Усть-Ишимская кость: минералого-геохимические свойства как источник палеонтологической, палеоантропологической и палеоэкологической информации

Найденная в 2008 г. в районе Среднего Прииртышья (57 – 58°сш) кость древнейшего на сегодня в Евразии Нomo sapiens² – усть-ишимского человека – представляет собой важнейший источник палеоантропологической, палеонтологической и палеоэкологической информации. Для минералогии опыт междисциплинарных исследований усть-ишимской кости (Силаев и др., 2016а; Силаев и др., 2016б; Силаев и др., 2015) важен в целях развития научных представлений о биоминераль-ных взаимодействиях как важном геологическом факторе (Юшкин, 1997).

Усть-ишимская кость была найдена известным краеведом и мастером-косторезом Н. В. Перистовым на пойменной террасе в устье р. Ишим (рис. 1, а). Ее первичную диагностику как диафиза бедренной кости анатомически современного человека – мужчины в возрасте старше 25 – 30 лет – осуществили А. А. Бондарев и С. М. Слепченко. Максимальная длина кости с учетом результатов реконструкции (Bence et al., 2015) оценивается в 430 – 460 см (рис. 1, б, в). Исходя из этого рост усть-ишимского человека можно определить около 165 см. Радиоуглеродный возраст (калиброванные даты) кости с достоверностью 95 % находится в пределах 42825 – 48205 с модой около 45 тыс. лет назад (Keates et al., 2015; Kuzmin et al., 2015).

Судя по географическому местоположению и возрасту кости, усть-ишимский человек жил в каргинскую межледниковую эпоху (коррелируется с первой половиной средневалдайского межледниковья на Русской равнине), в условиях довольно теплого климата, на границе лесов и степей, был современником поздних неандертальцев и денисовских людей (рис. 2). В Печорском Приуралье примерно этому времени соответствуют стоянки Мамонтовая Курья и Бызовая, на которых костные останки человека пока не обнаружены.

Рис. 1. Местонахождение и морфологические особенности усть-ишимской кости: а – надпойменная терраса в устье р. Ишим (показана стрелкой); б – внешний вид и форма найденной кости; в – результат реконструкции ее первоначального вида; г – схема отбора фрагмента кости для проведения минералого-геохимических исследований; д – окончательный вид кости

Краткое резюме данных изучения палео-ДНК

К настоящему времени усилиями международного (с российским участием) научного коллектива получены надежные палеогенетические данные (Fu et al., 2014), позволяющие с большой точностью

Рис. 2. Реконструкция среды обитания усть-ишимского человека (Svendsen et al., 2010)

определить многие подробности биологической и социобиологической природы усть-ишимского человека. Полученные по кости данные такого рода можно кратко обобщить следующим образом.

По частоте мутаций и мутационным расхождениям усть-ишимский человек существенно отличается от палеоантропов, сближаясь с современными людьми, особенно с современными евразийцами (рис. 3, а, б). Концентрация гетерозиготных генов в ДНК усть-ишимской кости в четыре раза превышает таковую в костном детрите неандертальцев и денисовских людей, но практически совпадает с соответствующей концентрацией в ДНК современных евразийцев (рис. 3, в). Судя по длине линий гомозиготности, можно заключить, что родители усть-ишимского человека не были кровными родственниками. По содержанию архаичных примесей (гены неандертальцев и денисовцев) усть-ишимский человек тоже мало отличался от современных людей (Fu et al., 2015а, d), хотя и имел несколько более высокую (2.1 %) примесь генов неандертальца и значительно меньшую степень фрагментации примесной ДНК.

Таким образом, на основании палеоантропологических данных и совокупности палеогенетических особенностей (рис. 4) можно с уверенностью утверждать, что усть-ишимский человек анатомически был тождественен современным людям и принадлежал к предковой популяции Нo-mo sapiens, обитавшей на территории современной России еще до разделения людей на европеоидную и монголоидную ветви.

Рис. 3 . Частота мутаций (а), степень мутационных расхождений (б) и степень гетерозиготности (в), определенные в ходе секвенирования палео-ДНК и расшифровки генома усть-ишимского человека (УИЧ) (Filippo et al., 2015; Fu et al., 2015c, e, f; Li et al., 2015)

Именно поэтому усть-ишимского человека рассматривают как носителя так называемой базальной евразийской родословной (Fu et al., 2015b).

Рис. 4. Матрица генетических связей между палео- и неоантропами, включая усть-ишимского человека. Красными окружностями отмечены наиболее сильные связи (Fu et al., 2015f)

Материал и методы исследований

Нами, вероятно, впервые для палеонтологических и археологических объектов такого возраста и научного значения, получены результаты комплексных минералого-геохимических исследований. Материалом для исследования послужил небольшой фрагмент усть-ишимской кости (рис. 1, г), тщательно очищенный от загрязнений и многовариантно препарированный в соответствии с аналитическими требованиями. Для сравнения также исследовались фрагменты челюсти современного человека и берцовой кости из средневекового захоронения тоболо-иртышского тюрка, расположенного в 15 км от места находки усть-ишимской кости и включенного в состав Красноярского археологического комплекса [10]. В число используемых нами методов входят следующие: оптическая микроскопия (Полам Р-312 в сочетании с компьютеризированным комплексом OLYMPUS BX51); растровая электронная микроскопия (JSM-6400 Jeol, Tescan Vega3); сканирующая зондовая микроскопия (NT-MDT INTEGRA PRIMA, зонды NT-MDT (HA_NC) Etalon c радиусом закругления 10 нм); определение нанопористости в диапазоне от < 2 до 50 нм статистическим объемометрическим методом капилляр- ной конденсации азота (Nova 1200e; LMH); рентгенофлюоресцентный анализ (XRF-1800 Shimadzy); определение валового содержания органического углерода методом кулонометрического титрования по величине pH (Ан-7529М); определение содержания микроэлементов методом ИСП-МС (Perkin Elmer ELAN 9000); рентгеновская дифрактометрия (Shimadzu XRD-6000); инфракрасная спектроскопия биоминеральной компоненты (ИнфраЛюм ФТ-2) и коллагена (AVATAR 360 FT-IR с приставкой МНПВО «NICOLET Smart MIRacle»); рентгеноспектральный микро-зондовый анализ (JSM-6400 Jeol, Tescan Vega3 LMH с энергодисперсионной приставкой X-max50); термический анализ (Shimadzu DTG-60A/60AH); КР спектроскопия (Renishaw InVia, лазеры 514 и 785 нм); определение элементного состава коллагена (газовый хроматограф EA 1110 (CHNO–O)); аминокислотный анализ (хроматограф GC-17A Shimadzu, капиллярная колонка Chirasil-L-Val); изотопная масс-спектрометрия биоапатита, коллагена и аминокислот (DeltaVAdvantage (ThermoFinnigan) в соединении с газовым хроматографом TraceGC 2000 ThermoFinnigan (капиллярная колонка DB-5)).

