Проведено исследование, которое позволило протестировать биостратиграфическую последовательность местонахождений и фаун млекопитающих и моллюсков юга Европейской России и Украины методами относительной аминокислотной геохронологии по раковинам моллюсков и зубной эмали млекопитающих. Всего было проанализировано 94 кальцитовых оперкулума из 21 фаунистического горизонта в 16 опорных разрезах плио-плейстоцена Приазовья, Причерноморья и нижнего Дона [РИС.1] и дополнительно 30 оперкулумов из двух разрезов раннего плейстоцена Среднего Дона и Нидерландов.

Проанализированные палеонтологические остатки происходят из местонахождений, отнесенных к 12 биохронологическим зонам (зоны MQR/MNR, Тесаков, 2004) [РИС.2].

Основными результатами исследования стали подтверждение прямой зависимости роста рацемизации аминокислот от геологического возраста образцов [РИС.3] и высокой сходимости хронологической последовательности древних фаун при независимом использовании геолого-биостратиграфического и аминостратиграфического методов. Синтез этих методов обеспечил повышение детальности хронологии био-климатических событий плейстоцена.

Основой исследований стали определения степени деградации (рацемизации) четырех аминокислот (аланин - Ala, аспарагин [+аспарагиновая кислота] - Glx, глутамин [+глутаминовая кислота] - Glx, валин — Val) во внутрикристаллическойтовой фракции кальцитовых оперкулумов пресноводных брюхоногих моллюсков семейства Bithyniidae, которые в массовом количестве содержаться в четвертичных отложениях флювиального генезиса. Скорости рацемизации аминокислот во времени неодинаковы: в выбранном наборе наиболее быстрой рацемизацией характеризуется аспарагин, за ним следует аланин, а наиболее «медленными» являются глутамин и валин. Это дает возможность получать большее временное разрешение в определенных участках шкалы геологического времени при использовании разных аминокислот, а также осуществлять взаимопроверку аминохронометров.

Главным показателем степени рацемизации аминокислот является соотношение правых и левых изомеров аминокислот (D/L). Коэффициент D/L градуирован в интервале от 0 (все левые изомеры, 0 хронометра) в современном материале до 1.0 (50 на 50% правых и левых, остановка хронометра) в древнем раковинном материале. Полученные данные показали распределение значений коэффициента рацемизации от 0,1-0,2 до 1 неслучайным образом. В большинстве случаев проба из более древнего биохрона показала и более высокие значения рацемизации аминокислот. Как и было показано в литературе для плейстоцена Великобритании и прилежащей части континентальной Европы (Penkman et al., 2011), наиболее «быстрая» аминокислота — аспарагин демонстрирует высокую степень деградации от прижизненных уровней до значений между 0,8 для всех проб в интервале времени 0-0,5 млн лет. Для юга России хорошее разрешение для этого аминохронометра демонстрируется в интервале конца среднего — позднего плейстоцена [РИС.4] где четко различаются облака точек, отвечающие местонахождениям днепровско-московской ледниковой эпохи (Беглица, Лебяжий) и пост-микулинскому уровню Синего Яра. Более древние точки (начало среднего — ранний плейстоцен) показали высокие значения рацемизации (между 0,9 и 1), хотя даже вблизи остановки хронометра демонстрируют четкую временную дифференциацию. Другие, более медленно рацемизующиеся аминокислоты нашего исследования (аспарагин, глутамин, валин) также показали отличное временное разрешение для наиболее молодых точек нашего анализа. Все три этих аминохронометра хорошо разделили также выборки Лебяжьего (чуть меньшая степень рацемизации) от Беглицы (чуть большие показатели D/L) [РИС. 5, 6, 7].

В интервале первой половины раннего плейстоцена и позднего плиоцена (фауны биохронологического интервала MQR10-MNR5, псекупский, хапровский и урывский фаунистические комплексы) получены противоречивые данные с инверсиями и отскоками данных по местонахождениям по сравнению с биостратиграфической последовательностью. Хотя коэффициенты рацемизации для проб этого интервала еще не предельные (0,8-1,0), все говорит о том, что вблизи зоны остановки геохронометра его надежность резко падает. Тем не менее, наиболее древняя точка нашего анализа, представленная оперкулумами из местонахождения Кривский (ок. 3 млн лет), продемонстрировала и наибольший уровень рацемизации для аланина и валина, и очень высокий для двух других аминокислот [РИС.6, 7].

Изученные оперкулумы по морфологии относятся к двум близким родам пресноводных моллюсков семейства Bithyniidae: — Bithynia и Parafossarulus [РИС. 8].

