В-третьих, вода наносит особенно сильный ущерб ДНК. Быстрое высушивание трупа и его нахождение в условиях низкой влажности или при отрицательной температуре способствует длительному сохранению ДНК. Древнюю ДНК удавалось выделить из естественным образом мумифицированных останков людей, степных бизонов, мамонтов и представителей других видов. Наконец, разные виды тканей в разной степени подвержены повреждению и разложению. К примеру, кости оказались лучшим источником неповрежденной ДНК, чем мягкие ткани, что, возможно, связано каким-то образом со структурой костного матрикса или же с костными клетками самими по себе. Еще один прекрасный источник хорошо сохранившейся ДНК – волосы и шерсть, так как гидрофобная оболочка волоса ограничивает количество воды и микробов, которые могут проникнуть внутрь и повредить ДНК.
Временные пределы выживания ДНК
Законы физики и биохимии говорят нам о том, что ДНК не живет вечно даже в наиболее подходящей для ее сохранения среде. Учитывая это, нам будет полезно знать возраст образца, геном которого мы собираемся секвенировать, чтобы предсказать, насколько успешным окажется этот проект. Хотя и не существует четкого правила, определяющего точный промежуток времени, свыше которого ДНК не выживает, результаты биохимического моделирования указывают на верхний предел около 100 тысяч лет при умеренной температуре окружающей среды. Но на практике то, насколько стар может быть образец с сохранной ДНК, очень сильно варьирует и зависит от того, где он был найден, какой это тип ткани (шерсть, зуб, кость, мумифицированные мягкие ткани, яичная скорлупа) и что происходило с этим образцом в течение всего этого времени. В образцах, находящихся в тепле, погруженных в воду и открытых для воздействия ультрафиолета, спустя год может не остаться ни одного фрагмента полезной ДНК. В Арктике, если образец лишился мягких тканей и сразу после этого был заморожен, а затем пролежал под землей в замороженном состоянии от момента погребения до момента раскопок, ДНК внутри него может просуществовать сотни тысяч лет.
Важно разъяснить, что я имею в виду под «полезной» ДНК. Не бывает так, что вчера ДНК представляла собой хорошо сохранившуюся информативную молекулу, а сегодня, по истечении срока годности, рассыпалась в прах. Процесс распада ДНК включает как накопление химических повреждений, так и постепенное разрушение длинных цепочек с образованием все более мелких фрагментов. Когда длина фрагментов уменьшается до менее чем 25–30 пар оснований, мы уже не можем определить, к какому именно участку генома они относятся, и, следовательно, для генетических исследований они становятся бесполезны. Фрагменты ДНК длиной в одно-два спаренных основания могут существовать в течение очень длительного времени даже в крайне неблагоприятной для их выживания среде, однако выделение таких участков никак не поможет нам в сборке по кусочкам генома вымершего животного.
Недавно я участвовала в большой международной коллаборации, занимавшейся секвенированием полного генома древней лошади – такой же лошади, как те, что участвуют в «Кентукки Дерби» в наши дни, но только очень старой. Кость, которую мы использовали, была извлечена из вечной мерзлоты в канадской Арктике. Обнаружив эту кость, мы поняли, что она старая, – очень, очень старая, – и это сильно нас взволновало.
При исследовании древней ДНК критически важно знать возраст обнаруженных костей. Зная, насколько стара каждая кость, можно понять, как изменения размеров популяций и генетического разнообразия связаны с изменениями в окружающей среде. К примеру, лошади вымерли в Северной Америке около 12 тысяч лет назад. Как я уже упоминала в главе 1, существуют две конкурирующие гипотезы, объясняющие вымирание лошадей. Одна предполагает, что на пике последней ледниковой эпохи, около 20 тысяч лет назад, лошадям не хватало пропитания, другая – что их истребили люди, появившиеся в Северной Америке около 14 тысяч лет назад. Знать, что лошади вымерли 12 тысяч лет назад, и знать, почему они вымерли, – это не одно и то же. Чтобы подтвердить одну из двух гипотез, нам нужно выяснить, когда начали сокращаться популяции лошадей. А для этого мы должны установить возраст каждой кости.
