CC BY
76
УДК 615.849; 572.08
Бужилова А. П., д-р истор. наук, директор
НИИ и Музей антропологии МГУ, Институт археологии РАН
Потрахов Н. Н., д-р техн. наук, профессор
Потрахов Е. Н., аспирант
Грязнов А. Ю., д-р техн. наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)»
Анализ маркеров стресса методом микрофокусной рентгенографии (по антропологическим материалам эпох каменного века)1
Ключевые слова: линии Гарриса, маркер физиологического стресса, микрофокусная рентгенография, палеоантропология, эмалевая гипоплазия.
Key words: Harris lines, marker of physiological stress, microfocus roentgenology, paleoanthropology, enamel hypoplasia.
Разработанный коллективом алгоритм научного анализа ископаемых останков человека методом цифровой рентгенографии позволил значительно расширить рамки современных отечественных палеоантропологических исследований. Авторы провели пилотные исследования для анализа различных патологий и возрастных изменений на материале останков ископаемого человека. Приведены результаты апробации метода микрофокусной рентгенографии при анализе маркеров эпизодического стресса на костных и зубных останках ископаемого человека. Данные о частоте встречаемости эпизодического стресса крайне важны при оценке условий жизни древних людей, а значит, применение этого метода весьма актуально.
Введение
Микрофокусная рентгенография применяется в отечественной медицине с середины 1970-х годов благодаря отпаянным рентгеновским трубкам с размером фокусного пятна менее 100 мкм. Ее преимущества — более качественная передача мелких деталей и большая глубина резкости для неподвижных объектов, особенно при съемке с прямым увеличением изображения [1].
В настоящее время ученые используют аналоговую цифровую рентгенографию, технические моде-
1 Работа выполнена при поддержке Программы развития ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова», гранта РФФИ «Трансформация биологических показателей плейстоценовых Ноmо в контексте евразийских миграций» № 11-06-12009.
ли которой успешно апробированы и применяются в различных отраслях медицины: хирургии, стоматологии, травматологии, детской рентгенологии, фармакологии и ветеринарии [2]. В данном исследовании проводится апробация метода для анализа индикаторов физиологического стресса.
Материалы и методы
Изучались трубчатые кости и зубы ископаемых останков людей каменного века. В анализ вошли материалы из раскопок неандертальской стоянки Киик-Коба. Это останки взрослого индивида — мужчины, обнаруженного в середине 1920-х годов Г. А. Бонч-Осмоловским в крымском гроте Киик-Коба. Для сопоставления результатов проанализирована серия трубчатых костей и зубов из погребений мезолитической и неолитической эпох стоянки Минино на Кубенском озере (Вологодская обл.), раскопанной под руководством Н. А. Макарова. Всего 17 половозрелых индивидуумов мужского пола.
Маркеры эпизодического стресса были изучены методами рентгенографии трубчатых костей и морфологического обследования зубов с частичной рентгенографией нескольких однокорневых зубов нижней челюсти. Известно, что формирование костной и зубной систем человека происходит в определенные сроки онтогенеза. Если в этот период растущий организм испытал стрессовое воздействие, то его следы могут сохраниться до конца жизни на определенных участках зубной и костной систем. Это позволяет исследователям изучать стрессы детского возраста на костях и зубах взрослого индивидуума.
К наиболее распространенным маркерам такого рода относится определенный дефект зубной эмали — эмалевая гипоплазия. Это расположенные на коронке зуба ямки, линейные наслоения и дефекты других форм, которые можно визуально фиксировать без специального оборудования. Распространенными причинами данного явления принято считать недостаток кальция, фосфора, витамина D и последствия некоторых бактериальных инфекций в период роста и развития коронок молочных и постоянных зубов. Этот маркер не изучается рентгенологическими методами, полученные нами сведения по рентгеноструктуре дефектов эмали анализировались в большей степени для оценки возможностей его исследования методом микрофокусной рентгенометрии.
