Современными технологиями по палеолиту: космос и ДНК на службе у археологов

Роботизированный тахеометр Topcon DS Robotic
Роботизированный тахеометр Topcon DS Robotic.

При слове «археолог» воображение рисует вооружённого лопатой сурового бородача, с фанатичным блеском в глазах кидающего землю из раскопа. Что же, и в XXI веке лопата, совок и кисть остаются типичными орудиями «охотников за древностями», а земля всё так же сыплется из археологических бород.

Однако мы с вами сегодня поговорим о том, какие инновации преобразили археологическую науку в последние годы, позволив учёным прочитать такие страницы человеческой истории, которые, казалось бы, канули в небытие навсегда.

Фиксация

Но начнём мы с вещи прозаической — с фиксации находок. Почему археологи так ругают копателей-любителей? Потому что для любой археологической находки крайне важен контекст. Местоположение артефакта, положение различных объектов (ям, остатков построек) и границы слоёв должны быть зафиксированы с максимальной точностью. Достань орудие, монету, черепок из слоя — и ты не запихнёшь его обратно. Археологическая информация будет утрачена навсегда.

Как же правильно поступать археологам? Технология такова. Любой раскоп разделяется на равные квадраты с помощью координатной сетки, а культурный слой снимается равномерно, пластами толщиной в несколько сантиметров. Классически квадратная сетка обозначается на раскопе колышками. С помощью этих колышков и рулеток все находки, объекты и границы прослоек наносятся на полевые чертежи. Для фиксации глубины используются геодезические приборы — нивелиры и теодолиты. Опишу привычную картину на раскопе. Один человек ставит на место находки нивелирную рейку, второй наводит на неё нивелир и выкрикивает цифры, а третий заносит полученное на чертёж. Процесс довольно длительный, занудный и иногда приводящий к ошибкам.

Но прогресс не стоит на месте. На помощь археологам приходит электронно-оптический тахеометр (Total Station) — роботизированный прибор, сочетающий электронный теодолит (угломер) и дальномер. Изначально эти устройства использовались в геодезии и в строительстве, но стали незаменимыми в археологии. Самая продвинутая версия почти всё делает сама. Мечта археолога! Человеку остаётся только приставлять вешку с отражателем к нужным точкам — прибор сам наводится, снимает координаты и заносит их в базу данных (в том числе с привязкой в GPS). Точность типичной модели составляет 1 мм на расстоянии 1000 м. Работа ускорилась и упростилась, с ней справляется один человек.

Ещё один прогрессивный подход — фотограмметрия, для которой нужен тот же тахеометр плюс цифровая фотокамера. На камеру фотографируются все слои (под прямым углом к поверхности — кстати, для этого сейчас могут использоваться квадрокоптеры), объекты, а также стенки раскопа. Координаты контрольных точек фотографий измеряются электронными тахеометрами. После обработки специальным — между прочим, отечественным! — софтом получается полная трёхмерная модель раскопа и всех находящихся на нём объектов, которую можно преобразовать в разнообразные планы и разрезы. А ещё можно использовать пространственный 3D-сканер, который в течение нескольких минут выдаёт на компьютер готовые трёхмерные модели.

Мы поговорили о фиксации уже сделанных находок. А далеко ли продвинулись технологии поиска? Что новенького, помимо всем известных (и, увы, стараниями чёрных копателей снискавших дурную славу) металлодетекторов?

Поиск

Существование интернета и доступных спутниковых карт позволяет археологам вести поиск перспективных участков, не выходя из дома. Именно так обрёл свою счастливую звезду южноафриканский антрополог Ли Бергер: в 2007 году, воспользовавшись сервисом Google Earth, он увидел, что многие годы копал не в том месте. В каком-то километре от национального парка «Колыбель человечества», где работал Бергер, расположились многочисленные карстовые пещеры, неизвестные учёным. Уже в первый день работы на новом участке Ли Бергер и его девятилетний сын Мэтью нашли ключицу гоминида. За день им удалось обследовать двадцать одну неизвестную пещеру. К концу недели число открытых пещер выросло до 125, и среди них — 14 участков с ископаемыми. К июлю 2008 года неизвестных пещер насчитывалось уже 700. Тут-то и случилась первая сенсационная находка Ли Бергера, сразу сделавшая его одним из самых известных антропологов в мире. В пещере Малапа учёный откопал два почти целых скелета, принадлежащих неизвестному науке виду австралопитека. В 2010 году Бергер дал новому виду название Австралопитек седиба.