Микростроение

Усть-ишимская кость характеризуется на срезе преимущественно буроватожелтым цветом, резко переходящим на краях в темно-серый до черного (рис. 1, г). Кость механически прочная, хотя и довольно хрупкая, потерявшая вязкость, присущую «живым» костям. Внутреннее строение усть-ишимской кости исследовалось методами оптической, зондовой сканирующей (атомно-силовой) и сканирующей электронной микроскопии.

Под оптическим микроскопом обнаруживается хорошо сохранившаяся первичная концентрически-слоистая микротекстура с локальными пустотами размером 200 ˗ 800 мкм, но без признаков механических деформаций, выщелачивания и коллофанизации биоапатита. На внешнем и внутреннем (область губчатой ткани) краях кости наблюдается наложенное тонкодисперсное буро-цветное оксигид-роксидное ожелезнение (рис. 5, а, б).

Рис. 5 . Внутреннее строение усть-ишимской кости: а - шлиф; б - концентрически-слоистая микротекстура под оптическим микроскопом в поляризованном свете; в-д - серия АСМ-изображений структуры усть-ишимской кости в направлении от субмикронанометрового диапазона разрешений к мезонанометровому; е, ж - АСМ-изображения структуры костей соответственно современного человека и средневекового тоболо-иртышского тюрка

В режиме зондовой атомно-силовой микроскопии выявляется надмолекулярная микро-мезонанометровая структура минеральной компоненты. Сравнительный анализ АСМ-изображений указывает на явную тенденцию изменения субмик-ро-мезонанометровой структуры костной ткани в направлении от современного человека к средневековому тоболо-иртыш-скому тюрку и далее к усть-ишимскому человеку. Это изменение выражается в постепенной утрате сплошности, усилении признаков дезинтеграции, постепенном уменьшении размера элементов надмолекулярной структуры (рис. 5, в - д).

В сканирующем электронном микроскопе хорошо проявляются не только пер- вичные свойства ископаемых костей, но и результаты их вторичных изменений (рис. 6). В частности, отчетливо наблюдается ультрадисперсное оксигидроксидное ожелезнение костного биоапатита, обусловленное фоссилизацией (рис. 6, б, д, е). Кроме того, в крупных порах образуются агрегаты бактериогенного фрамбоидального пирита и сгустки более позднего гё-тита (рис. 6, ж - м). Образование этих минералов явно происходило в два этапа -ранний восстановительный (сульфатре-дукция и образование фрамбоидального пирита) и поздний окислительный (образование гётита, зачастую по пириту).

Рис. 6 . СЭМ-изображения м икростроения усть-ишимской кости в режиме упругоотраженных электронов: а - общий вид; б - костный биоапатит (1) с участками криптодисперсного оксигидроксидного ожелезнения (1а); в, г - первичная субмикронно-волокнистая микротекстура биоапатита; д-з - проявление на участках криптодисперского ожелезнения эпигенетической минерализации, локализованной в микропорах (2, 3); и-м - морфология и внутреннее строение эпигенетических выделений фрамбоидального пирита (2) и гётита (3)

Нанопористость

Важнейшим первичным генетическим свойством органоминерального костного композита является нанопористость, тесно связанная с его структурой. В настоящее время стало известно, что нанопоры в костях располагаются в интерстициях кристаллитов биоапатита и на контактах кристаллитов с волокнами коллагена. Размер этих пор колеблется в пределах (30–50) × (15–30) × (2–10) нм. В нашем случае нанометровая пористость анализировалась методом капиллярной конденсации азота [2] в образцах костей современного человека, средневекового тоболо-иртышского тюрка и усть-ишимского человека. В ходе анализа определялись значения удельной общей поверхности пор, совокупного объема пор, среднего их размера, общего объема и среднего размера мезонанометровых (5–50 нм) и микронанометровых (< 5 нм) пор по отдельности (табл. 1).

На рис. 7 полученные результаты показаны на фоне аналогичных данных по костному детриту неоплейстоценовой мамонтовой фауны. Из графика следует, что общий объем нанопор и их число прямо коррелируются между собой (r = 0.42 при n = 57), согласованно возрастая по мере увеличения степени фоссилизации костей. Последняя, очевидно, обусловлена не только возрастом костей, но и условиями их захоронения. Именно поэтому выявленная зависимость аппроксимируется квадратичной функцией (график квадратичной параболы).

В группе человеческих костей наименьшей пористостью вполне ожидаемо характеризуется кость современного человека.

Таблица 1 . Параметры нанопористости в человеческих костях разной степени фоссилизации

Параметры	Кость современного человека	Кость средневекового тоболо-иртышского тюрка	Усть-Ишимская кость
Общие данные
S o , м2/г	1.16	21.30	8.89
V o , мм3/г	1.5	29.2	8.6
r o , нм	2.51	2.75	1.94
V o i, нм3	66.18	86.66	30.59
lgN o	4.36	5.53	5.44
Мезонанометровая пористость
V 1 , мм3/г	1.0	2.23	5.0
R 1 , нм	4.75	2.27	2.24
V 1 i, нм3	17.91	49.24	47.22
lgN 1	4.75	5.67	5.02
Микронанометровая пористость
V 2 , мм3/г	5.0	12	5.0
R 2 , нм	1.11	0.87	0.96
V 2 i, нм3	5.73	2.76	3.71
lgN o	5.94	6.64	6.13

Примечание . S о – удельная общая поверхность пор; V о – совокупный объем пор; r о – средний размер пор; V o ⁱ – объем единичной поры; lg N o – логарифм условного количества пор; V 1 , R 1 , lg N 1 – соответственно совокупный объем, средний размер, логарифм условного количества мезонанометровых (5 – 50 нм) пор; V 2 , R 2 , lg N 2 – соответственно совокупный объем, средний размер и логарифм условного количества микронанометровых (< 5 нм) пор

