7 Minutės
Fosilijos ilgą laiką atskleidė informaciją apie kaulus, dantis ir išnykusių gyvūnų formas. Dabar jos atveria mažiau akivaizdų, bet kur kas intymesnį sluoksnį: metabolizmo cheminius pėdsakus, užfiksuotus senoviniuose kauluose. Ištraukdami metabolitus iš milijonus metų senumo eksponatų, mokslininkai gali rekonstruoti gyvūnų mitybą, ligas ir vietinį klimatą su nauju tikslumo lygiu.
Fosilizuota dramblio dentina (mastelis: 1,5 mm pločio), apatiniame dešiniajame kampe matomas uolienos fragmentas, viršutiniame kairiajame – dentina. Baltasis dentinos sluoksnis yra nepažeistas kolagenas. Nuotraukos autorystė: Timothy Bromage ir Bin Hu, NYU Dentistry
Naujas langas į senovės gyvenimus
Dešimtmečius paleontologija rėmėsi skeletais, dantimis ir, pastaraisiais metais, senovine DNR, kad sudėliotų evoliucines istorijas. Senovinė DNR yra galinga priemonė giminystės ryšiams ir populiacijų kilmei aiškinti, tačiau ji atskleidžia tik dalį pasakojimo. Metabolitai — mažos molekulės, susidarančios metabolizmo metu, pavyzdžiui, amino rūgštys, angliavandeniai, vitaminai ir signalinės molekulės — fiksuoja organizmo fiziologinę būklę mirties metu. Šios molekulės gali atskleisti, ką gyvūnas valgė, su kokiomis ligomis kovojo ir netgi kokia buvo aplinkos temperatūra ir drėgmė.
Iki šiol metabolomikos metodai daugiausia buvo taikomi gyviems organizmams ir neseniai rastiems palaikams. Timothy Bromage vadovaujama grupė Niujorko universitete uždavė paprastą, bet ambicingą klausimą: jei kolagenas ir kiti baltymai gali išlikti milijonus metų, ar kaulo mikroaplinka taip pat galėtų saugoti metabolines molekules? Jų rezultatai, publikuoti žurnale Nature, rodo, kad atsakymas greičiausiai yra teigiamas.
Kaip mokslininkai ištraukė molekules iš milijonų metų senumo kaulo
Tyrimas derino kruopštų gerai datuotų fosilijų imčių parinkimą su aukštos skiriamosios galios masės spektrometrija. Masės spektrometrija veikia jonizuodama molekules ir matuodama jų masės ir krūvio santykį, todėl vienoje mėginio dalyje galima identifikuoti tūkstančius cheminių junginių. Norint sukurti atskaitos duomenų bazę, komanda pirmiausia analizavo šiuolaikinių pelių kaulus ir užfiksavo beveik 2 200 metabolitų bei susijusių baltymų, įskaitant kolageną.
Olduvai tarpeklis, svarbi archeologinė vieta šiaurės Tanzanijoje. Nuotraukos autorystė: Friedemann Schrenk, Goethe universitetas ir Senckenberg tyrimų institutas bei gamtos istorijos muziejus
Turėdami šią modernių pavyzdžių atskaitą, tyrėjai analizavo fosilinių kaulų fragmentus iš Rytų ir Pietų Afrikos vietovių, įskaitant Tanzaniją, Malavį ir Pietų Afriką. Fosilijos buvo maždaug 1,3–3 milijonų metų amžiaus ir priklausė gyvūnams, kurių artimi giminaičiai vis dar gyvena netoli tų teritorijų: maži graužikai, tokie kaip pelės, žemės voverės ir jorkfos (gerbiliai), taip pat didesnės rūšys, įskaitant antilopes, kiaules ir dramblius.