Проведено специальное сравнительное исследование для местонахождений, где присутствуют оба рода, показавшее сравнимые результаты по уровням рацемизации аминокислот Bithynia и Parafossarulus [РИС.9]. Таким образом, данные по оперкулумам этих родов при анализе могут быть взаимозаменяемыми.

При анализе распределений облаков точек на диаграммах рассеивания значений рацемизации аминокислот было выявлено несколько случаев значительного «отскока» некоторых точек от основного поля распределения значений в местонахождениях (Платово, Маргаритово 2, Семибалки 1 и 2, Стефанидинодар) [РИС.4-7]. Такие выбросы интерпретируются как случаи переотложения оперкулумов моллюсков из более древних отложений. Действительно, оперкулумы битиниид обладают значительной прочностью и имеют плоскую формы, что облегчает возможность гидродинамической сортировки при водной эрозии аллювиальных отложений. В одном случае (Платово) присутствие переотложенных оперкулумов предположительно раннего плейстоцена подтверждено также присутствием переотложенных остатков грызунов этого возраста. Показательно также распределение уклоняющихся точек в разрезе Семибалки, где проанализированы оперкулумы из двух разновозрастных слоев [РИС.10].

Отложения верхнего слоя (Семибалки 2) образовались в начале среднего плейстоцена и охарактеризованы мелкими млекопитающими тираспольского фаунистического комплекса (MQR4-6). Эти отложения подстилаются т.н. таманскими лиманными глинами, охарактеризованными микротериофауной конца раннего плейстоцена (MQR7). Распределение значений D/L в верхнем слое бимодально. Область образцов с менее рацемизированными аминокислотами совпадает с распределениями других местонахождений палюдинового аллювия Тагарогского залива. Мы коррелируем ее с собственно фазой отложения аллювия палео-Дона в начале среднего плейстоцена.

Распределение точек, представляющих более рацемизированные (более древние) образцы попадает в область точек местонахождений самого конца раннего плейстоцена, в том числе и нижнего слоя - Семибалки 1. Мы интерпретируем ее как доказательство перемыва этих осадков. Распределение значений рацемизации образцов нижнего слоя показывает наличие в нем еще более древних фоссилий, указывающих на переотложение из раннего плейстоцена. Эти первые данные позволили впервые зарегистрировать сложную историю отложения и размыва аллювиальных толщ, т. е. начать изучение процессов, которые раннее были недоступны инструментальным исследованиям. В будущем, увеличение количества образцов позволит применить статистические методы и провести более детальные реконструкции флювиальных процессов.

Единственным значительным несоответствием степени рацемизации аминокислот и эволюционного уровня и геологического положения фаун млекопитающих и моллюсков представляют в нашем исследовании данные по разрезу Тиздар на Таманском п-ве. Микротериофауны и ассоциации моллюсков происходят из трех последовательных слоев в едином разрезе и биостратиграфически датированы в интервале середины раннего плейстоцена, перехода от гелазия к калабрию, с оценкой возраста около 2 млн л. Над фауной местонахождения Тиздар 1 (MQR11), выше по разрезу найдены фауны Тиздар-Кермек и Тиздар 2 (оба — MQR10). В соответствии с геологическим и эволюционным возрастом эти фауны должны были быть представлены в диаграмме степени рацемизации аминокислот точками в области посередине между облаками, отвечающими фаунам второй половины раннего плейстоцена (калабрия) и фаунам начала раннего плейстоцена (гелазия). Однако все образцы из Тиздара показали очень высокую степень рацемизации, сравнимую или даже превышающую таковую из местонахождений гелазия. При этом, даже при таких крайних значениях деградации три аминохронометра по общей фракции аминокислот показали последовательное увеличение коэффициента D/L (т.е. удревнение возраста) от верхнего слоя к нижним [РИС.11].

Это позволяет исключить вариант массового переотложения оперкулумов из каких-то древних толщ и рассматривать их как синхронные осадконакоплению и териофаунам. Возможное объяснение этой необычной ситуации может быть связано со спецификой геологического строения этого разреза. В отличие от всех других изученных в нашей работе разрезов, разрез Тиздар находится в области, затронутой активной новейшей тектоникой и грязевым вулканизмом. Это очевидно из положения разреза в крыле брахиантиклинальной складки и слоев грязевулканических (сопочных) брекчий, подстилающих и перекрывающих слои с палеонтологическими находками. Периодические интенсивные извержения грязевых вулканов – характерная черта геологии Таманского полуострова (Собисевич и др., 2008; Овсюченко и др., 2017). Эти извержения связаны с повышенной геотермальной активностью, а также с локальными взрывами и горением вулканического метана, которые могут потенциально вести к прогреву вмещающих отложений (Мухтаров, 2003; Ершов и др., 2015). Таким образом, неожиданно высокие уровни внутрикристаллической деградации белков (IcPD) могли возникнуть в результате такого прогрева. Сравнительные показатели рацемизации разных аминокислот не противоречат такой термической истории. Примечательно, что фрагмент эмали слона из слоя Тиздар-Кермек также продемонстрировал аномально высокий уровень рацемизации амиокислот.