Частота встречаемости эмалевой гипоплазии оценивалась в сравнении с другим маркером — линиями задержки роста (линиями Гарриса), которые можно зафиксировать только методами рентгенологии. Линии Гарриса были так названы по имени исследователя, который одним из первых изучил механизм и причины их образования. Известно, что рост кости в длину происходит за счет ростовой пластинки, расположенной на месте соединения эпифиза с диафизом. До определенного возраста в ней происходят пролиферация хрящевого вещества, его обызвествление, рассасывание и развитие костных структур. С возрастом этот диск постепенно становится тоньше. Процесс пролиферации костного вещества затухает, и наконец хрящ целиком замещается костными структурами, то есть происходит костное сращение эпифиза с диафизом. Считается, что с этого момента кость перестает расти. Таким образом, на месте хрящевого диска образуется так называемая костная замыкательная пластинка, которая со временем резорбируется, что приводит к полному слиянию эпифизарных и диафизарных костных структур [3]. Иногда на рентгенограммах длинных костей в области метафиза фиксируются горизонтально ориентированные линии. Это и есть линии задержки роста (линии Гарриса). Они формируются в области росткового диска вследствие преждевременно образующейся костной замыкательной пластинки. Образование такой пластинки не приводит к нарушению целости хрящевого диска, при возобновлении процесса развития кости такая остеобла-стическая пластинка не исчезает целиком, а входит в состав метафизарных структур. Как известно, на рентгенограммах эти образования дают густые тени, создающие впечатление образованных поперечно к диафизу пластинок.
Замечено, что формирование линий Гарриса происходит по нескольким причинам. Во-первых, они образуются при резком дефиците белков, причем в популяциях, испытывающих постоянное недоедание, может быть зафиксировано их отсутствие. Как правило, линии формируются при резком периодичном недоедании (голодании) индивидуумов. Таким образом, механизм образования линий Гарриса впол-
не укладывается в схему процесса физиологической адаптации, и опыты на животных подтверждают эту гипотезу [4]. Во-вторых, линии Гарриса могут образовываться вследствие некоторых заболеваний. В последнем случае проводится дифференциальная диагностика с учетом выявленных патологий.
Рентгенография трубчатых костей и однокорневых зубов была выполнена в нескольких режимах для одного и того же образца: без увеличения изображения (кости конечностей) и с прямым увеличением в 4 и 8 раз (кости фаланг стопы и зубы) на специально разработанной рентгенодиагностической установке ПРДУ-02 с визуализацией изображения посредством системы Digora РСТ. Режимы съемки: рабочее напряжение для костей — 30 кВ / 80 мкА, время экспонирования — 7 с, рабочее напряжение для зубов — 35 кВ / 90 мкА, время экспонирования — 15 с.
Оценка степени распространения линий Гарриса фиксировалась по числу линий и степени протяженности на каждой исследованной большеберцовой кости [4]. Среднее число линий Гарриса учитывалось по количеству изученных индивидов, а не по числу исследованных костей [5]. Кроме того, для сравнительного анализа с учетом другого маркера стресса фиксировался процент распространения индикатора по количеству индивидов в серии. На зубах число линий задержек роста фиксировалось визуально. Как и в случае анализа большеберцовых костей, учитывался процент встречаемости индикатора среди исследованных индивидуумов.
Часть однокорневых зубов (резцов, клыков), подвергнутых рентгенографии, была использована в анализе оценки относительной плотности эмали в местах обнаруженных дефектов по сравнению с плотностью эмали в нормально сформированной части коронки. Оценка проводилась без эталона плотности эмалевой части коронки, то есть оценивалась не абсолютная, а относительная изменчивость. Расчеты плотности проводились с применением компьютерной программы визуализации изображения посредством системы Digora РСТ. Параметр соотношения плотности в нарушенной и ненарушенной областях эмали рассчитывался для каждого индивидуума отдельно в виде предложенного нами индекса относительной плотности эмалевой гипоплазии:
^п.п.
