Помните, как в сериале BBC Шерлок Холмс по составу налипшей на кроссовки пыльцы выясняет, где жил их владелец? Это не фантазия сценариста, а научный метод геолокации, которому больше 55 лет. Как по следам пыльцы раскрывают преступления, зачем криминалистам ДНК растений и можно ли по пыли на вашей двери определить, где вы живёте рассказали авторы издания СИСТЕМНЫЙ БЛОКЪ.
В 1969 году под Веной во время сплава по Дунаю пропал человек. Следователи арестовали подозреваемого, у которого был мотив для убийства, но не могли добыть доказательств его вины — пока не отправили образец грязи с его ботинок специалисту по пыльце (палинологу). Тот нашёл в образце пыльцу ивы, ели, ольхи, а также давно вымершего в Европе дерева гикори. По словам эксперта, такой букет — так называемый пыльцевой спектр — можно было собрать только в одном месте Австрии: в небольшом регионе в 20 километрах к северу от Вены, где обнажались отложения миоценового периода — оттуда и вымыло окаменевшую пыльцу гикори, — и где рос елово-ольхово-ивовый лес. Узнав, что криминалисты могут скоро раскрыть преступление, подозреваемый сознался и показал место, где было спрятано тело
Почему пыльца удобна для геолокации
Пыльца незаметна и крайне устойчива. Ни 20 миллионов лет, ни стирка с отбеливателем не избавят вашу одежду от её следов полностью: спорополленин, покрывающий пыльцевое зерно, — одна из самых химически стабильных органических субстанций, а из-за малых размеров (в среднем 20–60 микрометров) и выростов на поверхности пыльца надёжно запутывается в волокнах ткани.
Пыльцевые зёрна ещё и уникальны. По их внешнему виду можно определить, каким растениям они принадлежат — значит, можно выяснить и регион происхождения образца. Это помогает отследить трафик наркотиков и ввоз санкционных товаров или доказать, что бабочка-репейница, которую вы встретили на побережье Испании, зимовала в Африке и побывала в Сахаре [2]. Даже в пределах одной природной зоны растительные сообщества сильно различаются: в лесу, городском парке и в пойме реки пыльцевые спектры будут разными.
Но определить видовую принадлежность растения, глядя на пыльцу, не так просто. Раньше это мог сделать только специалист-палинолог. Сейчас появились системы автоматической классификации по микрофотографиям (например, PIGLT [3]), и уже не обязательно искать эксперта и пересылать ему образцы в конверте; но фотографии делать всё же придется, а это тоже дело долгое и трудоёмкое. Есть и другая проблема: часто по внешним признакам пыльцы в принципе невозможно определить растение с точностью до вида. А хотелось бы! Ведь чем точнее классификация, тем более узок регион поиска.
Пыльца незаметна и крайне устойчива. Ни 20 миллионов лет, ни стирка с отбеливателем не избавят вашу одежду от её следов полностью: спорополленин, покрывающий пыльцевое зерно, — одна из самых химически стабильных органических субстанций, а из-за малых размеров (в среднем 20–60 микрометров) и выростов на поверхности пыльца надёжно запутывается в волокнах ткани.
Пыльцевые зёрна ещё и уникальны. По их внешнему виду можно определить, каким растениям они принадлежат — значит, можно выяснить и регион происхождения образца. Это помогает отследить трафик наркотиков и ввоз санкционных товаров или доказать, что бабочка-репейница, которую вы встретили на побережье Испании, зимовала в Африке и побывала в Сахаре [2]. Даже в пределах одной природной зоны растительные сообщества сильно различаются: в лесу, городском парке и в пойме реки пыльцевые спектры будут разными.
Но определить видовую принадлежность растения, глядя на пыльцу, не так просто. Раньше это мог сделать только специалист-палинолог. Сейчас появились системы автоматической классификации по микрофотографиям (например, PIGLT [3]), и уже не обязательно искать эксперта и пересылать ему образцы в конверте; но фотографии делать всё же придется, а это тоже дело долгое и трудоёмкое. Есть и другая проблема: часто по внешним признакам пыльцы в принципе невозможно определить растение с точностью до вида. А хотелось бы! Ведь чем точнее классификация, тем более узок регион поиска.