Stebėtina, bet fosiliniuose kauluose buvo aptikta tūkstančiai metabolitų, iš kurių daugelis sutapo su junginiais, randamais gyvuose gyvūnuose. Toks sutapimas leidžia interpretuoti fosilijų metabolitų „parašus“ biologiniu požiūriu prasmingai, o ne manyti, kad tai tik neaiškūs cheminiai triukšmai. Tai svarbus žingsnis paleometabolomikos patikimumui — kai atpažįstami pažįstami metabolitai, lengviau sieti juos su fiziologija, ekologija ir aplinka.
Ką molekulės atskleidžia apie mitybą, ligas ir klimatą
Kai kurie aptikti metabolitai atspindėjo įprastus fiziologinius procesus, tokius kaip amino rūgščių ir angliavandenių apykaita. Kiti rodė lytinius hormonus, leidžiančius daryti prielaidas apie tam tikrų individų biologinę lytį. Kelios cheminės žymės buvo neabejotinai susijusios su ligomis. Vienas ryškus pavyzdys — 1,8 milijono metų žemės voverės kaulas iš Olduvai tarpeklio, kuriame aptiktas metabolitas, būdingas parazitui, susijusiam su Trypanosoma brucei — patogenu, sukeliančiu miego ligą žmonėms ir kitiems žinduoliams. Komanda taip pat identifikavo metabolitus, kurie atitiko priešuždegiminę atsaką — tai rodo, kad gyvūnas galėjo reaguoti į infekciją.
Mitybos pėdsakai buvo ne mažiau informatyvūs. Tyrėjai atrado augalinius metabolitus, susijusius su regionine flora, įskaitant junginius, susijusius su alijošiumi ir šparagus primenančiomis rūšimis. Tokie junginiai suteikia ekologinių užuominų: alijošius dažnai rodo tam tikras dirvožemio, kritulių ir lapijos sąlygas. Jei žemės voverė turėjo alijošiaus metabolitų, tai reiškia, kad vietinė aplinka greičiausiai palaikė tokias augalų bendrijas, padėdama atkurti mikrohabitatų mozaiką prieš milijonus metų.
Polarizuoto šviesos vaizdas fosilizuoto antilopės kaulo, kuriame matyti nepažeistas kolagenas (mastelis: 1 mm). Nuotraukos autorystė: Timothy Bromage ir Bin Hu, NYU Dentistry
Per nagrinėtas vietoves metabolominės rekonstrukcijos palaikė ankstesnius paleoekologinius tyrimus, kurie rodė, kad kraštovaizdžiai praeityje buvo apskritai šiltesni ir drėgnesni nei šiandien. Pavyzdžiui, Olduvai sluoksniuose fiksuojami perėjimai nuo vidutinio gylio vandens miškų ir pievų prie sausesnių woodland ir pelkių — šie pokyčiai dera su metabolitų duomenimis, rodančiais augalines bendrijas ir drėgmės prieinamumą. Paleometabolomika taip papildo isotopinius ir palinomarkerių tyrimus, leidžiant sudėlioti detalesnę kraštovaizdžio ir klimato istoriją.
Kodėl kaulai gali saugoti metabolinius „momentus“
Kaulai netikėtai gerai saugo cheminę informaciją. Formuodamiesi jie sukuria poringas mikrostruktūras ir smulkius kraujagyslių tinklus, kuriuose susidaro lokalios mikroaplinkos — ten kraujyje plaukiojusios molekulės gali užstrigti ir vėliau būti apsaugotos nuo išorės poveikio. Kolagenas, pagrindinis kaulo struktūrinis baltymas, gali išlikti giliai laike ir veikti kaip apsauginis skydas, ribojantis sąlytį su deguonimi ir mikroorganizmais bei lėtindamas degradaciją. Nauji tyrimai rodo, kad metabolitai, įstrigę šiuose apsaugotuose mikropokyčiuose, gali išlikti aptinkami milijonų metų skalėje esant tinkamoms geochemijos ir degradacijos sąlygoms.