Ещё одна космическая технология, перешедшая на службу археологам — лидар (LIDAR — LIght Detection And Ranging, переводится как «обнаружение и определение дальности с помощью света»). Так называется устройство на основе лазерного дальномера, которое позволяет сканировать рельеф земной поверхности. Лидары когда-то использовались NASA в программе «Аполлонов», и сейчас их применяют в работе космических аппаратов для изучения поверхности планет или астероидов. Такие приборы стараются делать максимально маленькими и лёгкими. Поэтому лидар оказалось несложно установить и на обычном самолёте, чтобы сканировать малоизученные участки нашей планеты — в помощь археологам. Современный лидар строит 3D-модель поверхности, и — что особенно здорово — проникает через растительность, создавая эффект «голой земли». Таким образом, археологи могут видеть структуры, полностью скрытые деревьями, кустарниками и травой. Это позволяет сэкономить много времени, которое обычно тратится на поиск перспективных мест для раскопок.

Аэрофотоснимок леса в Коннектикуте и сканирование LIDAR
Слева аэрофотоснимок леса в Коннектикуте. Справа — изображение, полученное с помощью лидара, которое даёт картину «голой земли» без растительности. Видны остатки каменных стен, фундаменты, заброшенные дороги. На сайте NASA, двигая слайдер, можно увидеть, как лидар обнажает скрытые растительностью особенности местности.

Использование лидаров в археологии уже принесло множество результатов. Так, возле реки Бивер в Оклахоме исследователи обнаружили ряд скрытых лесами и засыпанных оврагов, содержащих многочисленные скелеты бизонов. Более 10 тыс. лет назад этих бизонов загоняли в овраги и забивали древние охотники. Лидары оказали неоценимую помощь археологам и в других известных открытиях последних лет, таких как находка легендарного затерянного города Сьюдад-Бланка в джунглях Гондураса. С большим успехом лидар применяют и в Европе для обнаружения городищ, валов и прочих архитектурных объектов, скрытых в лесу.

Реконструкция и копирование

Теперь о работе с древними костями и черепами. Прикасаясь к уникальным находкам, антропологам, как и медикам, полагается следовать принципу «Не навреди!» Ведь, как в случае с шедеврами искусства, объект исследования существует в единственном экземпляре. Но как быть, если учёным нужно посмотреть, что внутри? В старые добрые времена специалист, ничтоже сумняшеся, распиливал уникальный экземпляр или сверлил в нём дырки. В итоге антрополог узнавал, например, как у неандертальца устроена верхняя челюсть — но при этом уникальный череп в буквальном смысле «терял лицо» (как было в случае с черепом Мустье 1). А если находка уже разрушена и деформирована, состоит из множества фрагментов? Для останков, пролежавших в земле сотни тысяч лет, это скорее правило, чем исключение. Разрозненные части, как пазл, нужно постараться собрать вместе. Когда-то реконструкция делалась с помощью ловких рук и клея. Но ведь не всегда всё получается с первой попытки! А загрязнение клеем отнюдь не на пользу древним костям.

И ещё одна проблема, связанная с уникальностью объектов исследования: череп один, а учёных много. Чтобы специалисты по всему миру не были обделены, с находки делались гипсовые слепки, которые рассылались исследователям в разных странах. Сами понимаете, гипсовый слепок — это, мягко говоря, не оригинал.

Но в начале XXI века на помощь антропологам пришли высокие технологии. Принципиально новый подход был использован при реконструкции скелета ардипитека. Череп ARA-VP-6/500, найденный ещё в 90-е годы прошлого века, сильно пострадал. Зубы, часть лица и черепной коробки антропологи нашли раздавленными в бесформенный блин. Чтобы воссоздать первоначальную форму черепа, учёные решили использовать виртуальную реконструкцию. В декабре 2003 г. обломки черепа были «оцифрованы» с помощью компьютерного томографа высокого разрешения, находившегося в университете Токио. В результате специалисты получили виртуальные копии 64 фрагментов (отсканированных с разрешением 100—200 микрон). Сканы главных элементов черепа были переведены в более 5000 цифровых «срезов». Дальнейшая реконструкция проводилась с этими виртуальными частями, для каждой из которых учёные восстанавливали исходную форму, а затем подгоняли друг к другу.

Виртуальная реконструкция черепа Ardipithecus ramidus
Виртуальная реконструкция черепа Ardipithecus ramidus.