Как определить вид растения (и не только) с помощью ДНК
К счастью, теперь видовую принадлежность можно определить с помощью секвенирования ДНК. Больше того, не пыльцой единой покрыты вещи: обломки сухих листьев, одинаковые на вид гифы грибов, бактерии, — человеку, вооружённому секвенатором, каждая букашка может помочь в поиске. Чтобы определить вид образца, прицельно прочитывают небольшой максимально информативный фрагмент его генома, так называемый баркод, а затем сравнивают его с известными баркодами из базы данных.
Фрагменты, способные сыграть роль баркодов, исследователи выбирали не один год. Подходящих кандидатов не так много: одной стороны, такой участок должен присутствовать у всех организмов выбранной таксономической группы (например, у всех растений), то есть быть достаточно важным, чтобы от него нельзя было избавиться в ходе эволюции, а с другой — он должен различаться даже у близкородственных видов. Для этого ему нужно заниматься тем, чего важные участки обычно избегают: активно накапливать мутации. Кроме того, участок должен легко копироваться методом ПЦР (полимеразной цепной реакции), а для этого окружающие его последовательности, наоборот, должны быть очень похожи у всех организмов группы. Сам же он должен быть коротким, не более 1000 нуклеотидов.
На самом деле требований больше, и одного фрагмента не всегда достаточно для точного определения вида, поэтому в качестве баркода могут использовать последовательности двух или трёх фрагментов. У бактерий и архей обычно секвенируют ген, кодирующий часть рибосомы — ген 16S рРНК, а у эукариот — фрагменты геномов митохондрий или пластид: они накапливают больше замен, у них менее запутанное наследование, чем у ядерной ДНК, а ещё они присутствуют в клетке во множестве копий — значит, выделять и секвенировать их проще. Это особенно важно, если жизнь потрепала образец, и часть ДНК успела деградировать.
Известные последовательности баркодов можно найти, например, в библиотеке проекта BOLD (Barcode of Life Data System). Это самая крупная из подобных баз данных: к апрелю 2024 года она содержала баркоды для 365 тысяч видов живых организмов. Есть и более специализированные проекты: например, библиотека GreenGenes содержит баркоды для бактерий, а Diat.barcode — для коллекции диатомовых водорослей (это ещё один любимый класс растений у криминалистов — они тоже микроскопические, космически разнообразные по форме и покрыты панцирем из диоксида кремния). Баркодирование, конечно, применяют не только криминалисты: с его помощью идентифицируют патогены, находят новые виды, следят за биоразнообразием и состоянием экосистем, проверяют составы продуктов и растительных препаратов, так что библиотеки баркодов собираются совместными усилиями разных специалистов.
К счастью, теперь видовую принадлежность можно определить с помощью секвенирования ДНК. Больше того, не пыльцой единой покрыты вещи: обломки сухих листьев, одинаковые на вид гифы грибов, бактерии, — человеку, вооружённому секвенатором, каждая букашка может помочь в поиске. Чтобы определить вид образца, прицельно прочитывают небольшой максимально информативный фрагмент его генома, так называемый баркод, а затем сравнивают его с известными баркодами из базы данных.
Фрагменты, способные сыграть роль баркодов, исследователи выбирали не один год. Подходящих кандидатов не так много: одной стороны, такой участок должен присутствовать у всех организмов выбранной таксономической группы (например, у всех растений), то есть быть достаточно важным, чтобы от него нельзя было избавиться в ходе эволюции, а с другой — он должен различаться даже у близкородственных видов. Для этого ему нужно заниматься тем, чего важные участки обычно избегают: активно накапливать мутации. Кроме того, участок должен легко копироваться методом ПЦР (полимеразной цепной реакции), а для этого окружающие его последовательности, наоборот, должны быть очень похожи у всех организмов группы. Сам же он должен быть коротким, не более 1000 нуклеотидов.
На самом деле требований больше, и одного фрагмента не всегда достаточно для точного определения вида, поэтому в качестве баркода могут использовать последовательности двух или трёх фрагментов. У бактерий и архей обычно секвенируют ген, кодирующий часть рибосомы — ген 16S рРНК, а у эукариот — фрагменты геномов митохондрий или пластид: они накапливают больше замен, у них менее запутанное наследование, чем у ядерной ДНК, а ещё они присутствуют в клетке во множестве копий — значит, выделять и секвенировать их проще. Это особенно важно, если жизнь потрепала образец, и часть ДНК успела деградировать.
