» » Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни

Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни


Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни

Рис. 1. Реконструкция лица африканского австралопитека, сделанная французским скульптором Элизабет Дайнэ (Elisabeth Daynes). Фото с сайта smithsonianmag.com


Один из наиболее интересных современных подходов к исследованию древних гоминид и, в частности, к реконструкции их пищевого поведения — масс-спектрометрический анализ микроэлементов в составе зубной эмали. Анализ образцов зубов африканских австралопитеков (Australopithecus africanus) из Южной Африки, возраст которых оценивается в 2,6–2,1 млн лет, позволил узнать, что в течение первого года жизни они питались исключительно материнским молоком, а затем испытывали ежегодный стресс, связанный с нехваткой пищи.

Эволюцию человека трудно представить в виде прямой линии — скорее это куст или запутанный клубок из множества видов, существовавших одновременно друг с другом на протяжении сотен тысяч лет. Тем не менее почти ни у кого нет сомнений в том, что происхождение рода Люди (Homo) связано с австралопитеками — древними приматами, населявшими Восточную и Южную Африку 4–2 млн лет назад.

Древнейшие находки австралопитеков на территории современной Эфиопии (анамские австралопитеки, Australophitecus anamensis) датируются возрастом 4,2–3,8 млн лет (Y. Haile-Selassie et al., 2019. A 3.8-million-year-old hominin cranium from Woranso-Mille, Ethiopia). На смену им пришли афарские австралопитеки (A. afarensis), жившие 3,7–3 млн лет назад, — к ним, в частности, относятся останки знаменитой Люси. Самым «молодым» видом считается A. africanus, африканский австралопитек, населявший саванны Южной Африки 3–2,1 млн лет назад.

Большинство останков африканских австралопитеков были обнаружены в карстовых пещерах Стеркфонтейн около Йоханнесбурга (первые останки австралопитеков были найдены там в 1936 году). Некоторые черты африканских австралопитеков (такие как размер и форма черепа, а также строение кисти) приближают их к современным людям. В недавних работах, например, утверждалось, что они могли изготавливать и использовать примитивные орудия труда (M. Skinner et al., 2015. Human-like hand use in Australopithecus africanus, см.: Рукопожатие австралопитека было вполне человеческим, «Элементы», 26.01.2015).


Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни

Рис. 2. Пещеры Стеркфонтейн в ЮАР на протяжении 80 лет оставались одним из наиболее продуктивных мест с точки зрения находок древних гоминид, а сейчас доступны для посещения туристам. Фото с сайта sowetotour.co.za


Львиную долю выводов об образе жизни, природном окружении и даже климате, в котором существовали наши предки, антропологи получают, изучая ископаемые кости и зубы (как самих гоминид, так и живших в то же время животных). Современные методы изучения зубов включают в себя исследование микрорельефа поверхности эмали (microwear), изотопного состава углерода и микроэлементов. Исследования показывают, что ранние австралопитековые употребляли в основном мягкие части растений: фрукты и нежные молодые листья, в изобилии имеющиеся во влажных лесах (местах обитания ископаемых обезьян — предков современных человекообразных обезьян и гоминид).

Около 2,8 млн лет резкое изменение климата, который стал более засушливым (P. B. deMenocal, 2004. African climate change and faunal evolution during the Pliocene–Pleistocene), привело к необходимости включения в диету твердых семян, корневищ и других грубых частей растений и вызвало увеличение размеров зубов, толщины эмали и лицевых костей у поздних австралопитеков (P. S. Ungar, M. Sponheimer, 2011. The Diets of Early Hominins). Дальнейшая эволюция привела к возникновению «массивных» австралопитеков, или парантропов (Paranthropus), с особенно мощным челюстным аппаратом и первых людей (Homo), которые пользовались орудиями труда для получения разнообразной калорийной пищи, включая мясную, и не нуждались в громадных зубах.


Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни

Рис. 3. Зарисовки и реконструкции черепов (слева) и образцы челюстей (справа) древних гоминид: африканского австралопитека (вверху), парантропа (в центре) и человека умелого (внизу). Иллюстрация из статьи P. S. Ungar, M. Sponheimer, 2011. The Diets of Early Hominins


Ученые продолжают спорить о том, где появились непосредственные предки человека — в Восточной или Южной Африке, однако почти никто не сомневается, что быстрые эволюционные изменения гоминид связаны именно с изменениями климата. Все места находок австралопитеков, по-видимому, представляли собой мозаики из леса и открытых пространств (саванны), и получившие развитие у австралопитеков двуногое хождение (бипедалия) связано именно с адаптациями к жизни в этих новых условиях.

