10 Minute
Fosilele ne-au oferit mult timp informații despre oase, dinți și morfologia creaturilor dispărute. Acum ele dezvăluie ceva mai puțin evident și mult mai intim: urmele chimice ale metabolismului înghețate în interiorul oaselor antice. Prin extragerea de metaboliți din specimene cu vârste de milioane de ani, cercetătorii pot reconstrui dieta, bolile și clima locală cu un nivel de precizie nou.
Dentină de elefant fosilizată (scară: 1,5 mm), cu rocă în dreapta jos și dentină în stânga sus. Dentina albă este colagen intact. Credit: Timothy Bromage and Bin Hu, NYU Dentistry
O nouă fereastră către viața antică
Decenii la rând, paleontologia s-a bazat pe oase, dinți și, în ultimii ani, pe ADN-ul antic pentru a contura poveștile evolutive. ADN-ul oferă puternice informații despre filogenie și rudenie, dar relatează doar o parte din poveste. Metaboliții — molecule mici produse de metabolism, precum aminoacizi, zaharuri, vitamine și compuși de semnalizare — înregistrează starea fiziologică a unui organism în momentul morții. Aceste molecule pot reflecta ce a mâncat un animal, ce boli a înfruntat și chiar temperatura și umiditatea mediului în care trăia.
Până de curând, metodele metabolomice erau în mare măsură limitate la organisme vii sau resturi relativ recente. O echipă condusă de Timothy Bromage de la New York University a pus o întrebare simplă dar îndrăzneață: dacă colagenul și unele proteine pot supraviețui milioane de ani, poate microambientul din interiorul osului să păstreze și molecule metabolice? Rezultatele, publicate în revista Nature, sugerează că răspunsul este da.
Extinderea acestui concept implică integrarea paleometabolomicii cu alte discipline: taphonomie, geo-chimie, paleoecologie și arheologie. Metodele moderne permit nu doar detectarea metaboliților fosili, ci și contextualizarea lor față de condițiile de înmormântare și procesele de diageneză. Această abordare crește încrederea în interpretările ecologice, alimentând reconstrucții mai detaliate ale ecosistemelor antice.
Cum au extras cercetătorii molecule din oase vechi de milioane de ani
Studiul a combinat prelevări atente din fosile bine datate cu spectrometrie de masă de înaltă rezoluție. Spectrometria de masă funcționează prin ionizarea moleculelor și măsurarea raportului masă/încărcare (m/z), permițând identificarea a mii de specii chimice într-un singur probă. În practică s-au folosit tehnici avansate precum LC-MS/MS (cromatografie lichidă cuplată cu spectrometrie de masă tandem) și spectrometri FT-ICR sau Orbitrap pentru a obține precizie în determinarea masei exacte.
Pentru a construi o bază de referință, echipa a analizat mai întâi oase moderne de șoarece și a catalogat aproape 2.200 de metaboliți și proteine asociate, incluzând colagenul. Această referință modernă a fost esențială pentru a corela semnăturile metabolomice fosile cu procese biologice cunoscute, permițând diferențierea între metaboliți endogeni și semnale de contaminare sau intrare post-depunere (exogenă).
Metodologia a inclus controale riguroase: probe blank, replici tehnice, analize negative și compararea cu baze de date metabolomice (de exemplu METLIN, HMDB) adaptate pentru componentele fosile. Procedurile de prelevare au minimizat contaminarea prin folosirea unor echipamente sterile, îndepărtarea stratului exterior de rocă și testarea probelor sedimentare adiacente pentru a separa semnalele solului.
Gorila Olduvai, un sit arheologic important în nordul Tanzaniei. Credit: Friedemann Schrenk, Goethe University and Senckenberg Research Institute and Natural History Museum
Având această referință, cercetătorii au analizat fragmente de os fosile din situri din estul și sudul Africii, incluzând Tanzania, Malawi și Africa de Sud. Fosilele aveau vârste aproximative între 1,3 și 3 milioane de ani și proveneau de la animale care au încă rudimente vii în proximitatea siturilor: rozătoare mici precum șoareci, veverițe de pământ și gerbi, dar și specii mai mari precum antilope, porci și elefanți.
Rezultatul a fost remarcabil: în oasele fosile au fost detectați mii de metaboliți, dintre care mulți corespundeau unor compuși găsiți la animale vii. Această suprapunere face posibilă interpretarea semnăturilor metabolomice fosile în moduri biologic relevante, nu doar ca zgomot chimic. În plus, analiza comparativă a permis identificarea unor clase moleculare stabile în timp, cum ar fi anumite lipide poliaromatice sau aminoacizi legați de matricea colagenică.