Vis dėlto išsaugojimas yra sudėtingas ir kintantis procesas. Dirvožemio cheminė sudėtis, temperatūra, užkastos fosilijos gylis ir laikas visos daro įtaką, kurios molekulės išliks. Tyrime buvo taikyti griežti užteršimo kontrolės metodai ir palyginamosios šiuolaikinių duomenų bazės, kad būtų atskirti endogeniniai metabolitų signalai nuo vėlesnių aplinkos įtakų. Ateities darbai toliau tikslinks šiuos protokolus, plės referencines duomenų bazes ir nustatys, kuriose geologinėse ir klimatinėse zonose paleometabolomika yra patikimiausia.
Pasekmės paleoekologijai ir archeologijai
Paleometabolomika atveria kelis naujus tyrimų kelius. Susiedami metabolizmą su aplinka, mokslininkai gali užduoti anksčiau nepasiekiamus klausimus: ar tam tikros fosilijų populiacijos kentėjo nuo sausros ar infekcijų? Ar sezoniniai mitybos pokyčiai paliko žymes kaulų chemijoje? Kaip mikrohabitatų mozaika svarbiausiose archeologinėse vietovėse galėjo formuoti homininų elgesį ir išgyvenimo strategijas? Tokie klausimai jungia fiziologinius, ekologinius ir archeologinius duomenis, leidžiant gilesnį supratimą apie praeitį.
Šis požiūris papildo, o ne pakeičia, senovinės DNR, izotopinę analizę ir tradicinius paleontologinius metodus. Kartu šios priemonės suteikia turtingesnį, niuansuotesnį praeitų ekosistemų atvaizdą, kuriame genetinė istorija derinama su fiziologine būkle ir ekologiniu kontekstu. Tokia tarpdisciplininė integracija yra ypač naudinga sudėtingiems tyrimų objektams, pavyzdžiui, homininų mitybos rekonstrukcijai ar ligų istorijos atsekamumui.
Eksperto įžvalga
— Dr. Jane Thompson, paleoekologė nepriklausomame tyrimų institute, apie tyrimo reikšmę: Šis darbas prideda naują matmenį, kaip skaitome fosilijų įrašą. Tai lyg rasti dienoraštį kaulo viduje, kuris įrašo trumpalaikius įvykius, tokius kaip mitybos pasirinkimai ir ligų epizodai. Nors metodas reikalauja platesnio išbandymo įvairiose aplinkose ir skirtingo amžiaus mėginiuose, jo potencialas tobulinti paleoekologines rekonstrukcijas yra milžiniškas.
Žvelgiant į priekį, mokslininkai sieks išplėsti referencines duomenų bazes, ištirti dar senesnius mėginius ir įvertinti išsaugojimo ribas. Tobulesnė masės spektrometrija bei mikroimties paėmimo technologijos leis taikliai tirti specifines kaulo mikroaplinkas, sumažinti užteršimo riziką ir pagerinti metabolitų žemėlapių erdvinę raišką. Technologinės pažangos dėka bus įmanoma atlikti plačius, standartizuotus tyrimus, kurie padės nustatyti laboratorijų tarpinių skirtumų ir geresnę interpretacijų konsolidaciją.
Paleometabolomika žada ne tik perrašyti detales apie išnykusias rūšis, bet ir atkurti kraštovaizdžius, kuriuose jos gyveno, su ekologine tikslumu, palyginama su šiuolaikiniais lauko tyrimais. Įsivaizduokite, kad žengiame į milijonų metų seno ekosistemos interiorą per cheminius pėdsakus, paliktus kauluose — tai mitybos, ligų ir klimato kombinacija, atkurta molekuliniu lygiu.
Antilopės kaulo fragmentas uoloje, kuris paskatino šį naują požiūrį, iliustruoja, kaip vienas fosilijos gabalas gali suteikti kelis įrodymų sluoksnius: anatominį, cheminį ir ekologinį. Kai metodai brandės ir standartizuosis, panašios analizės galės atskleisti daugelio išnykusių rūšių gyvenimus ir pasaulių, kuriuose jie egzistavo, kaitą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą