Крошечные химические улики, заключенные в древних костях, позволяют узнать, чем питались животные, какие болезни они переносили и в какой среде они жили.
Окаменелый дентин слона (масштаб: 1,5 мм в поперечнике), справа внизу виден камень, а слева вверху — дентин. Белый дентин — это неповрежденный коллаген. Авторы: Тимоти Бромедж и Бин Ху, стоматология Нью-Йоркского университета
Впервые исследователи успешно исследовали молекулы, связанные с метаболизмом, сохранившиеся в окаменелых костях животных, живших от 1,3 до 3 миллионов лет назад. Эти химические следы дают редкое представление о самих животных и окружающей среде, в которой они когда-то обитали.
Анализируя метаболические сигналы, связанные со здоровьем и питанием, ученые смогли восстановить детали древнего климата и ландшафтов, включая температуру, почвенные условия, количество осадков и растительность. Результаты, опубликованные в журнале Nature, указывают на то, что окружающая среда была значительно теплее и влажнее, чем в тех же регионах сегодня.
Изучение метаболитов — молекул, вырабатываемых и используемых в пищеварении и других химических процессах в организме, — может дать информацию о болезнях, питании и воздействии окружающей среды. Хотя метаболомика стала мощным инструментом в современных медицинских исследованиях, ее редко применяли к окаменелостям. Вместо этого большинство исследований древних останков опираются на ДНК, которая в основном помогает установить генетические связи, а не на повседневную биологию.
«Меня всегда интересовал метаболизм, в том числе скорость метаболизма в костях, и я хотел узнать, можно ли применить метаболомику к окаменелостям для изучения ранней жизни. Оказывается, кости, в том числе окаменевшие, заполнены метаболитами», — сказал Тимоти Бромедж, профессор молекулярной патобиологии в стоматологическом колледже Нью-Йоркского университета и ассоциированный профессор факультета антропологии Нью-Йоркского университета, возглавлявший международную исследовательскую группу.
Почему ископаемые кости могут сохранять химический состав
В последние годы ученые обнаружили, что коллаген — белок, который обеспечивает структуру костей, кожи и соединительных тканей, — может сохраняться в древних костях, в том числе в окаменелостях динозавров.
«Я подумал, что если коллаген сохраняется в ископаемой кости, то, возможно, другие биомолекулы также защищены в костной микросреде», — сказал Бромаж, который руководит отделом исследований твердых тканей в стоматологическом колледже Нью-Йоркского университета.
Поверхность кости пористая и заполнена сетью мельчайших кровеносных сосудов, которые обмениваются кислородом и питательными веществами с кровотоком. Бромаж предположил, что во время роста кости метаболиты, циркулирующие в крови, могут задерживаться в микроскопических пространствах внутри кости, где они могут оставаться защищенными в течение миллионов лет.
Чтобы проверить эту идею, команда использовала масс-спектрометрию, метод, который преобразует молекулы в заряженные частицы для идентификации. Тесты на костях современных мышей выявили около 2200 метаболитов. Тот же подход также позволил исследователям обнаружить белки коллагена в некоторых образцах.
Тестирование окаменелостей, найденных в ландшафтах, где жили древние люди
Затем исследователи применили этот метод к окаменелым костям животных, датируемым 1,3-3 миллионами лет назад. Эти образцы были взяты из более ранних раскопок в Танзании, Малави и Южной Африке, регионах, известных своей ранней деятельностью.
Окаменелости принадлежали животным, чьи современные родственники до сих пор обитают вблизи этих мест. Команда ученых проанализировала кости грызунов (мыши, суслика, песчанки), а также более крупных животных, включая антилопу, свинью и слона. Были идентифицированы тысячи метаболитов, многие из которых точно соответствовали тем, которые были обнаружены у ныне живущих видов.
Здоровая диета и болезни, записанные на костях
Многие из обнаруженных метаболитов отражают нормальные биологические процессы, такие как расщепление аминокислот, углеводов, витаминов и минералов. Некоторые химические маркеры были связаны с генами, связанными с эстрогеном, что указывает на то, что некоторые окаменелые животные были самками.
Другие молекулы выявили признаки болезни. В одном поразительном случае кость суслика из Олдувайского ущелья в Танзании, датируемая примерно 1,8 миллионами лет назад, свидетельствовала о заражении паразитом, вызывающим сонную болезнь у людей. Заболевание вызывается Trypanosoma brucei и распространяется мухой цеце.
«В костях белки мы обнаружили метаболит, уникальный для биологии этого паразита, который высвобождает метаболит в кровоток своего хозяина. Мы также наблюдали метаболическую противовоспалительную реакцию белки, предположительно, вызванную паразитом», — сказал Бромэйдж.
Прослеживая древние диеты и условия окружающей среды
Химические данные также показали, какие растения употребляли животные. Хотя базы данных о растительных метаболитах гораздо менее полны, чем базы данных о животных, исследователи выявили соединения, связанные с местными растениями, такими как алоэ и спаржа.
«Это означает, что в случае с белкой она грызла алоэ и переносила эти метаболиты в свой собственный кровоток», — объяснил Бромаж. «Поскольку условия обитания алоэ очень специфичны, мы теперь знаем больше о температуре, количестве осадков, состоянии почвы и кронах деревьев, что позволяет реконструировать среду обитания белки. Мы можем рассказать историю о каждом из животных».
Эти реконструированные места обитания соответствуют предыдущим геологическим и экологическим исследованиям. Например, дно Олдувайского ущелья в Танзании было описано как пресноводные леса и пастбища, в то время как верхний слой отражает более сухие леса и болотистые местности. Во всех изученных местах ископаемые остатки неизменно указывают на то, что климат был более влажным и теплым, чем сегодня.
«Использование метаболического анализа для изучения окаменелостей может позволить нам реконструировать окружающую среду доисторического мира с новым уровнем детализации, как если бы мы были полевыми экологами в современной природной среде», — сказал Бромедж.
Исследовательская группа и поддержка
Среди других авторов исследования — Бин Ху, Шер Поудел, Сасан Рабие и Шошана Якар из стоматологического колледжа Нью-Йоркского университета; Томас Нойберт, Кристофер Лоуренс де Хесус и Хеди Эрдьюмент-Бромаж из медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета; а также сотрудники из учреждений Франции, Германии, Канады и Соединенных Штатов. Исследование было проведено при поддержке Фонда Лики, а также при дополнительной поддержке сканирующего электронного микроскопа, предоставленного Национальными институтами здравоохранения (S10 OD023659 и S10 RR027990).