Рис. 7. Изменение нанопористости костей в зависимости от степени их фоссилизации: СЧ, ТИТ, УИЧ - костный детрит соответственно современного человека, средневекового тоболо-иртышского тюрка и усть-ишимского человека; 1, 2 — костный детрит неоплейстоценовой мамонтовой фауны соответственно с территорий Печорского Приуралья и Среднего Прииртышья. Заливкой показан генеральный тренд согласованного увеличения общего объема и числа нанопор по мере увеличения степени фоссилизации костного детрита

Кость средневекового тюрка отличается многократно большей нанопористостью, сопоставимой с пористостью уме-ренноизмененных костей неоплейстоце-новых животных. А вот кость палеолитического усть-ишимского человека, напротив, обнаруживает аномально низкую нанопористость, отвечающую лишь слабой степени изменения, правда, при многократно увеличенном числе нанометровых пор. Судя по этому критерию, усть-ишимская кость демонстрирует гораздо меньшую степень вторичных изменений, чем кости мамонтовой фауны, варьирующиеся по возрасту от 50 до 25 тыс. лет. Таким образом, физико-механические свойства усть-ишимской кости противоречат генеральному тренду изменения нанопористости в ходе фоссилизации ископаемых костей, что можно объяснить лишь уникальностью условий захоронения усть-ишимского человека.

Химический состав и микроэлементы

Валовый химический состав усть-ишимской кости (мас. %): SiO 2 – 0.93; TiO 2 – 0.28; Al 2 O 3 – 0.57; Fe 2 O 3 – 5.48; MnO – 0.92; MgO – 0.12; CaO – 51.90; Na 2 O – 0.67; K 2 O – 0.07; P 2 O 5 – 38.24; SO 3 – 0.72; SrO – 0.10. Апатитовый модуль Ca/P ат = 1.72. Нормативно-минеральный состав (мол. %): биоапатит – 94.96; иллю-виированная глинистая примесь, пирит и оксигидроксиды – 5.04.

В составе усть-ишимской кости установлены около 40 микроэлементов, включая щелочные и щелочно-земельные литофилы, литофилы-гидролизаты (образующие многозарядные ионы), халькосиде-рофилы (переходные металлы), анионообразующие неметаллы (*– эссенциальные), мг/т: Li – 62, Be – 3, B – 1213, S* – 36301, Sc – 72, V* – 193, Cr* – 281, Co* – 462, Ni* – 10506, Cu – 6067, Zn* – 45035, Ga – 528, Ge – 5, As – 113, Se – 321, Rb – 288, Sr – 63416, Zr – 366, Ag – 86, Cd* – 14, Sn – 43, Sb – 70, Ba – 4430, Pb – 5283, Y – 59, La – 59, Ce – 96, Pr – 9, Nd – 25, Sm – 6, Eu – 2, Gd – 8, Tb – 1, Dy – 10, Ho – 1, Er – 1,

Tm – 1, Yb – 2, Lu – 1. Нормирование концентраций проводилось с использованием кларков для континентальных глин и глинистых сланцев (по А.П. Виноградову и эталону PAAS), а также для наземных организмов (по В.В. Ковальскому).

Хорошо известно, что повышенная концентрация подавляющего числа микроэлементов в ископаемых костях – результат эпигенетического изменения последних (Силаев и др., 2016б). Известно также, что главным источником литофилов-гидролизатов выступают грунты, в которых захороняются кости, а остальные микроэлементы привносятся грунтовыми водами и аккумулируются в костях вследствие многообразных эффектов хемосорбции и ионного обмена. Результаты геохимического анализа исследуемого костного детрита (рис. 8, 9) позволяют сделать следующие выводы.

В ряду легко мигрирующих щелочных и щелочно-земельных литофилов избыточными в костях усть-ишимского человека и тоболо-иртышского тюрка являются только Li, Sr, Ba. Остальные литофилы такого рода находятся в резком дефиците, особенно относительно биокларков. Литофилы-гидролизаты обнаруживают сильную тенденцию к накоплению, что особенно очевидно в сравнении с биокларками. Микроэлементы-халькосидеро-филы, за исключением Pb, Sn и Cd, и почти все микроэлементы-неметаллы тоже обогащают исследуемые кости. Исключением среди них является лишь Se.

Наиболее наглядным индикатором геохимических особенностей ископаемых костей является уровень концентраций и характер распределения в них лантаноидов, относящихся к группам микроэлементов-литофилов.

Полученные нами данные показывают, что усть-ишимская кость отличается минимальным содержанием этих микроэлементов (рис. 10), уступая на один-три порядка не только костному детриту неоплейстоценовой мамонтовой фауны, но и кости тоболо-иртышского

Рис. 8 . Кларки концентрации микроэлементов-литофилов в костях усть-ишимского человека (УИЧ) и средневекового тоболо-иртышского тюрка (ТИТ)

Рис. 9 . Кларки концентрации микроэлементов-халькосидерофилов и анионообразующих неметаллов в костях усть-ишимского человека (УИЧ) и средневекового тоболо-иртышского тюрка (ТИТ)

тюрка, раз в 30 более молодой, чем кость усть-ишимского человека.

Формой обобщения полученной геохимической информации выступает график корреляции суммы содержаний микроэлементов с относительным возрас- том и соответственно степенью фоссили-зации ископаемых костей, построенный на основе данных, полученных при изучении костного детрита мамонтовой фауны, обитавшей в неоплейстоцене на той же территории, на которой были найдены

Концентрации Ln нормированы

Рис. 10 . Кларки концентрации лантаноидов в костях усть-ишимского человека (УИЧ), средневекового тоболо-иртышского тюрка (ТИТ) и мамонтовой фауны из местонахождений на территории Среднего Прииртышья (БАА)

ски тождественный биоапатиту в костях современных животных.

Сумма микроэлементов, “о

Рис. 11 . Генеральная диаграмма корреляции суммарной концентрации микроэлементов с относительным возрастом ископаемых костей: БАА - костный детрит мамонтовой фауны из местонахождений на территории Среднего Прииртышья; УИЧ - усть-ишимская кость, ТИТ - кость тоболо-

усть-ишимская кость и захоронение тоболо-иртышского тюрка.

