Сучасними технологіями з палеоліту: космос і ДНК на службі в археологів

Роботизований тахеометр Topcon DS Robotic.

При слові «1916» уява малює озброєного лопатою суворого бородача, з фанатичним блиском в очах кидає землю з розкопу. Що ж, і в XXI столітті лопата, совок і пензель залишаються типовими знаряддями «мисливців за старожитностями», а земля все так само сиплеться з археологічних бород.

Однак ми з вами сьогодні поговоримо про те, які інновації перетворили археологічну науку в останні роки, дозволивши вченим прочитати такі сторінки людської історії, які, здавалося б, канули в небуття назавжди.

Фіксація

Але почнемо ми з речі прозової - з фіксації знахідок. Чому археологи так лають копачів-аматорів? Тому що для будь-якої археологічної знахідки вкрай важливий контекст. Розташування артефакту, розташування різних об'єктів (ям, залишків) та межі шарів повинні бути зафіксовані з максимальною точністю. Дістань знаряддя, монету, черепок з шару - і ти не запхнеш його назад. Археологічна інформація буде втрачена назавжди.

Як же правильно поводитися археологам? Технологія така. Будь-який розкоп поділяється на рівні квадрати за допомогою координатної сітки, а культурний шар знімається рівномірно, пластами товщиною в кілька сантиметрів. Класично квадратна сітка позначається на розкопі колішками. За допомогою цих колиць і рулеток всі знахідки, об'єкти і межі прошарків наносяться на польові креслення. Для фіксації глибини використовуються геодезичні прилади - нівеліри і теодоліти. Опишу звичну картину на розкопі. Одна людина ставить на місце знахідки нівелірну рейку, друга наводить на неї нівелір і вигукує цифри, а третя заносить отримане на креслення. Процес досить тривалий, занудний і іноді призводить до помилок.

Але прогрес не стоїть на місці. На допомогу археологам приходить електронно-оптичний тахеометр (Total Station) - роботизований прилад, що поєднує електронний теодоліт (вугломер) і далекомір. Спочатку ці пристрої використовувалися в геодезії і в будівництві, але стали незамінними в археології. Найбільш просунута версія майже все робить сама. Мрія археолога! Людині залишається тільки приставляти вішку з відбивачем до потрібних точок - прилад сам наводиться, знімає координати і заносить їх в базу даних (в тому числі з прив'язкою в GPS). Точність типової моделі становить 1 мм на відстані 1000 м. Робота прискорилася і спростилася, з нею справляється одна людина.

Ще один прогресивний підхід - фотограметрія, для якої потрібен той же тахеометр плюс цифрова фотокамера. На камеру фотографуються всі шари (під прямим кутом до поверхні - до речі, для цього зараз можуть використовуватися квадрокоптери), об'єкти, а також стінки розкопу. Координати контрольних точок фотографій вимірюються електронними тахеометрами. Після обробки спеціальним - між іншим, вітчизняним! - софтом виходить повна тривимірна модель розкопу і всіх об'єктів, що знаходяться на ньому, яку можна перетворити на різноманітні плани і розрізи. А ще можна використовувати просторовий 3D-сканер, який протягом декількох хвилин видає на комп'ютер готові тривимірні моделі.

Ми поговорили про фіксацію вже зроблених знахідок. А чи далеко просунулися технології пошуку? Що новенького, крім усім відомих (і, на жаль, стараннями чорних копачів поблажливих погану славу) металодетекторів?

Пошук

Існування інтернету і доступних супутникових карт дозволяє археологам вести пошук перспективних ділянок, не виходячи з дому. Саме так знайшов свою щасливу зірку південноафриканський антрополог Лі Бергер: у 2007 році, скориставшись сервісом Google Earth, він побачив, що багато років копав не в тому місці. За якийсь кілометр від національного парку «Колиска людства», де працював Бергер, розташувалися численні карстові печери, невідомі вченим. Вже в перший день роботи на новій ділянці Лі Бергер і його дев'ятирічний син Метью знайшли ключицю гомініда. За день їм вдалося обстежити двадцять одну невідому печеру. До кінця тижня кількість відкритих печер зросла до 125, і серед них - 14 ділянок з копалинами. До липня 2008 року невідомих печер налічувалося вже 700. Тут і трапилася перша сенсаційна знахідка Лі Бергера, яка відразу зробила його одним з найвідоміших антропологів у світі. У печері Малапа вчений відкопав два майже цілих скелети, що належать невідомому науці виду австралопитеку. У 2010 році Бергер дав новому виду назву Австралопітек седіба.