Существует несколько способов узнать возраст кости, окаменелости или археологического артефакта. В некоторых условиях, например в пещерах или в местах археологических раскопок, они могут находиться в четко определенных слоях или пластах, где также обнаруживаются другие объекты, возраст которых известен. Это могут быть скопления окаменелостей, обнаруживаемые вместе только в слоях, относящихся к тому или иному временному интервалу, или доисторические орудия труда, использовавшиеся только в один определенный период. К сожалению, в вечной мерзлоте, где обнаруживается большинство интересующих нас лошадиных костей, такие слои встречаются не часто.
Возраст большинства костей, сохранившихся в вечной мерзлоте, определяется с помощью процесса, называемого радиоуглеродным датированием. В основе этого метода лежит определение относительного содержания в останках живого организма двух изотопов углерода – углерода-14 и углерода-12. Эти данные позволяют понять, сколько времени прошло с момента смерти организма. Углерод-14 представляет собой радиоактивный изотоп углерода, образующийся в атмосфере, когда космические лучи сталкиваются с атомами азота. Углерод-12 – это нормальный изотоп углерода. Углерод обоих видов соединяется с кислородом, образуя диоксид углерода, поглощаемый растениями в процессе фотосинтеза. Животные затем поедают эти растения, и содержащийся в растениях углерод проникает в их кости. В любой момент времени соотношение двух видов углерода в атмосфере и внутри организмов, живущих в этой атмосфере, одинаково. Углерод-14 радиоактивен и распадается с известной скоростью, его период полураспада составляет 5700 лет. Поскольку после смерти живые организмы прекращают потреблять углерод, мы можем рассчитать, как давно организм умер, исходя из количества углерода-14, сохранившегося в его останках.
Радиоуглеродное датирование – это эффективный и отличающийся приятной точностью способ оценки возраста костей, обнаруженных в вечной мерзлоте. Но количество углерода-14 в атмосфере очень мало по сравнению с количеством углерода-12 – приблизительно один атом из триллиона, – а период его полураспада очень недолог. Примерно спустя 40 тысяч лет в организме остается слишком мало углерода-14, чтобы его количество можно было измерить точно. Следовательно, радиоуглеродное датирование можно использовать только в течение этого очень короткого промежутка времени.
К счастью, существует другой способ оценить возраст костей, обнаруженных в вечной мерзлоте. При извержении вулканов в атмосферу широким веером выбрасывается облако очень мелкой пыли, часто называемой вулканическим пеплом, или тефрой. Тефра, образующаяся при каждом извержении, имеет уникальный геохимический состав. Как оказалось, геохимики разработали несколько способов определить, когда произошли эти извержения. Эти методы основаны на том, что воздействие высокой температуры «обнуляет» возраст минералов. Следовательно, измерив определенные характеристики минералов, можно узнать, когда произошло извержение вулкана.
Залежи вулканической тефры располагаются на просторах Аляски и Юкона, отмечая извержения, которые происходили на территории, на западе доходящей до Алеутских островов и полуострова Аляска. Когда пепел оседает на землю, вечная мерзлота как будто покрывается белым одеялом. Со временем над слоем вулканического пепла образуются осадочные породы вечной мерзлоты, и теперь он четко отделяет окаменелости, погребенные до извержения вулкана (находящиеся под слоем тефры), от тех, которые появились там после извержения (расположенные над слоем тефры). Этот метод не так точен, как радиоуглеродный анализ, но он позволяет приблизительно определить возраст костей, слишком старых для датирования с использованием радиоактивного углерода. Именно этот метод мы использовали для оценки возраста нашей древней лошадиной кости.