Бн/Бд х 100 %,
где Бн — средняя плотность в зоне нормального развития эмали; Бд — средняя плотность в зоне эмалевого дефекта.
Для оценки масштаба изменчивости плотности эмали на коронке с нормальным развитием и с эмалевой гипоплазией был введен индекс соотношения плотности эмали коронки и корня зуба:
/с.п. = Бэ/Бд х 100 % ,
где Бэ — средняя плотность в зоне эмали (коронки зуба); Бд — средняя плотность в зоне дентина
(корня зуба). Таким образом, мы избежали необходимости учитывать возможную индивидуальную декомпенсацию плотности эмали из-за различных физиологических факторов.
Результаты и обсуждение
Анализ маркеров физиологического стресса показал неоднозначную картину негативного влияния среды. В целом реконструируются суровые условия жизни и определенная сезонность в формировании стрессоров у охотников- собирателей каменного века.
Проведенный микрофокусный рентгеновский анализ костных останков неандертальца из Киик-Кобы дает основания для вывода о том, что костная плотность соответствует зрелому возрасту, то есть патологического остеопороза не наблюдается. На фалангах стоп отмечено усиление костного рельефа, а также некоторая натруженность дисталь-ных отделов, что может расцениваться как свидетельство чрезвычайных механических нагрузок на нижние конечности, например при длительных пеших переходах.
В результате морфологического и рентгенологического анализов взрослого неандертальца из Киик-Кобы было выявлено несколько разнонаправленных патологий. Во-первых, по сохранившимся костям можно было наблюдать старую зажившую травму основной фаланги V пальца левой стопы. Во-вторых, у индивида зафиксированы последствия микротравм надколенника, наличие верхней шпоры и окостенения подошвенного апоневроза на пяточных костях [6]. Кроме того, в некоторых концевых фалангах обеих стоп и на сохранившейся части большеберцовой кости рентгенологически выявляются линии Гарриса.
Согласно задачам исследования, было проанализировано присутствие равномерно отстоящих друг от друга линий задержек диафизарного роста плюсневых костей (линий Гарриса). По нашим наблюдениям, у киик-кобинца их число колеблется в пределах 6-8 на одну кость как правой, так и левой стороны (рис. 1). Рентген большеберцовой кости во фронтальной и латеральной позициях показал, что в проксимальной части метафизарная область боль-шеберцовой кости практически полностью разрушена посмертно. В сохранившейся лучше дисталь-ной части обнаружена только одна линия ростовой задержки протяженностью чуть меньше половины диаметра диафиза (рис. 2).
Таким образом, реконструкция эпизодов физиологического стресса в детском и подростковом возрасте оказалась возможной только при оценке степени физиологического стресса на костях стоп. Регулярность формирования линий задержки роста (более или менее равномерное расположение линий Гарриса) дает основание предположить, что он испытывал периодическое, возможно сезонное, голодание в процессе роста и развития.
а)
Рис. 1 Линии задержки диафизарного роста плюсневых костей (линии Гарриса). Сохранившиеся кости левой (а) и правой (б) стопы неандертальца. Киик-Коба 1 (Крым)
Сравнительный анализ с учетом другого маркера стресса оказался невозможным из-за практически полного отсутствия зубов у индивидуума, единственный сохранившийся зуб был фактически без коронки из-за ее значительной прижизненной стертости. Такая стертость нередко фиксируется в старческом возрасте или у индивидов с непомерно высокой механической нагрузкой на зубочелюстной аппарат. На рентгенограмме зуба фиксируется лишь незначительная область сохранившейся эмали в прише-ечной области. Зубной канал достаточно широкий, не закрыт в апикальной части корня. Вероятно, это индивид не старческого, а зрелого возраста (рис. 3). На корне зуба визуально выявлен гиперцементоз, наличие которого косвенно указывает, что при жизни индивида зубы подвергались непомерной нагрузке вследствие механического стресса. Таким образом, столь внушительная стертость коронки зуба могла быть спровоцирована не возрастными, а механическими нагрузками.