Ще одна космічна технологія, що перейшла на службу археологам - лідар (LIDAR - LIght Detection And Ranging, перекладається як «виявлення і визначення дальності за допомогою світла»). Так називається пристрій на основі лазерного далекоміру, який дозволяє сканувати рельєф земної поверхні. Лідари колись використовувалися NASA в програмі «Аполлонів», і зараз їх застосовують у роботі космічних апаратів для вивчення поверхні планет або астероїдів. Такі прилади намагаються робити максимально маленькими і легкими. Тому лідар виявилося нескладно встановити і на звичайному літаку, щоб сканувати маловивчені ділянки нашої планети - на допомогу археологам. Сучасний лідар будує 3D-модель поверхні, і - що особливо здорово - проникає через рослинність, створюючи ефект «голої землі». Таким чином, археологи можуть бачити структури, повністю приховані деревами, чагарниками і травою. Це дозволяє заощадити багато часу, який зазвичай витрачається на пошук перспективних місць для розкопок. Зліва аерофотознімок лісу в Коннектикуті. Праворуч - зображення, отримане за допомогою лідара, яке дає картину «голої землі» без рослинності. Видно залишки кам'яних стін, фундаменти, занедбані дороги. На сайті NASA, рухаючи слайдер, можна побачити, як лідар оголює приховані рослинністю особливості місцевості.

Використання лідарів в археології вже принесло безліч результатів. Так, біля річки Бівер в Оклахомі дослідники виявили ряд прихованих лісами і засипаних ярів, що містять численні скелети бізонів. Понад 10 тис. років тому цих бізонів заганяли в яри і забивали стародавні мисливці. Лідари надали неоціненну допомогу археологам і в інших відомих відкриттях останніх років, таких як знахідка легендарного загубленого міста Сьюдад-Бланка в джунглях Гондурасу. З великим успіхом лідар застосовують і в Європі для виявлення городищ, валів та інших архітектурних об'єктів, прихованих у лісі.

Реконструкція та копіювання

Тепер про роботу з стародавніми кістками і черепами. Торкаючись унікальних знахідок, антропологам, як і медикам, належить дотримуватися принципу «Не нашкодь!» Адже, як у випадку з шедеврами мистецтва, об'єкт дослідження існує в єдиному екземплярі. Але як бути, якщо вченим потрібно подивитися, що всередині? У старі добрі часи фахівець, нічтоже зумнісши, розпилював унікальний екземпляр або сверлив в ньому дірки. У підсумку антрополог дізнавався, наприклад, як у неандертальця влаштована верхня щелепа - але при цьому унікальний череп в буквальному сенсі «втрачав обличчя» (як було у випадку з черепом Мустьє 1). А якщо знахідка вже зруйнована і деформована, складається з безлічі фрагментів? Для останків, що пролежали в землі сотні тисяч років, це швидше правило, ніж виняток. Розрізнені частини, як пазл, потрібно постаратися зібрати разом. Колись реконструкція робилася за допомогою спритних рук і клею. Але ж не завжди все виходить з першої спроби! А забруднення клеєм аж ніяк не на користь давнім кісткам.

І ще одна проблема, пов'язана з унікальністю об'єктів дослідження: череп один, а науковців багато. Щоб фахівці по всьому світу не були обділені, з знахідки робилися гіпсові зліпки, які розсилалися дослідникам в різних країнах. Самі розумієте, гіпсовий зліпок - це, м'яко кажучи, не оригінал.

Але на початку XXI століття на допомогу антропологам прийшли високі технології. Принципово новий підхід був використаний при реконструкції скелета ардипітека. Череп ARA-VP-6/500, знайдений ще в 90-ті роки минулого століття, сильно постраждав. Зуби, частина обличчя і черепної коробки антропологи знайшли розчавленими в безформний млинець. Щоб відтворити початкову форму черепа, вчені вирішили використовувати віртуальну реконструкцію. У грудні 2003 р. уламки черепа були «оцифровані» за допомогою комп'ютерного томографа високої роздільної здатності, що знаходився в університеті Токіо. В результаті фахівці отримали віртуальні копії 64 фрагментів (відсканованих з роздільною здатністю 100 - 200 мікрон). Скани головних елементів черепа були переведені в понад 5000 цифрових «зрізів». Подальша реконструкція проводилася з цими віртуальними частинами, для кожної з яких вчені відновлювали вихідну форму, а потім підганяли один до одного. Віртуальна реконструкція черепа Ardipithecus ramidus.