На соответствующем графике (рис. 11) наблюдается отчетливое обособление точек, во-первых, костей животных ранне- и средненеоплейстоценового возраста, наиболее обогащенных микроэлементами, во-вторых, костей животных позднего неоплейстоцена, умеренно обогащенных микроэлементами, в-третьих, костей пред-голоценового мамонта и средневекового тоболо-иртышского тюрка, относительно бедных микроэлементами. Поразительно, что на этом фоне минимальной суммарной концентрацией элементов-примесей -в 10 - 20 раз ниже таковой в костях не-оплейстоценовой мамонтовой фауны -характеризуется именно усть-ишимская кость, возраст которой раза в два превышает возраст большей части исследованного нами костного детрита мамонтовой фауны.

Минерально-фазовый состав

Первичную минеральную компоненту усть-ишимской кости составляет умеренно кристалличный биоапатит, практиче- иртышского тюрка

На рентгеновской дифрактограмме (откалибрована по рентгенограмме кремниевого эталона) в области 30 - 45° углов 2ϴ наблюдаются две характеристичные для апатита системы отражений, представленные уширенными и расщепленными пиками (рис. 12, а). Основная из этих систем образована отражениями от плоскостей (121), (300), (211) и (202), а дополнительная отвечает расщепленному отражению от (310). Рассчитанные значения параметров элементарной ячейки составили (нм): ао = 0.93652 ± 0.00005; со = 0.69089 ± 0.00007. Полученные данные соответствуют структурным параметрам карбонатапатита В-типа. В спектре ИК-поглощения (рис. 12, б) наблюдается весь набор линий валентных и деформационных колебаний РО4-тетраэдров и замещающих эти тетраэдры СОз-групп. Последним отвечают полосы поглощения при 1422 - 1430 и 1654 см-1 (CO3V3), непосредственно свидетельствующие о замещениях СОз ^ РО4 в структуре биоапатита. В полученных ИК-спектрах проявилась также довольно интенсивная линия валентных колебаний, Н2О, указывающая на гидратацию костного биоминерального вещества. Отсутствие в спектре линий кислых групп НРО4 говорит о нетронутости усть-ишимской кости процессами гидролитического разложения.

Химический состав биоапатита анализировался рентгеноспектральным методом. Полученные данные свидетельствуют о весьма сложном многоэлементном составе биоапатита как в катионной, так и анионной подрешетках (табл. 2). В качестве важнейших изоморфных примесей, замещающих кальций, выступают (в порядке убывания концентраций) Na, Fe, Mg, Mn. В число структурных примесей, замещающих фосфор, входят Si, S и углерод. Рассчитанные эмпирические формулы показывают, что степень замещения фосфора углеродом в структуре биоапатита усть-ишимской кости достигает 14 – 15 ат. %, а серой – 2 – 2.5 ат. %. Устанавливается также, что составы собственно биоапатита на внутренних и внешних ожелезненных участках кости практически тождественны. Однако на последних к биоапатиту примешивается криптопримесь оксигидроксидов железа, пересчитанных нами на формулу гётита, спорадически обогащенного Al и Mn. Биоапатит в кости средневекового тоболо-иртышского тюрка, хотя и показывает несколько более простой состав, но в отношении основных изоморфных примесей очень близок к биоапатиту усть-ишимской кости – (Ca9.59–9.81Na0.15–0.31Mg0–0.12)10[(P5.66–6.04Si0– 0.10S0–0.06C0–0.29)6O24](OH)1.42–2.13.

Отмеченный выше фрамбоидальный пирит, локализующийся в микропорах (рис. 6, к, л), характеризуется примесью мышьяка и заметно отклоняется от стехиометрии из-за избытка железа (мас. %): Fe = 39.36 – 47.56; S = 51.19 – 58.68; As = 0 – 1.96. Это мы учли при расчете его эмпирической формулы, показав излишек железа в виде криптопримеси гётита: (0.95 – 0.97)FeS 2 + (0 – 0.1) FeAsS + (0.02 – 0.05)(Fe 0.99 Mn 0.01 )O(OH). Из приведенной формулы следует, что пирит, развивающийся по усть-ишимской кости, окислен на 2 – 5 %.

Кристаллохимическим показателем степени карбонатности апатита является так называемый апатитовый модуль – атомная пропорция между кальцием и фосфором, составляющая в стехиомет-ричном апатите 1.67. В нашем случае значение апатитового модуля колеблется от 1.62 до 2.3, перекрывая весь диапазон варьирования этого модуля в карбонатапа-титах как природного, так и искусственного происхождения (рис. 13).

Современный человек Гоболо-Иртышский тюрок Усть-Ишимский человек

Рис. 12. Рентгеновская дифрактограмма усть-ишимской кости (а) и ИК-спектры поглощения, полученные от исследованного костного детрита (б)

Рис. 13 . Вариация значений апатитового модуля в биоапатите, абиогенном карбоната-патите и их синтетических аналогах: 1 – го-

Таблица 2 . Химический состав (мас. %) и эмпирические формулы биоапатита в усть-ишимской кости

№	P 2 O 5	CaO	MgO	SrO	BaO	Na 2 O	K 2 O	MnO	Fe 2 O 3	Al 2 O 3	Ce 2 O 3	SiO 2	TiO 2	SO 3
1	39.79	52.95	0.36	0.19	Н.о.	0.96	Н.о.	0.50	4.73	Н.о.	Н.о.	0.24	Н.о.	0.28
2	39.59	53.65	0.37	0.18	«	0.94	«	0.29	4.01	«	«	0.19	«	0.78
5	39.62	53.17	0.27	Н.о.	«	0.84	«	0.40	5.07	«	«	0.26	«	0.37
7	38.49	56.40	0.34	«	«	0.66	«	0.55	2.75	0.10	«	0.32	Н.о.	0.39
3	34.17	43.44	0.28	0.17	«	0.61	«	1.38	18.91	«	«	0.68	«	0.36
4	35.00	43.52	0.30	0.14	«	0.46	«	1.47	17.36	«	«	0.67	«	1.08
6	34.08	43.36	0.16	«	«	0.61	«	1.30	19.11	0.16	«	0.67	0.30	0.25
8	36.65	49.07	0.17	0.12	0.51	0.93	«	1.26	10.52	Н.о.	«	0.47	«	0.30
9	35.88	47.02	0.24	0.04	0.40	0.71	«	1.44	13.07	«	«	0.52	«	0.50
10	33.18	42.10	0.31	0.06	Н.о.	0.77	0.20	0.91	20.82	0.11	«	0.72	«	0.36
11	37.75	52.96	0.31	0.01	0.48	1.24	0.36	0.61	4.19	Н.о.	0.93	0.56	«	0.60