Сравнительный анализ европейских неандертальских находок по распространению эмалевой гипоплазии показал, что на 241 из 297 обследованных зубов отмечены дефекты эмалевой гипоплазии. Если говорить о распространенности этой патологии среди индивидов, то следует указать, что примерно 75 % обследованных имели дефект эмали [7]. Частота патологии очень высока. Благодаря тотальным исследованиям более поздних хронологических периодов Евразии мы знаем, что подобный уровень развития эмалевой гипоплазии считается верхним пределом для земледельческих популяций, находящихся в экстремальных условиях среды [5].
Рис. 2
Линия задержки диафизарного роста (линия Гарриса) в дистальной части большеберцовой кости. Неандерталец. Киик-Коба 1
Было проведено специальное повторное исследование частоты эмалевой гипоплазии в группах европейских и азиатских неандертальцев отдельно. Так, в азиатской серии величина этого признака для всех зубов в целом достигает 36,0 % (примерно 40,0 % эмалевой гипоплазии встречается на постоянных зубах и 3,9 % — на молочных), в серии европейских неандертальцев показатель для постоянных зубов приближается к 40,0 %, а с учетом молочных зубов не превышает 35,0 %.
Таким образом, по пересмотренным и уточненным данным показатель эмалевой гипоплазии для неандертальцев приближается к 35-40%, что, несмотря на значительное снижение первоначально обозначенной величины, все равно следует рассматривать как завышенные значения признака. Так, при сравнительном анализе с более ранними гомини-дами выясняется, что для них показатель эмалевой гипоплазии не превышает интервала 12-30 % [8].
Подробный анализ причин эмалевой гипоплазии для эпохи среднего палеолита, проведенный Э. Трин-каусом [9], позволяет отвергнуть вероятность генетической предрасположенности неандертальцев к этой патологии, поскольку в целом частота встречаемости генетических аномалий и патологий среди этого населения невелика и сводится к случайному порядку.
Если говорить о других причинах появления эмалевой гипоплазии, например о последствиях инфекционных заболеваний, то хронические проявления подобных патологий практически не отмечаются у евразийских неандертальцев. В таком случае пищевой сезонный стресс — наиболее вероятная причина возникновения эмалевой гипоплазии у неандертальцев. По частным наблюдениям одного из авторов статьи (А. П. Бужиловой), у неандертальца из Тешик-Таша линии эмалевой гипоплазии на постоянных зубах отчетливы и фиксируются с более или менее четкой регулярностью на протяжении большей части площади коронки, что, возможно, указывает на некоторую сезонность негативных факторов среды. Последнее дает основание говорить о возможной причине стресса у ребенка из Тешик-Таша — сезонной пищевой недостаточности. Напомним, что отмеченные нами регулярные линии Гарриса на фалангах стоп у ки-ик-кобинского неандертальца также соответствуют гипотезе сезонного голодания.