Аналогічним чином вчинив Лі Бергер з черепом Австралопітека седиби. Справа в тому, що останки були знайдені фактично вмурованими в породу. «По-старому» належало б довго-довго, міліметр за міліметром, очищати безцінний череп від матриксу. Така робота займає багато місяців, а то й роки. Але не такий Бергер. Разом з шматком скелі череп привезли в Гренобль, де «очищення» провели за допомогою потужного синхротрон-томографа: кістки просканували разом з брекчією і побудували віртуальну модель. Вчені отримали доступ навіть до внутрішньої частини черепа, хоча сама знахідка залишалася неушкодженою. Це дозволило виявити всередині черепної коробки якісь неоднорідності, що повторюють структури мозку, а також яйця комах, які, мабуть, потрапили всередину два мільйони років тому, коли останки були ще свіжими. Малювання 3D-скана черепа Australopithecus sediba. Хребець Australopithecus sediba готовий до сканування в синхротрон-томографі.

Надалі Бергер, застосовуючи такий же метод, виявляв нові кістки, що повністю знаходяться всередині кам'яних брил і невидимі зовні.

Коли, через кілька років, удача знову посміхнулася Лі Бергеру, у вигляді численних кісток нового виду Homo naledi, той здивував наукову спільноту, виклавши 3D-копії знахідок у вільний доступ для скачування на сайті MorphoSource.org. Південноафриканський антрополог впевнений, що максимальна відкритість - запорука успішної наукової роботи. Незабаром приклад Бергера наслідували його американські колеги, які вивчали знамениту Люсі - з дозволу Національного музею Ефіопії в серпні 2016 р. вони почали викладати віртуальні копії частин скелета: http://www.elucy.org/( поки доступні праве плече і ліве коліно).

Викладені частини скелета навіть надрукували на 3D-принтері:

Сліди минулого

Тепер поговоримо про методи, за допомогою яких витягують інформацію з самих знахідок. Відповідно до прийнятих правил, знахідки - будь то наконечник стріли або кам'яне рубало - після вилучення з розкопу, належить очищати від землі. Але чи не втрачається при цьому важлива інформація? Адже до поверхні стародавнього знаряддя могли прилипнути залишки їжі або, припустимо, кров убитої тварини. Згадаймо, як діють криміналісти: намагаються не торкатися до передбачуваного знаряддя вбивства, щоб не знищити сліди. Археологи, які вивчали неандертальську стоянку Абрі ду Марас у Франції, вирішили брати приклад із судових експертів. Кам'яні інструменти, знайдені на пам'ятнику, не мили, а відразу запечатували в герметичні пакунки і доставляли в лабораторію, де оглядали під потужним мікроскопом. Така методика дозволила виявити на кромках неандертальських гармат фрагменти кролячого волосся, суперечки грибів і частинки риб'ячої луски - сліди трапези, що відбулася 90 тис. років тому. А наступна знахідка взагалі вразила вчених. До поверхні однієї з знахідок прилипли перекручені рослинні волокна - не інакше, залишки найдавнішої мотузки. Можливо, з її допомогою кам'яний наконечник кріпився колись до древка списа. Скручені волокна на поверхні гармат з Абрі ду Марас. Імовірно, фрагмент риб'ячої луски на поверхні гармат з Абрі ду Марас.

Інша група археологів застосувала аналогічний підхід до знарядь зі стоянки в оазисі Азрак в Йорданії (найдавніші шари пам'ятника сформувалися 266 тис. років тому). Для аналізу мікроостатків застосували процедуру, яка давно практикується в судово-медичній експертизі - перехрестяний імуноелектрофорез. Цей метод дозволяє виявити на поверхні зразка сліди білка і визначити, якими тваринами ці сліди залишені. Залишки білка виявилися на 17 зразках - виявилося, що 250 тис. років тому цими знаряддями різали м'ясо носорогів, коней, верблюдів, биків і качок. Настільки різноманітний набір дичини був несподіваним.