Эмпирические формулы : 1 – (Ca 8.97 Na 0.29 Mg 0.08 Mn 0.07 Sr 0.02 Fe 0.57 ) 10 [(P 5.32 Si 0.04 S 0.03 C 0.61 ) 6 O 24 ](OH) 1.09 ;

2 – (Ca 9.09 Na 0.29 Mg 0.09 Mn 0.04 Sr 0.02 Fe 0.47 ) 10 [(P 5.29 Si 0.03 S 0.09 C 0.59 ) 6 O 24 ](OH) 1.18 ; 5 – (Ca 9.02 Na 0.26 Mg 0.07 Mn 0.05 Fe 0.60 ) 10 [(P 5.30 Si 0.04 S 0.04 C 0.62 ) 6 O 24 ](OH) 1.12 ; 7 – (Ca 9.33 Na 0.20 Mg 0.08 Mn 0.07 Fe 0.32 ) 10 [(P 5.02 Si 0.05 S 0.06 C 0.87 ) 6 O 24 ] (OH) 0.94 ; 3 – 0.87 (Ca 8.99 Na 0.23 Mg 0.08 Mn 0.23 Fe 0.47 ) 10 [(P 5.59 Si 0.13 S 0.05 C 0.23 ) 6 O 24 ](OH) 1.46 + 0.13 FeO(OH);

4 – 0.89 (Ca 9.03 Na 0.17 Mg 0.09 Mn 0.24 Fe 0.47 ) 10 [(P 5.73 Si 0.13 S 0.14 ) 6 O 24 ](OH) 1.84 + 0.11 FeO(OH); 6 – 0.55 (Ca 9.40 Na 0.24 Mg 0.05 Mn 0.22 Fe 0.09 ) 10 [(P 5.82 Si 0.14 S 0.04 ) 6 O 24 ](OH) 1.66 + 0.15 [(Fe 0.99 Al 0.01 ) O(OH) + TiO 2 ]; 8 – 0.94 (Ca 8.97 Na 0.31 Sr 0.01 Ba 0.03 Mg 0.04 Mn 0.18 Fe 0.46 ) 10 [(P 5.28 Si 0.08 S 0.04 C 0.60 ) 6 O 24 ](OH) 1.08 + 0.06 FeO(OH); 9 – 0.92 (Ca 8.99 Na 0.24 Sr 0.01 Ba 0.03 Mg 0.07 Mn 0.22 Fe 0.44 ) 10 [(P 5.39 Si 0.09 S 0.07 C 0.45 ) 6 O 24 ](OH) 1.29 + 0.14 (Fe 0.46 Al 0.54 )O(OH); 10 – 0.86 (Ca 8.95 Na 0.30 K 0.05 Sr 0.01 Ba 0.04 Mg 0.04 Mn 0.18 Fe 0.43 ) 10 [(P 5.57 Si 0.14 S 0.05 C 0.24 ) 6 O 24 ](OH) 1.37 + 0.06 (Fe 0.99 Mn 0.01 )O(OH);

11 – 0.99 (Ca 8.90 Ce 0.05 Na 0.38 K 0.07 Mg 0.07 Mn 0.08 Fe 0.45 ) 10 [(P 5.01 Si 0.09 S 0.07 C 0.83 ) 6 O 24 ](OH) 1.25 + 0.01 (Fe 0.99 Mn 0.01 )O(OH).

лоценовые грызуны; 2 – палеозойские конодонты; 3 – мезозойские копролиты; 4 – современный человек; 5 – гипергенные фосфориты; 6 – синтетические аналоги. Костный детрит пещерных медведей с аномальным значением модуля отличается максимальной степенью эпигенетического изменения вследствие воздействия на него бикарбонатных вод

При этом усть-ишимская кость по значению апатитового модуля почти совпадает с аналогичным показателем костей современного человека и тоболо-иртышского тюрка, но заметно уступает районированному с ней костному детриту мамонтовой фауны.

Костный коллаген

Важнейшим источником генетической информации в ископаемых костях выступает костный белок – коллаген. В настоящее время у палеонтологов практически единственным методом оценки содержания и степени деградации органического матрикса в костном детрите является термический анализ, в ходе которого костный белок в интервале 250 – 500°С выгорает с образованием на кривой нагревания одного или двух-трех экзотермических экстремумов. В нашем случае исследовались образцы костей современного человека, средневекового тоболо-иртышского тюрка и усть-ишимского человека (рис. 14).

На кривой нагревания первого образца наблюдаются узкий эндотермический пик

Рис. 14 . Результаты термического анализа костного детрита современного человека (а), средневекового тоболо-иртышского тюрка (б) и усть-ишимского человека (в)

(около 60°C), обусловленный испарением слабо связанной воды, и три интенсивных, хорошо обособленных экзотермических эффекта с максимумами при 243, 353, 445°С. Первый из этих пиков отвечает выгоранию «углеводно-липидной» компоненты костной органической матрицы, а два более высокотемпературных отражают термическое окисление более устойчивой к нагреванию «белково-аминокислотной» компоненты. Всем этим эффектам отвечают собственные этапы потери массы образца.

На кривой нагревания кости тоболо-иртышского тюрка наблюдаются сильно уширенный эндотермический эффект с максимумом при 100°С (испарение сорбционной воды) и два разновеликих по интенсивности экзотермических эффекта с максимумами при 325 и 440°С, отвечающие интервалу выгорания «белковоаминокислотной» компоненты. Первый из экзотермических эффектов характеризуется многократно большей интенсивностью, чем второй. Кривая взвешивания отражает несколько более дифференцированную, чем в предыдущем случае, трехэтапную потерю веса.

Кривая нагревания усть-ишимской кости по форме близка к таковой для кости тоболо-иртышского тюрка, но отличается меньшей интенсивностью эндотермического пика дегидратации и сдвигом на 25 - 80°С в низкотемпературную область экзотермических эффектов выгорания «белково-аминокислотной» компоненты.