Анализ значений рацемизации аминокислот позволил выявить в изученной последовательности разрывы в распределении точек. Эти разрывы между точками одних и тех же возрастных групп фаун воспроизводятся по данным всех четырех аминокислот нашего анализа. Наибольшую детальность по разрывам в наблюдаемой последовательности представляют данные по аминокислотам с более медленной рацемизацией — глутамину и валину. Мы пронумеровали разрывы (англ., gaps) от от G1 до G10 [РИС.4-7] и предположили, что они могут быть связаны с отсутствием в нашем анализе фаун определенных временных уровней, т. е. при хорошей изученности региона – с локальными перерывами в осадочной летописи (отсутствие седиментации и/или размыв). Наиболее явственно проявляются хиатусы между началом и концом среднего плейстоцена, а также между фаунами начала и второй половины раннего плейстоцена. Примечательно, что отдельные уклоняющиеся точки – выбросы (outliers) из захоронений начала среднего плейстоцена, интерпретированные как переотложенные, попадают в области раннеплейстоценового разрыва. Разрывам в облаках показателей рацемизации аминокислот четко соответствуют и перерывы в эволюционной последовательности фаун.

В дополнение к анализу остатков моллюсков, было проведено пилотное изучение коэффициента рацемизации аминокислот (аспарагин, аланин, глутамин и фенилаланин) в небольшой выборке единичных образцов эмали ископаемых слонов мамонтовой эволюционной линии (Archidiskodon meridionalis gromovi, A. m. meridionalis, A. m. tamanensis, Mammuthus trogontherii, M. chosaricus, M. primigenius). Эти данные также показали достоверную сходимость био- и аминостратиграфических данных [РИС.12], а также больший, чем у моллюсков, интервал работоспособности метода, включая весь ранний плейстоцен. Это связано с более медленной скоростью рацемизацией аминокислот в зубной эмали слонов [РИС.13]. Таким образом интервал надежной работы изученных аминохронометров составляет 1,5 млн лет для кальцитовых оперкулумов и 2,5 млн лет – для эмали слоновых.

Поскольку в закрытой геохимической системе скорость рацемизации аминокислот зависит только от времени и от термической истории региона, более южные регионы характеризуются несколько более высокой скоростью рацемизации. По результатам нашего исследования, по сравнению с британской аминостратиграфической последовательностью (Penkman et al., 2013), значения деградации белков во внутрикристаллической фракции раковин моллюсков и эмали млекопитающих на юге Восточной Европы систематически выше для каждого возрастного среза [РИС.14].

Таким образом, прямые сравнения регионов с разной температурной историей (например, районы широкого развития плейстоценовых оледенений и внеледниковые области) по показателям рацемизации – затруднены, однако легко могут быть выполнены с использованием возрастной калибровке [РИС.15] в каждом из регионов.

В ходе поездки в Великобританию (ноябрь 2018) российские участники проекта ознакомились с лабораторной и приборной базой Химического факультета Университета Йорка [РИС.16].

В ходе экспедиционного выезда российские участники изучили вместе с британскими коллегами типовые разрезы раннего и среднего плейстоцена Восточной Англии [РИС.17], изучили сравнительные коллекции раковин ископаемых моллюсков и костных остатков млекопитающих в фондах Музея Естественной истории в Лондоне, провели рабочую встречу, где были обсуждены полученные в первый год результаты и намечены совместные работы на 2019 г.

В ходе поездки британских участников проекта К.Пенкман и М.Дикинсона в Россию (июнь-июль 2019) проведено совместное полевое исследование (июнь 2019) разрезов плио-плейстоцена южного Приазовья (Таманский п-ов) [РИС. 18], были собраны дополнительные материалы для аминостратиграфического датирования, проведен полевой методический семинар.

В ходе визита британских коллег в Геологический институт РАН (июль 2019) проведена работа по подготовке совместный публикации [РИС. 19], доложены результаты совместного исследования на научном семинаре отдела стратиграфии в ГИН РАН, а так же проведены переговоры с сотрудниками Института нефтегазового синтеза РАН (Москва) о проведении тестовых измерений показателей рацемизации аминокислот из ископаемых остатков моллюсков на российском газовом хроматографе.

Результаты совместного российско-британского проекта по аминостратиграфии плейстоцена Европы были использованы в качестве одного из научных блоков в заявке в Европейский научный совет на создание Европейской аминостратиграфической шкалы четвертичного периода (EQUATE, European Quaternary Aminostratigraphic Timescale).