Важко уявити, скільки безцінної інформації археологи безповоротно втрачали досі! Але нічого - в землі лежить ще чимало знарядь, що чекають дослідників.

Стародавня ДНК

Успіхам палеогенетики присвячено безліч популярних статей і книг. Безумовно, з тих пір, коли в 1985 році вперше вдалося виділити ДНК з єгипетської мумії, в цій галузі науки зроблено колосальний прорив. Стародавні геноми розповіли нам про схрещення неандертальців і кроманьйонців; про колір волосся, очей і шкіри неандертальців, про їх метаболізм, про можливу будову мозку, адаптаційні можливості, вроджені хвороби. Саме палеогенетика відкрила для вчених загадкову денисівську людину. На сьогоднішній день найдавнішою ДНК, яку вдалося витягти з людських кісток, 430 тис. років - після ряду спроб вчені прочитали фрагменти спочатку мітохондріального, а потім і ядерного геному гейдельберзької людини з печери Сіма де лос Уесос (Іспанія). Вважаю, це далеко не межа.

В археологічних дослідженнях все частіше застосовується метагеномний аналіз. Так називається підхід, при якому фахівці виділяють весь генетичний матеріал, що міститься в деякому зразку з навколишнього середовища - будь то проба води або людські екскременти. У такому «метагеномі» можуть бути фрагменти ДНК тисяч живих істот - в першу чергу мікроорганізмів, але не тільки. За допомогою спеціально розроблених процедур фахівці визначають, кому належали ці «шматочки коду». Чим такий підхід корисний археологам?

Наприклад, потрібно з "ясувати, коли на острові Святого Павла вимерли мамонти. Як це зробити? Датувати кістки? Але знахідка кісток навіть такої великої тварини - справа випадку; останки останніх мамонтів, можливо, ніколи не будуть знайдені. Що ж, вчені знайшли інший спосіб - взяли проби (керни) донних відкладень острівних озер. Такі відкладення повинні містити екскременти тварин, що мешкали на острові. За допомогою низки методів шари кернів були надійно датовані. Провівши метагеномний аналіз, вчені побачили, що ДНК мамонтів є в шарах старше 5 650 років, а в більш молодих відсутній. Цю ж дату показав спірний аналіз проб: спори грибків, що живуть у гноті рослинноїдних ссавців, зникли з відкладень 5,6 тис. років тому. Цифри чудово збіглися з радіовуглецевими датуваннями кісток мамонтів - теж зниклих приблизно 5 з половиною тисяч років тому. Отже, дату вдалося встановити кількома незалежними методами. Мало того - за вмістом у відкладеннях деяких видів планктону, діатонічних водоростей, безхребетних і пилки рослин вчені з'ясували, як змінювався клімат на острові, і дійшли висновку: мамонтів погубила банальна відсутність прісної води.

А ось зовсім свіже приголомшливе дослідження. Цього разу метагеномного аналізу зазнав зубний камінь неандертальців з Іспанії (печера Ель-Сідрон) і Бельгії (печера Спі). З'ясувалося, що бельгійські неандертальці їли на обід носорогів, баранів і гриби (конкретно - гриб-навізник). А їхні південні родичі виявилися мало не вегетаріанцями - у всякому разі, дослідження не виявило в зубному камені ДНК тваринного походження. Зате - кедрові горіхи, знову-таки гриби, мох і тополя (!). З приводу тополі автори висунули екстравагантну гіпотезу. Справа в тому, що в тканинах тополі міститься саліцилова кислота - знеболювальне, активний компонент аспірину. Неандертальський підліток страждав від абсцесу зубів. Може, юнак намагався таким чином вгамувати зубний біль? Втім, набагато ймовірніше прозове пояснення: неандертальці могли використовувати зуби як інструменти, наприклад, обкусувати гілки, загострювати їх або очищати від кори. Та й просто копирсатися в зубах паличкою. Ось вам і тополя на зубах. Череп неандертальця Спі 1. Фото: We El.