Проанализированный ряд образцов в целом демонстрирует принципиальную хронологическую последовательность изменения термических свойств ископаемых костей, обусловленного спонтанной деградацией в них органической компоненты по мере фоссилизации костного детрита.

Коллаген из ископаемых костей выделялся методом осторожного химического растворения биоминеральной компоненты. В результате обнаружилось, что костный белок имеет спутанно-волокнистое строение и широко варьируется по окраске от желтого и желтовато-оранжевого в костях современных людей до светлобурого в костях средневековых людей и далее до бурого и темно-бурого в костях людей бронзового века и эпохи неолита (рис. 15, а - ж). Коллаген, выделенный из усть-ишимской кости, оказался практически черного цвета. В ходе СЭМ-исследований установлено, что надмолекулярная волокнистая структура этого образца претерпела значительное преобразование, превратившись в субмикронноглобулярную (рис. 15, з, и). Такое изменение цвета и надмолекулярной структуры объясняется, как известно (Дроздова, 1977), постепенным окислением, разложением и вторичной полимеризацией костных белков при фоссилизации.

Валовое содержание Сорг в усть-ишимской кости составило около 8 мас. %, что, судя по опыту наших исследований, вполне соответствует ее возрасту. Физический выход коллагена по двум определениям составил 12–19 %. По данным газовой хроматографии элементный состав коллагена из усть-ишимской кости (мас. %) таков: С = 49.06; H = 7.59; N = 15.30; (O+S) = 28.05. Атомные отношения: H/C = 1.86; N/C = 0.25; O/C = 0.43. Полученный нами результат по углероду несколько отличается от ранее опубликованных данных (Kuzmin et al., 2015; Sala-zar-Garsia et al., 2015), но в сравнении с элементным составом современных наземных животных это расхождение не выглядит существенным. Сопоставление показывает, что усть-ишимская кость относительно костей современных позвоночных содержит меньше углерода и водорода, соответственно на 5.3 – 15 и 4 отн. %, но больше азота на 31 отн. %. Та- ким образом, органическое вещество в усть-ишимской кости действительно обнаруживает признаки химического преобразования.

Важнейшим фактором молекулярной структуры костных белков является, очевидно, их аминокислотный состав, который в природных биоминеральных композитах исследуется пока редко (Каткова и др., 1998; Шанина и др. 2014, 2009). Для извлечения аминокислот из костных образцов мы применяли кислотный гидролиз в 6М HCl при 105°С в течение 12 ч. Выделенные из гидролизата аминокислоты очищали от примесей и переводили в N-пентафторпропионовые изопропиловые эфиры соответствующих аминокислот.

Рис. 15 . Изменение цвета, текстуры и надмолекулярной структуры костного коллагена в зависимости от возраста костей: а - современный человек; б - средневековый тоболо-иртышский тюрок; в, г - костный детрит из средневековых погребений в Верхне-Енисейском районе; д - костные останки из погребений бронзового века в Северном Приангарье; е - кости из неолитовых погребений в Верхне-Енисейском районе; е - усть-ишимский человек; ж, з - СЭМ-изображение коллагена из усть-ишимской кости в режиме вторичных электронов

Идентификация и определение содержания аминокислот проводились на газовом хроматографе GC-17A (Shimadzu, капиллярная колонка Chirasil-L-Val).

В составе коллагена изученных нами костных образцов было зарегистрировано 15 аминокислот (АК), общее содержание которых (мг/г) составило в кости современного человека – 640.17, в кости тобо-ло-иртышского тюрка – 664.91, в усть-ишимской кости – 506.11. Относительные содержания индивидуальных АК во всех исследованных образцах варьируются в широких пределах, но довольно однообразно (рис. 16, а). Генеральную последовательность уменьшения содержания АК можно представить в следующем виде: алифатические > имино > кислые > гидроксильные > основные и ароматические > сернистые. На фоне этой генеральной тенденции усть-ишимская кость обнаруживает некоторые отличия от кости современного человека и тоболо-иртышского тюрка. Коллаген в ней относительно обогащен алифатическими и имино АК, но обеднен кислыми и гидроксильными АК.

Для некоторых аминокислот установлено присутствие рацематов – смесей левых (L) и правых (D) энантиомеров (рис. 16, б). Как известно, появление последних прямо свидетельствует о деградации коллагена, которая начинается спонтанно сразу же после прекращения метаболических процессов. Степень такой деградации оценивают по величине D/L-отношения. В нашем случае для усть-ишимской кости значение этого отношения в аланине составило 0.06, а в аспарагиновой кислоте – 0.03. Для кости средневекового тюрка аналогичные значения несколько ниже – соответственно 0.04 и 0.02, а для кости современного человека еще ниже. Важно отметить, что значения рацемат-коэффициентов, определенные для костного детрита неоплейстоценовой мамонтовой фауны из района местонахождения усть-ишимской кости, превышают таковые в усть-ишимской кости как минимум в 5 раз. Это еще раз свидетель- ствует об аномальной степени сохранно- сти кости усть-ишимского человека.

Рис. 16 . Содержание (а) и оценка степени рацематности (б) аминокислот в костном коллагене. На «а» аминокислоты: 1 – глицин, 2 – аланин (Ala), 3 – валин, 4 – лейцин, 5 – изолейцин, 6 – метионин, 7 – фенилаланин, 8 – тирозин, 9 – лизин, 10 – глутаминовая кислота, 11 – аспарагиновая кислота (Asp), 12 – серин, 13 – треонин, 14 – пролин, 15 – гидроксипролин; объекты: кости соответственно современного человека (1), средневекового тоболо-иртышского тюрка (2) и усть-ишимского человека (3). На «б»: 4, 5 – костный детрит мамонтовой фауны с Печорского Приуралья; 6 – то же с территории Среднего Прииртышья

Изотопный состав углерода в АК определялся с использованием масс-спектрометра Delta V Advantage (Thermo), Trace GC Ultra (Thermo, капиллярная колонка DB-5) и системы IsoLink. Пересчет полученных значений изотопного состава производных АК на исходные АК проводили по формуле δ13Сс = I/nc(ncdδ13Ccd – ndδ13Cd), где n – число атомов углерода, с – аминокислота, d – дериват, cd – дериват аминокислоты. Погрешность определений составляла ± 1.8 ‰.