Для саванн характерны периоды сезонной засухи, когда количество доступной пищи радикально уменьшается. Животные адаптируются к этим изменениям по-разному: одни совершают сезонные миграции в регионы с более мягким климатом, другие вынужденно переключаются на менее привлекательную и энергетически ценную пищу. Способность переживать засушливые периоды, не совершая миграций, помогает популяции защититься от хищников, которые мигрируют вслед за своими обычными жертвами. Сезонный цикл оказывает большее влияние на физиологию и социальное поведение обитателей саванн, к которым относились и австралопитеки.

Недавно в журнале Nature была опубликована статья международной команды ученых во главе с Рено Жоанн-Байо (Renaud Joannes-Bayau) из австралийского Университета Саузерн Кросс, в которой описаны результаты микроэлементного анализа зубов детенышей австралопитеков. Целью было изучение их питания на ранних стадиях развития. Ученые хотели понять, в частности, когда именно возникло характерное для современных людей быстрое прекращение грудного вскармливания. Действительно, и у людей, и у современных человекообразных обезьян период взросления и зависимости от взрослых занимает много лет. Но, в отличие от человека (в большинстве случаев период кормления у людей сейчас попадает в диапазон от года до 3 лет), современные человекообразные обезьяны выкармливают детей 4–5, а иногда и до 9 лет.

Эмаль постоянных зубов человека формируется на протяжении первых нескольких годов жизни, когда зачаток зуба еще находится глубоко внутри челюсти. После окончания минерализации (формирования кристаллов гидроксиапатита, из которых в основном состоит эмаль) клетки эпителия, секретирующие кальций и структурные белки эмали, отмирают. Таким образом, эмаль является «капсулой времени», фиксирующей события первых лет жизни. В некотором смысле, анализ состава эмали сравним с анализом годичных колец деревьев: их структура отражает условия конкретного периода жизни организма. Более того, в отличие от древесины и костной ткани, эмаль может на протяжении миллионов лет сохраняться в земле без существенных диагенетических изменений, сохраняя биогенное распределение изотопов и микроэлементов.

Характерный маркер питания молоком — повышенное содержание в зубной эмали бария. Этот элемент в природе сопутствует кальцию, однако, в отличие от него, почти не накапливается в тканях животных. До рождения барий не присутствует в организме, так как почти не всасывается из плаценты. Всплеск содержания бария в зубной эмали происходит в период питания материнским молоком. При лактации в организме матери происходит резорбция костей, сопровождающаяся увеличением концентрации кальция (а вместе с ним — и небольшого количества бария) в молоке, которое потребляет ребенок. Молоко содержит фосфопептиды, которые повышают биодоступность как кальция, так и, вероятно, бария. Наконец, при переходе на более грубую «взрослую» пищу содержание бария минимизируется: хотя некоторые растения накапливают высокие концентрации этого элемента, его биодоступность снижена по сравнению с материнским молоком (например, в бразильском орехе содержится 4 мг/г бария, но поедание орехов не приводит к отравлению людей).

Методика определения уровня бария уже была опробована на современных людях (так, анализ микроэлементов эмали позволяет установить, когда ребенка перевели с грудного вскармливания на молочную смесь, так как в ней больше бария, чем в молоке), неандертальцах, современных обезьянах и других млекопитающих. Исследуемый образец эмали точечно облучают лазером, ионизируя вещество и определяя элементный состав образовавшегося газа с помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (LA-ICP-MS). Антропологи изучали содержание трех элементов, сопровождающих кальций в составе костей и зубной эмали (бария, стронция и лития) и нормировали их содержание на количество кальция (Ca), которое отражает общий уровень минерализации. Из полученных отношений, выражающих относительное обогащение данными элементами в каждой точке, конструировалась «тепловая» карта распределения элементов в образце.

Изучение зубов двух австралопитеков (образцы Sts 28 и Sts 51), найденных в четвертом слое (Member 4) пещеры Стеркфонтейн (находки в этом слое датируются возрастом 2,6–2 млн лет), показало, что отношение бария к кальцию (Ba/Ca) в них увеличивалось с началом минерализации эмали и достигло пика через 6–9 месяцев (рис. 4, красные полосы — зоны повышенной концентрации бария). Это говорит о том, что австралопитеки получали преимущественно грудное молоко как минимум до возраста 6–9 месяцев, после чего в их диете начинала появляться грубая пища, которая полностью замещала молоко к возрасту 1 года. Затем отношение барий-кальций циклически изменялось с периодичностью 4–6 месяцев и 6–9 месяцев для первого и второго образцов соответственно. Подобные циклы продолжались как минимум до возраста 4–5 лет.


Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни

Рис. 4. a — срез эмали клыка австралопитека Sts 51 (буквами Sts обозначается принадлежность к каталогу Стеркфонтейн) и картирование относительного содержания бария (138Ba/43Ca). Направление роста зуба показано стрелкой. Две последовательные пунктирные линии соответствуют пику потребления грудного молока (около 9 месяцев) и окончанию этого периода (около 12 месяцев). Концентрация бария показана градиентом от синего (низкая) к красному (высокая). Длина масштабного отрезка — 1 мм. b — аналогичный анализ образца Sts 28. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature


Более того, аналогичные циклические сигналы были получены для исследованных изотопов стронция и лития (содержание этих элементов в эмали также отражает их концентрации в организме во время минерализации). Синхронные изменения содержания бария и стронция отличают зубы австралопитеков от зубов современных людей, где такие зоны или не обнаруживаются, или распределены хаотично.

Повторяющиеся паттерны увеличения концентрации бария (а также стронция и лития) в зубной эмали были ранее продемонстрированы у современных человекообразных обезьян (орангутанов). Они соответствовали повторяющимся периодам низкой доступности пищи, когда детеныши орангов увеличивали потребление материнского молока в качестве дополнительного источника калорий. Но орангутаны — крайне специализированные приматы, живущие в лесах, адаптированные к экстремальным перепадам количества доступной пищи и обладающие очень долгим (до 9 лет) периодом грудного вскармливания. Распространять полученные для них результаты на обитавших в саванне австралопитековых надо с осторожностью.


Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни

Рис. 5. а, b — микрофотографии (с 10-кратным увеличением) срезов первого моляра и первого премоляра австралопитека. c, d — картирование содержания лития 7Li/43Ca; e, f — бария 138Ba/43Ca. Цветовой шкалой от синего к красному показано относительное содержания элементов. Минерализация эмали первого постоянного моляра происходит в период от рождения до 7 лет жизни, первого премоляра — от 1,5 до 5 лет. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature


Чтобы собрать больше данных и правильно интерпретировать свои выводы, авторы обсуждаемой статьи изучили эмаль различных современных млекопитающих, обитающих в саванне, для которых характерно раннее (до одного года) прекращение грудного вскармливания (антилопы, каракала, большеухой лисицы, бабуина, кистеухой свиньи). Циклические зоны повышенного содержания бария и стронция были обнаружены почти во всех образцах. Наиболее похожими на австралопитеков по изотопному составу оказались зубы бабуина, которые также имели зоны повышенного содержания лития.

Получается, что зоны высокой концентрации бария у обитающих в саванне животных надо объяснять скорее сезонными изменениями диеты, то есть наличием другого источника хорошо усваиваемого бария, который периодически становится доступным. Цикличность менее выражена для хищников, чем для травоядных, значит первым в меньшей степени приходится менять привычную пищу. Интересно, что периодичность накопления изотопов в зубах бабуинов (~8 месяцев) хорошо совпадает с периодичностью у исследованных австралопитеков.


Состав зубной эмали австралопитеков говорит о пищевом стрессе первых лет их жизни

Рис. 6. a — микрофотография среза клыка австралопитека. b — картирование относительного содержания лития (7Li/43Ca); c — бария (138Ba/43Ca). Цветовая шкала показывает концентрацию этих элементов. d — рассчитанная периодичность отмеченных стрелками пиков бария (черная линия) и лития (красная линия) в эмали. Видно, что пики лития слегка предшествуют пикам бария. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature


Анализ синхронности изменений концентрации разных изотопов может говорить об источнике их получения. Не совпадающие друг с другом полосы повышенного содержания стронция и бария говорят об изменении диеты, то есть о питании другими растениями или частями растений, содержащими повышенную концентрацию того или иного элемента. Напротив, синхронные изменения говорят о получении элементов из одного источника, например, при деминерализации скелета.

Сравнение отношений литий-кальций и барий-кальций показало, что пики лития возникают непосредственно перед пиками бария. Такая взаимосвязь двух элементов характерна для современных бабуинов и орангутанов, но не для других изученных млекопитающих. Пики лития можно объяснить вынужденным переходом на другую пищу (разные растения и разные части растений содержат разную концентрацию лития). Компенсация недостающих калорий путем их получения из грудного молока может также приводить к повышению содержания лития, если при этом в организме матери происходят серьезные катаболические изменения (десорбция костной ткани). Литий мобилизуется из костной ткани быстрее, чем барий, что может объяснить, почему концентрация лития в эмали возрастает раньше.