Аналогичным образом поступил Ли Бергер с черепом Австралопитека седибы. Дело в том, что останки были найдены фактически вмурованными в породу. «По старинке» полагалось бы долго-долго, миллиметр за миллиметром, очищать бесценный череп от матрикса. Такая работа занимает многие месяцы, а то и годы. Но не таков Бергер. Вместе с куском скалы череп привезли в Гренобль, где «очистку» провели с помощью мощного синхротрон-томографа: кости просканировали вместе с брекчией и построили виртуальную модель. Учёные получили доступ даже к внутренней части черепа, хотя сама находка оставалась неповреждённой. Это позволило обнаружить внутри черепной коробки некие неоднородности, повторяющие структуры мозга, а также яйца насекомых, которые, видимо, попали внутрь два миллиона лет назад, когда останки были ещё свежими.

Прорисовка 3D-скана черепа Australopithecus sediba
Прорисовка 3D-скана черепа Australopithecus sediba.
Позвонок Australopithecus sediba готов к сканированию в синхротрон-томографе.
Позвонок Australopithecus sediba готов к сканированию в синхротрон-томографе.

В дальнейшем Бергер, применяя такой же метод, обнаруживал новые кости, полностью находящиеся внутри каменных глыб и невидимые снаружи.

Когда, спустя несколько лет, удача вновь улыбнулась Ли Бергеру, в виде многочисленных костей нового вида Homo naledi, тот удивил научное сообщество, выложив 3D-копии находок в свободный доступ для скачивания на сайте MorphoSource.org. Южноафриканский антрополог уверен, что максимальная открытость — залог успешной научной работы. Вскоре примеру Бергера последовали его американские коллеги, изучавшие знаменитую Люси — с разрешения Национального музея Эфиопии в августе 2016 г. они начали выкладывать виртуальные копии частей скелета: http://www.elucy.org/ (пока доступны правое плечо и левое колено).

Выложенные части скелета даже напечатали на 3D-принтере:

Следы прошлого

Теперь поговорим о методах, с помощью которых извлекают информацию из самих находок. В соответствии с принятыми правилами, находки — будь то наконечник стрелы или каменное рубило — после извлечения из раскопа, полагается очищать от земли. Но не теряется ли при этом важная информация? Ведь к поверхности древнего орудия могли прилипнуть остатки пищи или, допустим, кровь убитого животного. Вспомним, как действуют криминалисты: стараются не прикасаться к предполагаемому орудию убийства, чтобы не уничтожить следы. Археологи, изучавшие неандертальскую стоянку Абри ду Марас во Франции, решили брать пример с судебных экспертов. Каменные инструменты, найденные на памятнике, не мыли, а сразу запечатывали в герметичные самозаклеивающиеся пакеты и доставляли в лабораторию, где осматривали под мощным микроскопом. Такая методика позволила обнаружить на кромках неандертальских орудий фрагменты кроличьих волос, споры грибов и частицы рыбьей чешуи — следы трапезы, состоявшейся 90 тыс. лет назад. А следующая находка и вовсе поразила учёных. К поверхности одной из находок прилипли перекрученные растительные волокна — не иначе, остатки древнейшей верёвки. Возможно, с её помощью каменный наконечник крепился когда-то к древку копья.

Скрученные волокна на поверхности орудий из Абри ду Марас
Скрученные волокна на поверхности орудий из Абри ду Марас.
Предположительно, фрагмент рыбьей чешуи на поверхности орудий из Абри ду Марас
Предположительно, фрагмент рыбьей чешуи на поверхности орудий из Абри ду Марас.

Другая группа археологов применила аналогичный подход к орудиям со стоянки в оазисе Азрак в Иордании (древнейшие слои памятника сформировались 266 тыс. лет назад). Для анализа микроостатков применили процедуру, которая давно практикуется в судебно-медицинской экспертизе — перекрёстный иммуноэлектрофорез. Этот метод позволяет обнаружить на поверхности образца следы белка и определить, какими животными эти следы оставлены. Остатки белка обнаружились на 17 образцах — оказалось, что 250 тыс. лет назад этими орудиями резали мясо носорогов, лошадей, верблюдов, быков и уток. Столь разнообразный набор дичи был неожиданным.

Трудно представить, сколько бесценной информации археологи безвозвратно теряли до сих пор! Но ничего — в земле лежит ещё немало орудий, ждущих исследователей.

Древняя ДНК

Успехам палеогенетики посвящено множество популярных статей и книг. Безусловно, с тех пор, когда в 1985 году впервые удалось выделить ДНК из египетской мумии, в этой области науки сделан колоссальный прорыв. Древние геномы рассказали нам о скрещивании неандертальцев и кроманьонцев; о цвете волос, глаз и кожи неандертальцев, об их метаболизме, о возможном строении мозга, адаптационных возможностях, врождённых болезнях. Именно палеогенетика открыла для учёных загадочного денисовского человека. На сегодняшний день древнейшей ДНК, которую удалось извлечь из человеческих костей, 430 тыс. лет — после ряда попыток учёные прочитали фрагменты сначала митохондриального, а затем и ядерного генома гейдельбергского человека из пещеры Сима де лос Уэсос (Испания). Полагаю, это далеко не предел.