В ходе анализа нам удалось определить изотопные коэффициенты для углерода в 9 из 15 АК и выявить при этом для семи АК упорядоченные тренды изотопного диспропорционирования в направлении от кости современного человека к кости средневекового тоболо-иртышского тюрка и далее к усть-ишимской кости (рис. 17). Для двух алифатических АК – валина и лейцина – обнаружена тенденция к изотопному утяжелению углерода, а для аланина, глутаминовой и аспарагиновой кислот, пролина и гидроксипролина, напротив, – к изотопному облегчению углерода. Таким образом, мы, вероятно впервые, сумели получить доказательство эпигенетического изменения изотопного состава углерода в костном коллагене в ходе фоссилизации, да еще и дифференцированно по отдельным АК.

Аминокислоты

Рис. 17 . Вариации изотопного состава в аминокислотах из коллагена костей современного человека (1), средневекового тоболо-иртышского тюрка (2) и усть-ишимского человека (3). Аминокислоты: 1 – глицин, 2 – аланин, 3 – валин, 4 – лейцин, 5 – изолейцин, 6 – метионин, 7 – фенилаланин, 8 – тирозин, 9 – лизин, 10 – глутаминовая кислота, 11 – аспарагиновая кислота, 12 – серин, 13 – треонин, 14 – пролин, 15 – гидроксипролин. Стрелками показано направление изотопного диспропорционирования в направлении от настоящего времени (современный человек) до неоплейстоцена (усть-ишимский человек)

В ИК-спектрах поглощения в исследуемом коллагене в диапазоне 1230 – 3400 см^–1 проявилось множество линий, отвечающих всем основным химическим связям и функциональным группам в белковых молекулах. Большая часть зарегистрированных линий обусловлена колебаниями пептидных связей –СО–NH–, –NH, NH 2 – и CN в первичных и вторичных амидах. Линии в области 960 – 930 см^–1 соответствуют валентным колебаниям связей N–О в группировке С=N-ОН, а линии в области 900 – 600 см^–1 можно объяснить внеплоскостными веерными колебаниями групп NH. ИК-поглощение, обусловленное алифатическими группами, проявляется в областях 2990 – 2970 и 2900 – 2870 см^–1, а также при 1440 см^–1. Оно вызвано валентными и деформационными колебаниями групп соответственно СН 2 и СН 3 . Линия при 725 – 760 см^–1, наблюдающаяся только в спектрах наиболее измененных костей, отвечает колебаниям групп СН 2 в открытых цепях (СН 2 ) 4 . Карбонильные группы диагностируются по линии поглощения при 1700 см^–1, отвечающей колебаниям связей С=О, а также по линиям асимметричных валентных колебаний связей С–О в простых эфирах в области 1140 – 1160 см^–1.

Сравнительный анализ ИК-спектров показал, что ископаемые кости образуют единый тренд сокращения в коллагене роли алифатических и карбонильных групп при возрастании роли амидных групп по мере фоссилизации костей (рис. 18) Очевидно, что такое изменение ИК-поглощения согласуется с вышеотмечен-ным изменением термических свойств костного детрита (сокращение доли угле-водно-липидных компонентов) и может рассматриваться как один из критериев деградации первичного органического вещества в ископаемом костном детрите.

В рамках этой тенденции коллаген усть-ишимской кости занимает промежуточное положение между коллагеном из костей мамонтовой фауны с Печорского Приуралья и Среднего Приртышья. Таким образом, получается, что по степени де- градации коллагена усть-ишимская кость превосходит высокоширотно захороненный костный детрит восточно-европейской мамонтовой фауны, но значительно уступает костному детриту мамонтовой фауны, обитавшей примерно на той же территории Западной Сибири.

Рис. 18 . Генеральная тенденция изменения химико-молекулярной структуры органического вещества в костном детрите мамонтовой фауны (поля). Звездочки - состав коллагена, выделенного из костных останков людей: СЧ - современный человек, ТИТ - средневековый тоболо-иртышский тюрок, УИЧ - усть-ишимский человек

Мы, вероятно впервые, в коллагене ископаемых костей обнаружили множе- ского происхождения, но некоторые из них могут оказаться и первичными, т. е. биогенными. Наибольший интерес из последних представляют обнаруженные в коллагене усть-ишимской кости микровключения кварца, клиноцоизита и магнетита. Кварц представлен бесцветными округлыми зернами со сглаженной поверхностью размером 100 – 200 мкм (рис. 19, а). Клиноцоизит наблюдается в виде угловатых, иногда с признаками огранения, зерен бежевого и изумруднозеленого цвета (рис. 18, б, в). Фазовая диагностика проведена рентгеноструктурным методом. Параметры э. я. клиноцоизита (нм): ao = 0.888 ± 0.005; bo = 0.558 ± 0.006; co = 1.018 ± 0.008. Химический состав рассчитался на формулу его железистой разновидности: (Ca1.89–2.05Mg0–0.18)1.89– 2.07(Al2–2.16Fe0.87–1)2.99–3.04[Si3O12]O (OH). Магнетит образует отдельные зерна неправильной формы черного цвета с характерным блеском. На поверхности зерен наблюдаются многочисленные ямки травления (рис. 19, г – з). Параметр элементарной ячейки составляет 0.8403 ± 0.0008 нм, эмпирическая формула: (Fe0.98–1Mn0– 0.02)(Fe1.95–2Al0–0.05)2 O4. Минальный состав (мол. %): магнетит = 97 – 98, герцинит = 0 – 3, якобсит = 0 – 2.

ство минералов в основном эпигенетиче-

Рис. 19. Фото- (а - г) и СЭМ - (д - з) изображения предположительно биогенных минеральных примесей, обнаруженных в коллагене усть-ишимской кости: а - кварц; б, в - клиноцоизит; г-е - магнетит; ж, з - ямки травления на поверхности зерен магнетита

Обнаружение минералов в коллагене из усть-ишимской кости может иметь значение для реконструкции истории жизни усть-ишимского человека. Как известно, подобные минеральные образования установлены в мозговых и жировых тканях, а также в кардиоваскулярной системе современных людей и рассматриваются как следствие целого ряда заболеваний, в частности, варикозного расширения вен, ревматических пороков сердца, инфаркта миокарда (Брик, 2010; Ламанова, 2008, 2009а, 2009б).