Как бы то ни было, циклические изменения содержания лития указывают на существование физиологических адаптаций к периодам низкой доступности привычной пищи. Вероятно, австралопитеки действительно испытывали сезонный пищевой стресс и адаптировались к нему сообразно современным обезьянам, в частности, подкармливая детенышей грудным молоком в периоды голода, что позволяет выживать еще не обладающим достаточной мышечной и жировой массой детенышам. Когда другая пища в достатке, питание молоком прекращалось, что позволяло матери восстановить энергетические и минеральные ресурсы. Как уже упоминалось выше, такое поведение и его отражение на составе зубной эмали хорошо изучено у орангутанов, причем у обезьян, содержащихся в неволе (и, следовательно, на испытывающих проблем с едой), циклические паттерны не выражены.

Авторы обсуждаемой работы предполагают, что австралопитек, в отличие от современных человекообразных обезьян, обладал коротким периодом грудного вскармливания (один год) и был в этом отношении похож на людей современного типа. Циклические пики бария в зубной эмали связаны с сезонными колебаниями доступности пищи, но нельзя и исключить, что детеныши австралопитеков, как современные обезьяны, питались молоком в критические голодные периоды. Эти предположения подтверждаются в вышедшей в конце августа статье другой научной группы (T. Tacail et al., 2019. Calcium isotopic patterns in enamel reflect different nursing behaviors among South African early hominins), в котором были измерены соотношения изотопов кальция (44Ca/42Ca) в окаменелых зубах африканских австралопитеков, парантропов и ранних Homo. Указанные соотношения заметно отличают ранних людей от австралопитековых, что говорит о том, что люди могли дольше выкармливать детенышей исключительно грудным молоком и иметь более длительный интервал между родами. Хочется верить, что анализ большего количества образцов в будущем позволит детально разобраться в истории грудного вскармливания у наших предков, но уже сейчас напрашивается вывод о том, что вытекающая из обсуждаемой работы постоянная адаптация к новым источникам пищи не могла не отражаться на социальной структуре австралопитеков и могла сыграть свою роль в исчезновении вида около 2 млн лет назад.

Источник: Renaud Joannes-Boyau, Justin W. Adams, Christine Austin, Manish Arora, Ian Moffat, Andy I. R. Herries, Matthew P. Tonge, Stefano Benazzi, Alistair R. Evans, Ottmar Kullmer, Stephen Wroe, Anthony Dosseto & Luca Fiorenza. Elemental signatures of Australopithecus africanus teeth reveal seasonal dietary stress // Nature. 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1370-5.

Ольга Гилярова


02 ноябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Тибетское нагорье поднялось позже, чем предполагалось

При построении палеогеографических моделей важно учитывать как можно больше информации о том, как была устроена наша планета в прошлом. В том числе, желательно включать в них данные о рельефе,

Прелюдия истинной многоклеточности или ранние эволюционные эксперименты?

В Габоне в породах возрастом 2,1 млрд лет обнаружились структуры, которые можно интерпретировать как следы движения многоклеточного существа. Оно было покрыто клейким полисахаридным веществом и по

Древних людей с острова Лусон отнесли к новому виду

В пещере Кальяо на острове Лусон (Филиппины) найдены зубы и кости рук и ног, принадлежавшие людям, жившим здесь 50–67 тысяч лет назад. Морфологическое своеобразие находок позволило описать на их

Предок неандертальцев жил миллион лет назад

За счет новых раскопок ученые изучили различные формы древних людей, которых считают предшественниками человека разумного – единственный уцелевший представитель класса Homo. Однако ученые считают,

Ученые обнаружили неизвестный вид в родословной человека

Ученые сделали анализ гена неандертальца и денисовского человека и получив довольно полную информацию о ДНК этих видов оно выяснили, что два вида передали часть некоторых генов современным людям, к

Дату смерти можно установить в детстве

В новом исследовании Национального института биологических наук в Пекине (Китай) открывается возможность по всплескам активности в энергопроизводящих митохондриях прогнозировать продолжительность
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Шугаринг: плюсы и минусыПреимущества матрасов MatroluxeОсобенности продвижения сайтаПульмонология, лечение в АвстрииКак рождаются самые мощные магниты во ВселеннойУпавший в Коста-Рике метеорит пахнет брюссельской капустойКак заменить реальный срок на ИТРРедчайший метеор: дневные Секстантиды