Звичайно, не скрізь палеогенетиків супроводжує удача: для збереження ДНК потрібні особливі умови. Ідеально - прохолодна і суха печера. Тому не привели поки ні до чого спроби витягти хоч якусь генетичну інформацію з хоббітів з острова Флорес. Тропіки - не найкраще місце для зберігання. Хай живуть сибірські печери!

Однак навіть якщо зразок погано зберігся або занадто малий, щоб виділити з нього достатньо генетичного матеріалу, вчені не сумують. На допомогу приходить протеомний аналіз - дослідження амінокислотного складу протеїнів, що містяться в кістках. В останках може зовсім не бути ДНК, але збережеться білок колаген. Набір амінокислот, що становлять білок, може відрізнятися у різних видів тварин. Так, за амінокислотною послідовністю колагену можна відрізнити неандертальця від сапієнсу. Саме така процедура дозволила вченим з'ясувати, що творцями прогресивної культури шательперон були неандертальці. Яким чином? Фахівці проаналізували склад білків з маленьких кісткових фрагментів, знайдених в Оленькій печері у французькому містечку Арсі-сюр-Кюр (де виявлено знаряддя культури шательперон). Уламки кісток були настільки малі, що звичайними методами їх приналежність встановити ніяк неможливо. Однак протеомний аналіз підтвердив, що кістки належали саме неандертальцям. Ще одну перевагу нового підходу вчені продемонстрували, з'ясувавши за амінокислотним складом, що останки належали не дорослому, а грудному немовляті. Ніякий аналіз ДНК не дозволив би це дізнатися.

Ізотопи

Ще один підхід, що змушує «говорити» викопні кістки - ізотопний аналіз. Стабільні ізотопи, які потрапляють в організм з їжею і водою, накопичуються в кістках і зубах. Через тисячі і навіть мільйони років, за змістом тих чи інших ізотопів у викопних останках можна багато чого дізнатися про життя їхнього господаря. Наприклад, стабільні ізотопи стронцію ⁸⁷Sr і ⁸⁶Sr. Ці ізотопи містяться в ґрунті, звідки потрапляють в рослини, а потім разом з їжею - в організми рослинноїдних тварин. Кількість даних ізотопів у землі (і їх процентне співвідношення) залежить від геологічних особливостей місцевості. Таке ж співвідношення ізотопів стронцію повинно бути і в зубах тих, хто поїдає рослини в даному районі і рідко залишає його. А якщо співвідношення інше - значить, тварина прийшла сюди з інших країв. Коротше кажучи, дані про утримання ізотопів стронцію в зубах можуть розповісти про міграції тварин. Саме так антропологи з'ясували особливості поведінки австралопітеків, які жили в Південній Африці 2 млн років тому. Виявилося, що самки австралопитеків, подорослішавши, були схильні залишати рідні краї - ймовірно, в пошуках нових чоловіків. Самці ж виявилися більш осідлими, вони намагалися триматися тієї території, на якій народилися. Зуб до (C, E) і після (D, F) взяття зразка для ізотопного аналізу.

А ще кістки зберігають інформацію про харчування їх господаря. Здорово, що за утриманням в емалі зубів стабільних ізотопів вуглецю ¹³C і ¹²C можна розрізняти тварин, які харчувалися переважно трав'янистими або деревними рослинами. Яким чином? Існує кілька шляхів, якими в рослинах здійснюється фотосинтез. Дерева і чагарники використовують т. зв. C3-шлях (цикл Кальвіна). Однак деякі трав "янисті рослини, що ростуть у саваннах і пустелях - такі, як трави й осоки - використовують інший тип фотосинтезу - C₄ (цикл Хетча - Слека - Карпілова). Зміст ¹³C у них інший, вищий.

Тому відносний вміст ізотопів вуглецю ¹³C і ¹²C (позначається ^ 13C) в деякому викопному зубі розповість нам про раціон володаря цього зуба.

Цей аналіз дає можливість відокремити поїдачів трави, таких, як зебри або антилопи гну, від любителів деревного листя і плодів, на кшталт шимпанзе або жирафів.

Саме цей спосіб допоміг вченим дізнатися, що австралопітеки Східної Африки - на відміну від сучасних людиноподібних - вживали в їжу не тільки деревне листя і плоди, але і значну кількість ресурсів савани (ймовірно, траву і осоку). Цього ніколи не роблять нинішні "