Известные последовательности баркодов можно найти, например, в библиотеке проекта BOLD (Barcode of Life Data System). Это самая крупная из подобных баз данных: к апрелю 2024 года она содержала баркоды для 365 тысяч видов живых организмов. Есть и более специализированные проекты: например, библиотека GreenGenes содержит баркоды для бактерий, а Diat.barcode — для коллекции диатомовых водорослей (это ещё один любимый класс растений у криминалистов — они тоже микроскопические, космически разнообразные по форме и покрыты панцирем из диоксида кремния). Баркодирование, конечно, применяют не только криминалисты: с его помощью идентифицируют патогены, находят новые виды, следят за биоразнообразием и состоянием экосистем, проверяют составы продуктов и растительных препаратов, так что библиотеки баркодов собираются совместными усилиями разных специалистов.
Можно ли верить «показаниям» пыльцы и грибов
Чем больше разных видов организмов обнаруживается в образце, тем сильнее в среднем сужается регион поиска. К счастью, технологии NGS (next generation sequencing) позволяют считывать баркоды буквально из грязи, получая информацию о видовой принадлежности всей водорослевой, например, или бактериальной ДНК. Такую совокупную ДНК называют метагеномом, а подход — метабаркодированием. В криминалистике он пока применяется не очень активно, но предварительные исследования вдохновляют: с помощью алгоритма машинного обучения Random Forest по бактериальному метагеному свежих следов можно определить, где гулял любитель тащить грязь в дом , а по составу кишечной микробиоты жителей Китая — прикинуть, на какой широте они живут.
Недавно китайские криминалисты применили метабаркодирование, чтобы опознать тело женщины. В местных списках пропавших её не было; поиск по ДНК, по отпечаткам пальцев и другим приметам тоже ничего не дал. Тогда криминалисты заглянули к ней в лёгкие. Дело в том, что небольшая часть пыльцевых зёрен, попавших в дыхательные пути, остаётся в них навсегда, так что человек, долгое время проживший в одном районе, оказывается «помечен» пыльцой окрестных растений. Сопоставив образцы, полученные из лёгких, с географическим распределением флоры Китая, криминалисты смогли сузить поиски до двух провинций — и в итоге женщину удалось найти в списках пропавших в одной из них.
Насколько же точен этот метод? Чтобы проверить, авторы одного из исследований собрали в четырёх разных точках США 42 пробы пыли и попытались с помощью метабаркодирования восстановить регион её происхождения. Для этого карту США разбили на ячейки площадью 250 квадратных километров, и для каждой ячейки подсчитали, какой процент таксонов из тех, что обнаружены в пробе пыли, встречается на этой территории.
Чем больше разных видов организмов обнаруживается в образце, тем сильнее в среднем сужается регион поиска. К счастью, технологии NGS (next generation sequencing) позволяют считывать баркоды буквально из грязи, получая информацию о видовой принадлежности всей водорослевой, например, или бактериальной ДНК. Такую совокупную ДНК называют метагеномом, а подход — метабаркодированием. В криминалистике он пока применяется не очень активно, но предварительные исследования вдохновляют: с помощью алгоритма машинного обучения Random Forest по бактериальному метагеному свежих следов можно определить, где гулял любитель тащить грязь в дом , а по составу кишечной микробиоты жителей Китая — прикинуть, на какой широте они живут.
Недавно китайские криминалисты применили метабаркодирование, чтобы опознать тело женщины. В местных списках пропавших её не было; поиск по ДНК, по отпечаткам пальцев и другим приметам тоже ничего не дал. Тогда криминалисты заглянули к ней в лёгкие. Дело в том, что небольшая часть пыльцевых зёрен, попавших в дыхательные пути, остаётся в них навсегда, так что человек, долгое время проживший в одном районе, оказывается «помечен» пыльцой окрестных растений. Сопоставив образцы, полученные из лёгких, с географическим распределением флоры Китая, криминалисты смогли сузить поиски до двух провинций — и в итоге женщину удалось найти в списках пропавших в одной из них.
Насколько же точен этот метод? Чтобы проверить, авторы одного из исследований собрали в четырёх разных точках США 42 пробы пыли и попытались с помощью метабаркодирования восстановить регион её происхождения. Для этого карту США разбили на ячейки площадью 250 квадратных километров, и для каждой ячейки подсчитали, какой процент таксонов из тех, что обнаружены в пробе пыли, встречается на этой территории.
