Ископаемые под микроскопами и в томографах. Студенческий тур в ПИН РАН

Работа палеонтолога — это не только бесконечные экспедиции, но и кропотливый труд в лабораториях, где из крошечных фрагментов и следов ученые восстанавливают жизнь животных, рыб, птиц и более простых организмов, населявших нашу планету задолго до появления человека. Об этой работе рассказали ученые Палеонтологического института им. А.А. Борисяка (ПИН) РАН — крупнейшего в России и одного из ведущих в мире научного центра, занимающегося проблемами палеонтологии. В ходе студенческого тура, организованного в среду 21 октября порталом «Научная Россия», студенты разных факультетов и направлений смогли увидеть изнутри работу в лабораториях института и познакомиться с методами, которые применяют палеонтологи, чтобы понять, какой была жизнь на Земле сотни миллионов лет назад.

ПИН РАН — ведущий центр палеонтологических исследований в России, в мире существует лишь несколько аналогичных учреждений. Ученые в ходе пресс-тура отметили, что область изучения огромна, и есть еще множество нерешенных задач, при этом рабочих рук зачастую не хватает. Однако в будущее в институте смотрят с оптимизмом: каждый год стабильно приходят новые аспиранты, проводятся новые исследования. Изучение живых организмов далекого прошлого интересует многих молодых людей, что подтвердил прошедший пресс-тур — познакомиться с работой палеонтологов пришли студенты как естественнонаучных, так и гуманитарных факультетов. И это — отличный повод для уверенности в завтрашнем дне.

Томография и поведенческие особенности живых организмов

Сегодня компьютерная томография признана одним из наиболее перспективных методов в палеонтологии.  Она позволяет рассматривать структуру ископаемых организмов в виртуальных срезах, что особенно важно, учитывая сложность ручного препарирования хрупких образцов. Для исследования крупных объектов ученые используют промышленные томографы, а находящийся сейчас в институте аппарат отлично подходит для изучения моллюсков, насекомых, фрагментов костей, древних растений, а также одного из самых ценных объектов для палеонтологов — яиц динозавров. Ценными они считаются потому, что на данный момент найдено не так много экземпляров, а для большинства известных видов их вообще нет. Каждое найденное яйцо изучается со всех сторон — лишь немногие находки дают четкое понимание того, как в целом происходил процесс деторождения у динозавров, что крайне важно для понимания их образа жизни.

«Яйцо динозавра — настолько уникальный объект, что препарировать его не хочется, потому что тогда ломается скорлупа, а она считается объектом на вес золота. Кроме того, часто яйца ископаемых животных находят, а кто внутри, определить невозможно: от эмбриона может не остаться никаких костных остатков. А даже если что-то и сохраняется, то внутренняя структура яйца настолько хрупкая, что препарировать его нельзя. И вот тогда на помощь приходит томография», — рассказал студентам Алексей Пахневич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории высших беспозвоночных ПИН РАН и специалист в области компьютерной томографии.

Помимо структуры ископаемого объекта, томография может дать еще много интересной информации. Например, на продемонстрированном перед студентами виртуальном срезе моллюска были видны отверстия, похожие на следы сверления — это может указывать на то, что внутри моллюска жили другие животные. Кроме того, уже достаточно давно применяется метод томографии головного мозга древних организмов.

«Томография помогла изучить головной мозг тираннозавра. Оказалось, что у него были развиты обонятельные луковицы. Это означает, что у этого животного был очень хороший нюх. Даже возникла мысль, что он был не активный хищник, а падальщик, который искал добычу по запаху. Увидев степень развития остальных отделов мозга, ученые пришли к выводу, что он не был активным бегуном и передвигался только на короткие дистанции. То есть даже если он не был падальщиком, то долго свою добычу он догонять не мог», — рассказал Алексей Пахневич.

Микроскопы и неживые фрагменты

Микроскоп — незаменимый инструмент для палеонтолога. Сотрудники ПИН РАН используют разные виды микроскопов, в том числе сканирующие электронные, способные увеличивать объект в 100–150 тыс. раз. Такие микроскопы подходят для исследования неживых объектов в вакууме — главным образом фрагментов древних материалов, в которых нужно изучить химический состав. Но и эти фрагменты тесно связаны с жизнью древних организмов, что подтверждается на примере изучения панцирей одноклеточных водорослей — кокколитофоров под микроскопом.

«Аналогичный панцирь можно наблюдать у современных одноклеточных организмов — радиолярий. Но если радиолярии делают себе скелет из диоксида кремния, то кокколитофоры — из карбоната кальция, проще говоря, извести. То есть клетка создает внутри себя ажурные пластинки, выделяет их на поверхность и полностью ими покрывается. И когда она погибает, все это рассыпается на отдельные элементы и оседает на морском дне, образуя большие геологические толщи, в том числе меловые. Обычный компонент мела — кусочки скелетов этих самых водорослей, состоящих из карбоната кальция», — объяснил Роман Ракитов, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ПИН РАН, специалист в области электронной микроскопии.

Изотопы и сравнительные исследования

Далее студентов ждало знакомство с методом спектрометрии. Суть его заключается в том, что все элементы, составляющие биологические организмы, имеют свои изотопы — модификации одного и того же атома, различающиеся  массой ядра. Поскольку атомы с разной массой обладают разной термодинамической активностью, в ходе  естественных процессов — от испарения до пищевых циклов — происходит изменение изотопного состава. Это позволяет получать данные как о процессах, происходящих в окружающей среде, так и, например, о пищевых цепочках.

Еще один важный инструмент в арсенале палеонтологов — метод актуализма. Это было продемонстрировано на примере изучения докембрийских организмов — самых древних живых существ на Земле (некоторые из них жили несколько миллиардов лет назад). Как объяснила Юлия Шувалова, научный сотрудник лаборатории докембрийских организмов  ПИН РАН, чем древнее организмы, тем они зачастую непонятнее — порой даже неясно, растение это, животное или гриб. Кроме того, большинство таких находок — не целые организмы, а лишь фрагменты. И здесь ученые проводят сравнительный анализ.

«Все, что мы находим, мы все равно сравниваем с современностью. Надо понять, куда это относить, и потом уже разбираться, действительно ли это какая-то современная ветвь организмов, либо это что-то иное, что давным-давно вымерло, не оставив после себя потомство. Когда нужно реконструировать дальнейшую морфологию в условиях отсутствия полного организма, нам часто приходится использовать метод актуализма», — рассказала Юлия Шувалова.

Сотрудники лаборатории продемонстрировали это на примере сравнения приапулид — современных головохоботных червей, собранных на побережье Белого моря, у которых есть скалиды — тонкие хитиновые шипы, которые не распадаются даже после разложения организма. Такие же скалиды были обнаружены у червей возрастом около 515 млн лет. Таким образом, можно проследить эволюцию живых организмов.

Материал подготовлен при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