Для дальнейшей оценки гипотезы сезонного пищевого стресса нами проанализированы больше-берцовые кости мужчин из мезолитических и неолитических слоев Минино 1. В этой серии линии Гарриса встречаются в 80 % случаев, причем их среднее число колеблется от 7 до 11 единиц на одну большеберцовую кость. Как и у киик-кобинца, обнаруженные линии Гарриса демонстрируют более или менее отчетливую регулярность, что косвенно указывает на сезонность выявленных непродолжительных стрессов в детском возрасте, связанных, скорее всего, с недостатком питания, а не с болезнями. При прямом сравнении с другим маркером ростовых задержек оказалось, что индикатор эмалевой гипоплазии встречается в серии всего в 5,9 % случаев (1 индивидуум). Число линий эмалевой гипоплазии незначительно, сам дефект фиксируется неотчетливо и встречается не на каждой зубной коронке у индивидуума. На рентгенограмме клыка в области выявленных дефектов видны волнообразные тени, свидетельствующие о нарушении процесса формирования эмали (рис. 4). Показатели относительной плотности эмали на примере пяти зубов индивидуума (у которого была обнаружена эмалевая гипоплазия) рассчитывались в зоне дефекта и зоне нормального развития эмали коронки. Кроме того, для общей оценки изменчивости данные сравнивались с индексом соотношения плотности эмали коронки и корня зуба. Такие расчеты проводились для каждого зуба в отдельности (см. таблицу). Даже несмотря на незначительное количество наблюдений можно заметить, что эмаль коронки с проявлениями эмалевой гипоплазии демонстрирует более высокие значения плотности, чем эмаль нормально развивающейся коронки. Эти значения соотносятся примерно так же, как плотности дентина (корня зуба) и эмали (коронки зуба).
В результате проведенного исследования выявленную несогласованность проявления частоты встречаемости двух маркеров эпизодического стресса
Рис. 3
Рентгенограмма зуба. Неандерталец. Киик-Коба 1
Рис. 4
Рентгенограмма зуба (клык) нижней челюсти индивидуума из мезолитического слоя Минино 1 (Вологодская обл.). Линии эмалевой гипоплазии фиксируются в виде волнообразных дефектов
в группе можно рассматривать как следствие разнонаправленных стрессов, возможно, различных по силе воздействия. Вероятно, наиболее острые физиологические состояния приводили к формированию линий задержек роста на эмали зубов, а менее острые оставляли следы на костной ткани трубчатых костей.
В мезолитических группах и группах ранних земледельцев показатель эмалевой гипоплазии отмечается без определенной тенденции. В одних регионах не зафиксировано существенной разницы в показателях частоты встречаемости эмалевой гипоплазии, в других — ее наибольшая частота отмечена в мезолитических группах с тенденцией
Таблица Плотность дентина и эмали на зубах нижней челюсти с эмалевой гипоплазией и без нее
Зубы Признак
Корень Коронка Область пульпы Индекс
без эмалевой гипоплазии с эмалевой гипоплазией относительной плотности эмалевой гипоплазии соотношения плотности эмали коронки и корня зуба
Внутренний резец 93 62 - 89 - 66,7
Внешний резец 105 64 - 92 - 61,0
Внешний резец 109 72 - 95 - 66,1
Клык 113 73 114 100 64 64,6
Клык 117 73 119 101 61,3 62,4
Среднее значение 107,4 68,8 116,5 95,4 62,7 64,16
к уменьшению показателя со временем. М. В. Козловская приводит сведения о практически 100 % встречаемости эмалевой гипоплазии среди неолитических охотников-собирателей Средней полосы (группа Сахтыш 11а) [10]. По ее данным, с течением времени намечается тенденция некоторой редукции показателя в мужских группах. В серии Сакаровка (мариупольского типа, на юге Восточной Европы) этот признак отмечается всего в 12,5 % случаев среди взрослого населения. По своим наблюдениям Ш. Робертс и К. Манчестер резюмируют, что в эпоху каменного века на территории Западной Европы примерно треть населения имела отчетливо выраженную эмалевую гипоплазию, а на поздних этапах бронзового века — больше половины (58 %), то есть наблюдается увеличение значений показателя ко времени очевидной земледельческой специализации популяций [11].
Заключение
Методом микрофокусной рентгенографии удалось выявить дополнительную информацию для реконструкции жизнедеятельности охотников-собирателей разных эпох каменного века. Анализ маркеров физиологического стресса, отражающих воздействие среды, — это еще один пласт антропологической информации, дающий дополнительный ключ к пониманию эволюционных и адаптивных механизмов рода Homo.
