Скелетные зубы и историческая фотография пересказывают историю чумы
Новые портреты эволюции некоторых из самых смертоносных пандемий в истории созданы благодаря анализу тысяч скелетов и новых коллекций исторических фотографий. Результаты могут указывать на то, как подобные болезни могут эволюционировать в будущем.
Генетический материал инфекционных заболеваний, таких как туберкулез и чума, оставляет ископаемые следы в человеческих зубах. Ученые использовали этот факт для идентификации смертельных болезней последних 5000 лет в массовых захоронениях и на археологических раскопках по всему миру.
Профессор Йоханнес Краузе, директор Института истории человечества Макса Планка (Германия), использовал молекулярные ископаемые записи для построения генетического профиля Yersinia pestis – организма, стоящего за Черной смертью, опустошившей Европу в XIV веке. Начиная с 2013 года и при финансировании проекта APGREID, команда профессора Краузе получила скелеты из Африки, Азии, Америки и Европы.
После выделения остатков бактерий из скелетных останков команда восстановила эволюционную историю микробов, показав, как бактерии менялись на протяжении веков. Они были поражены, обнаружив, что могут проследить Yersinia pestis до позднего каменного века и наблюдать ее появление в двух крупных событиях европейской истории: сначала как Юстинианова чума, поразившая Восточную Римскую империю в VI веке, а затем как Черная смерть в XIV веке.
Скорости мутации
Затем команда выделила другие патогены. «Невероятно, сколько бактериальных штаммов мы смогли реконструировать из прошлого. Мы реконструировали сначала чуму, затем проказу, туберкулез, Helicobacter pylori, Salmonella enterica и сейчас работаем над сифилисом», – сказал профессор Краузе.
Они смогли рассчитать скорость мутации для каждой болезни. Чем она выше, тем быстрее микроб может адаптироваться к окружающей среде. Например, выяснилось, что проказа мутировала всего 20 раз за последнюю тысячу лет, что ставит ее под низкий риск изменений, которые сделали бы ее более заразной или устойчивой к антибиотикам.
Туберкулез, с другой стороны, мутировал около 200 раз за тот же период – намного быстрее, чем считалось ранее. «До этого люди просто делали выводы о прошлом на основе современных геномов, но все эти работы ошибались как минимум в 10 раз», – сказал профессор Краузе.
Выделение ДНК было сопряжено с трудностями. Почва, в которой покоятся тела, выщелачивает тысячи различных микробов в скелеты, так что более 99% ДНК, извлеченной из древнего скелета, вообще не принадлежит этому человеку. Большая часть оставшегося 1% – это собственная ДНК человека, и лишь крошечная ее часть – от его личного микробиома, включая болезнетворные бактерии. В результате профессор Краузе и его команда искали ДНК, составлявшую лишь около одной тысячной части извлеченного генетического материала.
Алгоритмы
Команда преобразовала трудоемкий процесс поиска нужной ДНК, изобретя алгоритмы, использующие возросшую вычислительную мощность последних лет.
«Если вы берете ДНК из древнего скелета и хотите узнать для каждого фрагмента ДНК, от какого организма он произошел, это обычно занимало бы полгода или около того на образец», – сказал профессор Краузе.
Большое преимущество нового алгоритма его команды, известного как MALT, – скорость. Он может исследовать один миллиард фрагментов ДНК за 24 часа и идентифицировать организм-источник для каждого.
В команду входили патологоанатомы, которые исследовали скелеты на предмет физических следов перенесенных болезней – часто в виде отметин на костях. Сочетая подходы, они впервые смогли реконструировать полный геном Yersinia pestis из древних скелетов, а также его изменения во времени.
«Мы можем видеть различные этапы, на которых появляются новые гены и изменяется вирулентность бактерии», – сказал профессор Краузе.
Они могли видеть, например, момент, когда возникла мутация, позволившая микробу колонизировать блох – и, таким образом, стать гораздо более смертельной угрозой для людей.
Ученые теперь полагают, что могут предсказать, как и как быстро бактерии будут меняться в будущем, что поможет понять, какую угрозу они будут представлять для людей и как быстро у них может развиться устойчивость к антибиотикам.
Культурные одержимости
Еще один портрет Yersinia pestis возникает от команды, которая собирала по всему миру фотографии вспышки третьей пандемии чумы – волны, унесшей 12 миллионов жизней по всему миру с середины XIX до середины XX века.
По словам доктора Христоса Линтериса, медицинского антрополога из университетов Сент-Эндрюса и Кембриджа (Великобритания), руководителя проекта VR3PP, в 1850-х годах фотография была недавним изобретением, так что это был первый случай, когда эпидемия была сфотографирована – и передана по телеграфу – по всему миру.
Доктор Линтерис обнаружил и оцифровал сокровищницу изображений из мест от Алабамы (США) до северо-восточного Китая. Они включают коллекцию из так называемого Чумного форта – островного форта под Санкт-Петербургом (Россия), превращенного в гигантскую чумную лабораторию и названного фортом Александром в честь русского князя.
Фотографии многое раскрывают об отношении к болезни среди разных национальностей – и среди фотографов, которые делали снимки.
Многие страны создавали чумные комиссии, которые путешествовали и фотографировали вспышки способами, отражавшими их теории о болезни. Например, серия китайских фотографий состоит в основном из видов с высоты птичьего полета на трущобы и изображений темных, клаустрофобных переулков. Китайские рабочие-мигранты – кули – рассматривались как переносчики болезни, а трущобы, в которых они жили, считались источником заражения. Исследовательская группа считала, что ключом к борьбе с чумой является градостроительство, а трущобы следует сжигать, говорит доктор Линтерис.
«В китайском альбоме нет ни одного трупа», – сказал он.
Российская команда того времени, напротив, считавшая ключом замену захоронений кремацией, создавала изображения ужасающих трупов и неудачных попыток сжечь тела на замерзших степях.
Другая коллекция из департамента здравоохранения Сан-Франциско полностью состояла из фотографий внутреннего и внешнего вида каждого дома в Чайнатауне – очаге чумы – чтобы понять, что могло привлекать туда крыс.
Фотография привнесла новые идеи о здоровье и науке в общественное сознание, например, концепцию зооноза – передачи болезней от животных к человеку. Она также способствовала международному сотрудничеству в области мирового здравоохранения. Проявились и культурные одержимости фотографов, часто колониальных. Например, экзотические практики, такие как захоронения, фотографировались непропорционально много и могли исказить понимание того, как распространялась чума, говорит доктор Линтерис.