит к снижению количества людей и ранее регулярно засеваемые поля постепенно покрывает лес (или, реже, поля становятся пастбищами). В сценарии «Нет» количество зерновых культур оказывается на прежнем уровне и агроценоз остаётся моновидовым сообществом. Пыльца как «культурных», так и «диких» растений оседает на дне стоячих водоёмов и пригодна к палинологическому исследованию. Анализ изменения количества пыльцы сельскохозяйственных культур в общем комплексе микроскопических остатков помогает реконструировать видовой состав растительных сообществ и сделать косвенный вывод о динамике численности населения времён пандемии Чёрной смерти. Рисунок с изменениями из статьи: Izdebski A., Guzowski P., Poniat R. еt al. (2022). Palaeoecological data indicates land-use changes across Europe linked to spatial heterogeneity in mortality during the Black Death pandemic. Nat. Ecol. Evol., 6, 297—306.

Приступая к исследованию, палинологии изучили письменные свидетельства, повествующие об уровне смертности в разных странах, однако в большинстве европейских регионов таких свидетельств оказалось недостаточно. В Моравии, Венгрии, Шотландии, Богемии и Финляндии нет необходимого количества данных о числе умерших именно от чумы. В Англии, Франции, Италии и Нидерландах хронисты также зачастую не указывали причину смерти. Ситуация осложнялась ещё и тем, что исторические отчёты говорили преимущественно о популяциях горожан. А ведь люди, скученно проживающие в средневековых городах, вполне могли значительно сильнее пострадать от чумы, чем сельские жители.

Для изучения реальной эпидемической картины палинологи отобрали 261 керндонных отложений, из которых выделили 1634 образца пыльцы (во избежание ошибок их принадлежность к нужному историческому периоду была проверена радиоуглеродным методом). Территориально исследование охватило 19 современных стран и вошло в число самых масштабных палеоэкологических работ. Для наибольшей достоверности палинологи решили проанализировать пыльцевые остатки злаков за достаточно широкий временной отрезок, охватывающий 200 лет: за век до и после пандемии (рис. 3).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Дочь Ра Дочь Ра

Клеопатре суждено было стать последней царицей относительно независимого Египта

Дилетант
Я — сноб. Режиссер Игорь Твердохлебов Я — сноб. Режиссер Игорь Твердохлебов

Режиссер Игорь Твердохлебов о своем главном достижении последнего года

СНОБ
Больше пены Больше пены

Что такое пена с точки зрения химии?

Наука и жизнь
Современные «Одиссеи»: пять лучших фильмов в жанре роуд-муви Современные «Одиссеи»: пять лучших фильмов в жанре роуд-муви

Фильмы о кочевниках нового времени, неожиданных попутчиках и отчаянных искателях

Forbes
Во глубину сибирских руд Во глубину сибирских руд

По следам декабристов на каторгу в Сибирь

Вокруг света
Орангутаны-мигранты позаимствовали пищевые привычки у местных Орангутаны-мигранты позаимствовали пищевые привычки у местных

У кого именно и как долго орангутаны-мигранты учатся есть новую для них пищу

N+1
Вне времени Вне времени

TAG Heuer, всемирно известный швейцарский бренд, соединил невозможное

Популярная механика
«Уинстон Черчилль: его эпоха, его преступления» «Уинстон Черчилль: его эпоха, его преступления»

Фрагмент книги «Уинстон Черчилль: его эпоха, его преступления»

N+1
Свиньи помогли сородичам выбраться из заточения Свиньи помогли сородичам выбраться из заточения

Почему свиньи помогают друг другу?

N+1
Разработан более дешевый способ обучения Больших языковых моделей Разработан более дешевый способ обучения Больших языковых моделей

Новый способ оптимизации предварительного обучения Больших языковых моделей

ТехИнсайдер
«Главное — профессиональный уровень проекта»: как меняется роль женщины в архитектуре «Главное — профессиональный уровень проекта»: как меняется роль женщины в архитектуре

Женщины до сих пор составляют меньшинство среди архитекторов. Дарья Белякова

Forbes
Данте и Беатриче Данте и Беатриче

Рассматриваем картину британского художника Генри Холидея «Данте и Беатриче»

Дилетант
Химики научились получать фторорганику напрямую из флюорита Химики научились получать фторорганику напрямую из флюорита

Исходник для всех фторсодержащих органических веществ — это минерал флюорит

N+1
Cтрана, которой нет: как сериал «Библиотекарь» работает с советским мифом Cтрана, которой нет: как сериал «Библиотекарь» работает с советским мифом

Почему «Библиотекарь» выглядит идеологически заряженным, но все же вторичным?