Изотопия углерода, кислорода и азота

Важнейшим источником палеонтологической, археологической и палеоэкологической информации в последние 15 – 20 лет становятся изотопно-геохимические данные, полученные как по биоминераль- ному, так и органическому веществу костей (Николаев и др., 2000, 2005; Силаев и др., 2015, 2016б; Bocherens, 2003; Bocherens et al., 1999; Kuzmin, 2015; Sala-zar-Garsia et al., 2015; Tutken et al., 2007;

Qu et al., 2013). Идейной предпосылкой к таким исследованиям служат, во-первых, обусловленность изотопного состава углерода и кислорода в костном биоапатите бикарбонат-ионами, растворенными в воде, потребляемой животными, а во-вторых, зависимость изотопного состава углерода и азота в органическом матриксе костей от пищи, поглощаемой животными в течение своей жизни.

Нами методом изотопной масс-спектрометрии был исследован состав углерода и кислорода в костном биоапатите и кислорода, азота в коллагене. Для биоапатита усть-ишимской кости значения изотопных коэффициентов составили (‰): δ13СPDB = 14.31; δ18OSMOW = 20.33. Полученные данные, характеризующие воду, которую пил УИЧ, почти совпадают с данными по районированным с усть-ишимцем средневековым тоболо- иртышским тюркам, но заметно отличаются от соответствующих статистических данных по неоплейстоценовой мамонтовой фауне из того же района (рис. 20, а).

Рис. 20. Вариации изотопного состава углерода, кислорода, азота в биоапатите (а, 1 – 3 – данные по костям соответственно современного человека, средневекового тоболо-иртышского тюрка и усть-ишимского человека) и коллагене (б, с использованием (Bocherens, 2003; Kuzmin, 2015; Kuzmin et al. 2015; Salazar-Garsia, Richrds, 2015)) ископаемого костного детрита. С 3 и С 4 – растительность с разными типами фотосинтеза

Последняя, судя по изотопным данным, большей частью потребляла более пресную и менее обогащенную органическими примесями воду, что можно объяснить различиями палеоклиматических условий существования усть-ишимского человека и изученных нами по костным останкам мегамлекопитающих.

Для коллагена из усть-ишимской кости (рис. 20, б) значения изотопных коэффициентов составили (‰): δ¹³С PDB =19.5– 19.39; δ¹⁵N air = 13.49…14.47. Полученные данные оказались достаточно близкими к таковым, полученным для той же кости за рубежом (Kuzmin et al., 2015; Salazar-Garsia et al., 2015). В целом коллагеновый азот в усть-ишимской кости представляется изотопно аномально тяжелым, уступающим лишь азоту в костном коллагене охотников на морского зверя. В последнем случае изотопный коэффициент коллагена достигает 18 – 20 ‰.

Такой результат можно расценивать как признак преимущественно мясной диеты усть-ишимского человека. Симптоматично, что близкий по изотопному составу азот был ранее выявлен в костных останках охотников на мамонтов на стоянках начала позднего палеолита (45 – 30 тыс. лет назад)3. В костном детрите людей, найденном на стоянках второй половины позднего палеолита (25 – 20 тыс. лет назад) Мальта4 и Сунгирь5, значения изотопных коэффициентов коллагенового азота лежат в пределах 11.3 – 12.2 ‰ (Sal-azar-Garsia et al., 2015).

Что касается коллагенового углерода в усть-ишимской кости, то он в сравнении с данными по наземным животным тоже является относительно изотопно- тяжелым. Если принять, что это обусловлено не только мясной, но и растительной пищей, то, используя поправку Г. Боче-ренса (Bocherens, 2003), можно прийти к выводу о пребывании усть-ишимского человека в условиях луговых, а то и степных ландшафтов. Таким образом, получается, что наш герой был не собирателем и не рыбаком, а удачливым охотником, мигрировавшим за стадами по средне-неоплейстоценовым луговым редколесьям и степям.

Важно также отметить, что на рис. 20, б на фоне полей изотопного состава костного коллагена травоядных животных все аналогичные поля людей существенно сдвинуты в область более изотопнотяжелых значений как углерода, так и азота. В этом можно увидеть существенную роль мясной пищи. Однако масштаб мясо-едения у различных человеческих популяций различался. Наибольшими мясоедами были доледниковые (начало позднего палеолита) Homo sapiens, представленные в нашем случае усть-ишимским человеком, а вот в диете послеледниковых (окончание позднего палеолита – начало мезолита) людей современного типа доля мяса была даже ниже, чем у неандертальцев. Очевидно, что это объясняется позд-ненеоплейстоценовой биотической катастрофой – массовым вымиранием в период поздневалдайского (для Сибири – сар-танского) оледенения мамонтовой фауны, на которую привыкли охотиться люди палеолита.

Заключение

Усть-ишимский человек являлся представителем одной из предковых популяций Homo sapiens, живших одновременно с поздними неандертальцами и денисовскими людьми. Он был одним из носителей «базальной» евразийской родословной, существовавших еще до разделения праевразийцев на европеоидов и монголоидов.

Изученная нами кость на фоне районированных с ней костных останков не-оплейстоценовой мамонтовой фауны и даже кости средневекового тоболо-иртышского тюрка выделяется парадоксально высокой степенью сохранности первичных биологических свойств, а именно относительно малым изменением нанопористости и отсутствием признаков механических деформаций и эпигенетического выщелачивания; незначительностью иллювиирования глинистыми примесями; аномально низкой концентрацией ксено-биотных микроэлементов, обусловленных процессами фоссилизации; кристалличностью биоапатита; пониженной степенью рацематности аминокислот в костном коллагене. Можно предполагать, что столь высокая степень сохранности первичных свойств усть-ишимской кости и предопределила успех вышеупомянутых палеогенетических исследований. Выявленный парадокс — сочетание древности и аномально низкой степени измененно-сти кости – мы склонны объяснить тем, что усть-ишимский человек первоначально был захоронен либо в особом месте, либо особенным способом.

За участие в исследованиях и сотрудничество выражем признательность д. г.-м. н. Д. А. Бушневу, научному сотруднику В. А. Капитановой, инженеру-химику О. В. Кокшаровой, к. г.-м. н. Д. В. Пономареву, инженеру-исследователю В. А. Радаеву, к. г.-м. н. Ю. С. Симаковой, к. г.-м. н. А. Е. Сухареву, инженеру-исследователю С. С. Шевчуку.

Исследования выполнены при поддержке грантом Президента РФ «Для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации» НШ-9723.2016.5.