В археологических исследованиях всё чаще применяется метагеномный анализ. Так называется подход, при котором специалисты выделяют весь генетический материал, содержащийся в некотором образце из окружающей среды — будь то проба воды или человеческие экскременты. В таком «метагеноме» могут быть фрагменты ДНК тысяч живых существ — в первую очередь микроорганизмов, но не только. С помощью специально разработанных процедур специалисты определяют, кому принадлежали эти «кусочки кода». Чем такой подход полезен археологам?

Ну, например, нужно выяснить, когда точно на острове Святого Павла вымерли мамонты. Как это сделать? Датировать кости? Но находка костей даже такого крупного животного — дело случая; останки последних мамонтов, возможно, никогда не будут найдены. Что ж, учёные нашли другой способ — взяли пробы (керны) донных отложений островных озёр. Такие отложения должны содержать экскременты животных, обитавших на острове. С помощью ряда методов слои кернов были надёжно датированы. Проведя метагеномный анализ, учёные увидели, что ДНК мамонтов есть в слоях старше 5 650 лет, а в более молодых отсутствует. Эту же дату показал споровый анализ проб: споры грибков, живущих в навозе растительноядных млекопитающих, исчезли из отложений 5,6 тыс. лет назад. Цифры замечательным образом совпали с радиоуглеродными датировками костей мамонтов — тоже исчезнувших примерно 5 с половиной тысяч лет назад. Итак, дату удалось установить несколькими независимыми методами. Мало того — по содержанию в отложениях некоторых видов планктона, диатонических водорослей, беспозвоночных и пыльцы растений учёные выяснили, как менялся климат на острове, и пришли к выводу: мамонтов погубило банальное отсутствие пресной воды.

А вот совсем свежее потрясающее исследование. На этот раз метагеномному анализу подвергся зубной камень неандертальцев из Испании (пещера Эль-Сидрон) и Бельгии (пещера Спи). Выяснилось, что бельгийские неандертальцы ели на обед носорогов, баранов и грибы (конкретно — гриб-навозник). А их южные родственники оказались чуть ли не вегетарианцами — во всяком случае, исследование не выявило в зубном камне ДНК животного происхождения. Зато — кедровые орехи, опять-таки грибы, мох и тополь (!). По поводу тополя авторы выдвинули экстравагантную гипотезу. Дело в том, что в тканях тополя содержится салициловая кислота — обезболивающее, активный компонент аспирина. Неандертальский подросток страдал от абсцесса зубов. Может, юноша пытался таким образом унять зубную боль? Впрочем, гораздо вероятней прозаическое объяснение: неандертальцы могли использовать зубы как инструменты, например, обкусывать ветки, заострять их или очищать от коры. Да и просто ковыряться в зубах палочкой. Вот вам и тополь на зубах.

Череп неандертальца Спи 1. Фото: We El.
Череп неандертальца Спи 1. Фото: We El.

Конечно, не везде палеогенетикам сопутствует удача: для сохранности ДНК нужны особые условия. Идеально — прохладная и сухая пещера. Поэтому не привели пока ни к чему попытки извлечь хоть какую-то генетическую информацию из хоббитов с острова Флорес. Тропики — не лучшее место для хранения. Да здравствуют сибирские пещеры!

Однако даже если образец плохо сохранился или слишком мал, чтобы выделить из него достаточно генетического материала, учёные не унывают. На помощь приходит протеомный анализ — исследование аминокислотного состава протеинов, содержащихся в костях. В останках может совсем не быть ДНК, но сохранится белок коллаген. Набор аминокислот, составляющих белок, может различаться у разных видов животных. Так, по аминокислотной последовательности коллагена можно отличить неандертальца от сапиенса. Именно такая процедура позволила учёным выяснить, что творцами прогрессивной культуры шательперрон были неандертальцы. Каким образом? Специалисты проанализировали состав белков из маленьких костных фрагментов, найденных в Оленьей пещере во французском местечке Арси-сюр-Кюр (где обнаружены орудия культуры шательперрон). Обломки костей были настолько малы, что обычными методами их принадлежность установить никак невозможно. Однако протеомный анализ подтвердил, что кости принадлежали именно неандертальцам. Ещё одно преимущество нового подхода учёные продемонстрировали, выяснив по аминокислотному составу, что останки принадлежали не взрослому, а грудному младенцу. Никакой анализ ДНК не позволил бы это узнать.