Forbes
Бюджетный органайзер: 7 идей, как использовать обувные коробки в быту Бюджетный органайзер: 7 идей, как использовать обувные коробки в быту

Мы знаем, что у вас осталась хотя бы пара коробок от обуви. Воспользуемся ими!

ТехИнсайдер
«Бурят наудачу»: почему стартапы бросились искать запасы природного водорода «Бурят наудачу»: почему стартапы бросились искать запасы природного водорода

В мире могут существовать «астрономические» запасы «геологического» водорода

Forbes
«Бей, беги, замри»: как помочь себе правильно прожить и отпустить стресс «Бей, беги, замри»: как помочь себе правильно прожить и отпустить стресс

Практики, которые помогут с комфортом пройти через сложные моменты

Psychologies
Самый везучий неудачник: история Фране Селака, который 7 раз выживал в катастрофах и сорвал куш в лотерею Самый везучий неудачник: история Фране Селака, который 7 раз выживал в катастрофах и сорвал куш в лотерею

Согласитесь, эта история походит на сюжет какого-то фильма

ТехИнсайдер
«Лучше сделать и пожалеть?»: почему мужчины и женщины по-разному переживают о случайном сексе «Лучше сделать и пожалеть?»: почему мужчины и женщины по-разному переживают о случайном сексе

Чем отличаются мужские и женские переживания о сексе?

Psychologies
Развод на 35 миллионов: как экс-супруг отомстил москвичке Развод на 35 миллионов: как экс-супруг отомстил москвичке

Что побуждает людей мстить бывшим?

Psychologies
Чем заменить водку, чтобы было вкусно и недорого Чем заменить водку, чтобы было вкусно и недорого

Бюджетные и среднебюджетные дистилляты, которые незазорно рекомендовать друзьям

Maxim
Одни эмоции Одни эмоции

Для чего на самом деле нужны злость, обида и грусть?

VOICE
Семейные ссоры: как остаться вместе — 4 правила Семейные ссоры: как остаться вместе — 4 правила

Что нужно сказать, когда ситуация во время ссоры становится критической?

Psychologies
Мила Ершова: «Я не хочу сниматься в том, что не хочу смотреть сама» Мила Ершова: «Я не хочу сниматься в том, что не хочу смотреть сама»

Если мне что-то по-настоящему нравится, то меня вообще ничего не расстроит

Коллекция. Караван историй
Модель ИИ Brain2Music превращает мысли в музыку Модель ИИ Brain2Music превращает мысли в музыку

Разработана модель ИИ, которая восстанавливает музыку, которую слышит человек

ТехИнсайдер
Не плагиат, а референс: зачем соцсети перенимают функции друг у друга, почему это работает и чего ждать дальше Не плагиат, а референс: зачем соцсети перенимают функции друг у друга, почему это работает и чего ждать дальше

Почему соцсети копируют решения друг друга и что это меняет для пользователей?

Правила жизни
На осколках былого величия: как На осколках былого величия: как

Королеву Нур считают настоящей "снежной королевой", но и она была юной и нежной

VOICE
Семь опасностей, поджидающих вас на шашлыках Семь опасностей, поджидающих вас на шашлыках

Что ждет нас за городом, на уютных лесных опушках?

Maxim
Зарегистрированы самые мощные гравитационные волны в истории наблюдений Зарегистрированы самые мощные гравитационные волны в истории наблюдений

Гравитационные волны возвращаются, и они огромны

ТехИнсайдер
Большинство ментальных расстройств проявились в юношеском возрасте Большинство ментальных расстройств проявились в юношеском возрасте

К 75 годам ментальные расстройства могут проявиться у половины населения

N+1
Открыть в приложении