О давлении внешних факторов среды мы можем судить по наличию линий ростовых задержек (линий Гарриса). У неандертальца из Киик-Кобы они располагаются примерно на равных расстояниях в метадиафизарной части плюсневых костей. Эта равномерность, так же как и приблизительно одинаковое число трансверзальных линий на каждой кости, позволяет предположить сезонное белковое голодание в процессе роста и развития организма индивида. У населения более поздних эпох каменного века число индивидов с признаками задержки роста в детском возрасте достигает высоких значений (80 %). Это позволяет сделать предположение о достаточно суровых условиях жизни древних охотников-собирателей.
Другой индикатор задержки роста, эмалевая гипоплазия, не дает столь четкой тенденции, ее удалось оценить благодаря рентгенологии трубчатых костей ископаемых людей каменного века. Кроме того, маркер эмалевой гипоплазии нельзя однозначно рассматривать как сопутствующий индикатору стресса по линиям задержки роста на трубчатых костях, хотя оба индикатора теоретически указывают на вероятные периоды голодания палеолитического человека. Расчет оценки относительной плотнос-
ти эмалевой гипоплазии может быть использован для возможных палеоэкологических реконструкций в антропологии.
Благодарности
Авторы выражают признательность своим коллегам: В. И. Хартановичу [Музей антропологии РАН (Кунсткамера)] за предоставленную возможность работать с останками неандертальца из Киик-Кобы, М. В. Добровольской (Институт археологии РАН) и М. В. Медниковой (Институт археологии РАН) за помощь в работе с останками неандертальца из Киик-Кобы.
| Литература |
1. Мазуров А. И., Потрахов Н. Н. Возможности микрофокусной рентгенографии в медицине // Петербургский журнал электроники. 2008. 2 (55)-3 (56). С. 142-146.
2. Потрахов Н. Н. Микрофокусная дентальная рентгенография // Медицинская техника. 2001. № 5. С. 45-48.
3. Русаков А. В. Патологическая анатомия болезней костной системы. Введение в физиологию и патологию костной ткани. М.: Наука, 1959. 536 с.
4. Lobdell J. E. Harris lines: Markers of nutrition and disease at Prehistoric Utoiagvic village //Arctic Anthropology. 1984. Vol. 21, N 1. P. 109-116.
5. Бужилова А. П. Изучение физиологического стресса у древнего населения по данным палеопатологии // Экологические аспекты палеоантропологических и археологических реконструкций / Под ред. В. П. Алексеева, В. Н. Федосовой. М.: Институт археологии РАН, 1992. С. 78-104.
6. Бужилова А. П., Добровольская М. В., Медникова М. Б. и др. Взрослый неандерталец из Киик-Кобы: анализ патологий методом микрофокусной рентгенографии // Актуальные направления антропологии: Сб., посв. 80-летию акад. РАН Т. И. Алексеевой / Отв. ред. А. П. Бужилова, М. В. Добровольская, М. Б. Медникова. М.: Институт археологии РАН, 2008. С. 40-48.
7. Ogilvie M. D., Curran B. K., Trinkaus E. The incidence and patterning of dental enamel hypoplasias among the Neandertals // Am. J. Phys. Anthropol. 1989. Vol. 79. Р. 25-41.
8. Бужилова А. П. Homo sapiens: история болезни. М.: Языки славянской культуры, 2005. 320 с.
9. Trinkaus E. The Neanderthals and modern human origins // Annual Review of Anthropology. 1986. Vol. 15. P. 193-218.
10. Козловская М. В. Экология древних племен лесной полосы Восточной Европы. М.: Институт археологии РАН, 1996. 244 с.
11. Roberts C. A., Manchester K. The archaeology of disease. 3rd ed. Stroud: Sutton Publishing, 2005.
12. Brothwell D. R. Macroscopic dental pathology of some earlier human populations // Dental Anthropology / Ed. D. R. Broth-well. Oxford: Pergamon, 1963. P. 12-49.