Изотопы

Ещё один подход, заставляющий «говорить» ископаемые кости — изотопный анализ. Стабильные изотопы, которые попадают в организм с пищей и водой, накапливаются в костях и зубах. Через тысячи и даже миллионы лет, по содержанию тех или иных изотопов в ископаемых останках можно многое узнать о жизни их хозяина. Например, стабильные изотопы стронция 87Sr и 86Sr. Эти изотопы содержатся в почве, откуда попадают в растения, а затем вместе с пищей — в организмы растительноядных животных. Количество данных изотопов в земле (и их процентное соотношение) зависит от геологических особенностей местности. Такое же соотношение изотопов стронция должно быть и в зубах тех, кто поедает растения в данном районе и редко покидает его. А если соотношение иное — значит, животное пришло сюда из других краёв. Короче говоря, данные о содержании изотопов стронция в зубах могут рассказать о миграциях животных. Именно так антропологи выяснили особенности поведения австралопитеков, живших в Южной Африке 2 млн лет назад. Оказалось, что самки австралопитеков, повзрослев, были склонны покидать родные края — вероятно, в поисках новых мужчин. Самцы же оказались более оседлыми, они старались держаться той территории, на которой родились.

Зуб до (C, E) и после (D, F) взятия образца для изотопного анализа.
Зуб до (C, E) и после (D, F) взятия образца для изотопного анализа.

А ещё кости хранят информацию о питании их хозяина. Здорово, что по содержанию в эмали зубов стабильных изотопов углерода 13C и 12C можно различать животных, питавшихся преимущественно травянистыми или древесными растениями. Каким образом? Существует несколько путей, по которым в растениях осуществляется фотосинтез. Деревья и кустарники используют т. н. C3-путь (цикл Кальвина). Однако некоторые травянистые растения, произрастающие в саваннах и пустынях — такие, как травы и осоки — используют другой тип фотосинтеза — C4 (цикл Хетча — Слэка — Карпилова). Содержание 13C у них иное, более высокое.

Поэтому относительное содержание изотопов углерода 13C и 12C (обозначается δ13C) в некотором ископаемом зубе расскажет нам о рационе обладателя этого зуба.

Данный вид анализа даёт возможность отделить поедателей травы, таких, как зебры или антилопы гну, от любителей древесной листвы и плодов, вроде шимпанзе или жирафов.

Именно этот способ помог учёным узнать, что австралопитеки Восточной Африки — в отличие от современных человекообразных — употребляли в пищу не только древесную листву и плоды, но и значительное количество ресурсов саванны (вероятно, траву и осоку). Этого никогда не делают нынешние шимпанзе, даже живущие на границе леса и саванны! Исследователи, кроме того, провели тест на содержание в эмали зубов австралопитеков изотопов кислорода (это позволяет выяснить водозависимость животных). По данному тесту получилось, что афарские австралопитеки были не столь водолюбивы, как бегемоты, но всё же больше нуждались в воде, чем «малопьющие» жирафы.

Обзор можно продолжать, перечисляя различные экзотические методы, типа химического анализа древних копролитов или дифференциальной диагностики опухоли, 2 млн лет назад поразившей плюсневую кость человека. Кроме того, отдельного обзора достойны трасология, а также методы датирования — в этом направлении технологии также развиваются стремительно.

Важно добавить, что археология и антропология всегда были областями, как губка, впитывавшими научные инновации. Вот красноречивый пример: впервые рентген был использован в палеоантропологии — для исследования останков крапинских неандертальцев — ещё в 1902 году, то есть всего через несколько лет после открытия рентгеновских лучей.

А в 1927 году легендарный археологический журнал Antiquity писал:

«Мы используем методы исследований, о которых до этого можно было только мечтать; мы приглашаем авиатора, фотографа, химика, астронома и ботаника, чтобы помочь нам».

Crawford O. G. S. 1927a. Editorial notes. Antiquity 1(1), 1—4.

В XXI веке можно продолжить: «мы приглашаем генетика, компьютерщика, криминалиста, биохимика…». Какими методами обогатится археология в ближайшие годы? Перешагнут ли палеогенетики через миллион лет? Увидим ли мы живых клонов ископаемых животных? Посмотрим через 10 лет.


Благодарю Александра Очередного, Павла Колосницына и Сергея Льва за помощь в подготовке статьи.


Автор — Александр Соколов.