Ce dezvăluie moleculele despre dietă, boală și climă
Anumite metaboliți au reflectat procese fiziologice de bază precum metabolismul aminoacizilor și al carbohidraților. Alții au indicat prezența hormonilor sexuali, permițând inferențe asupra sexului biologic al unor indivizi. Mai multe semnături au fost neechivoc legate de boli. Într-un exemplu izbitor, osul unei veverițe de pământ de 1,8 milioane de ani de la Olduvai Gorge conținea un metabolit asociat unui parazit înrudit cu Trypanosoma brucei, un agent patogen cunoscut pentru provocarea somnului la oameni și alte mamifere. Echipa a identificat, de asemenea, metaboliți compatibili cu un răspuns antiinflamator inducer de către gazdă.
Urmele dietetice au fost la fel de informative. Cercetătorii au detectat metaboliți vegetali asociați cu flora regională, inclusiv variante legate de aloe și asparagus. Acești compuși oferă indicii ecologice: aloe semnalează adesea anumite condiții de sol, precipitații și acoperire de coronament. Dacă o veveriță de pământ conținea metaboliți de aloe, mediul local probabil susținea această plantă, contribuind astfel la reconstrucția microhabitatelor din urmă cu milioane de ani.
Pe lângă compușii direct alimentari, au fost detectate și metaboliți indicativi pentru poluanți naturali, pigmenți sau metaboliți secundari de plantă (alcaloizi, terpenoide), care servesc ca markeri pentru tipul de vegetație și interacțiunile trofice. Detectarea sterolilor sau a lipidelor specifice unor grupuri de plante și animale poate completa informațiile oferite de izotopii stabili (de exemplu C, N) și ADN-ul antic, consolidând interpretările paleo-dietetice.
Imagine în lumină polarizată a unui os de antilopă fosilizat care arată colagen intact (scară: 1 mm). Credit: Timothy Bromage and Bin Hu, NYU Dentistry
La nivel de peisaj, reconstrucțiile metabolomice au susținut lucrări paleoecologice anterioare care indicau că peisajele erau, în general, mai calde și mai umede în trecut decât astăzi. De exemplu, nivelurile stratigrafice la Olduvai corespund unor comunități de pădure dulce și pajiști tranziționând către păduri mai uscate și mlaștini — patternuri care se aliniază cu dovezile metabolomice pentru comunitățile vegetale și disponibilitatea umidității.
Interpretarea climatică derivată din metaboliți se bazează pe detectarea unor molecule sensibile la hidratare, oxigenare și stres abiotic. Astfel, prezența metaboliților asociați cu plante xerofite sau cu metabolismul stresului osmotic poate indica perioade de secetă, în timp ce compuși legați de plante higrofile semnalează condiții umede.
De ce oasele pot păstra instantanee metabolice
Oasele sunt surprinzător de bune la protejarea chimiilor interne. Pe măsură ce se formează, microstructurile poroase și rețelele vasculare foarte fine creează micromedii în care moleculele din sângele circulant pot rămâne prinse. Colagenul, proteina structurală din os, poate supraviețui timpului geologic și poate acționa ca un scut, limitând expunerea la oxigen și microbi și încetinind degradarea. Noua lucrare sugerează că metaboliții blocați în aceste buzunare protejate pot rămâne detectabili pe scale temporale de milioane de ani, în condiții favorabile.
Totuși, conservarea este un proces complex și variabil. Chimismul solului (pH, redox), temperatura, adâncimea îngropării și timpul influențează toate ce molecule supraviețuiesc. Procesele de diageneză pot transforma moleculele inițiale în produse secundare; de aceea analiza trebuie să recunoască atât compușii derivați, cât și pe cei originali. Echipa a folosit controale riguroase împotriva contaminării și seturi comparative moderne pentru a distinge semnalele metabolite endogene de intrările ulterioare din mediul înconjurător.
În plus, proprietățile fizice ale osului — gradul de mineralizare, porozitatea și conservarea colagenului — determină capacitatea de a păstra metaboliți. Zonele cu colagen bine păstrat pot oferi cele mai bogate surse de informație chimică. Viitoarele studii vor rafina aceste protocoale, cartografiind în ce contexte paleometabolomica oferă rezultate consistente și reproductibile.
Implicatii pentru paleoecologie și arheologie
Paleometabolomica deschide mai multe direcții de cercetare noi. Prin asocierea metabolismului cu mediul, oamenii de știință pot formula întrebări anterior inaccesibile: Au fost anumite populații fosile stresate de secetă sau de boală? Schimbările sezoniere în dietă au lăsat urme chimice în os? Cum au influențat microhabitatele siturilor arheologice comportamentul și supraviețuirea homininilor?
Abordarea completează studiile pe bază de ADN antic și izotopi, nu le înlocuiește. Împreună, aceste instrumente pot oferi o reconstrucție mai bogată și mai nuanțată a ecosistemelor trecute, combinând istoricul genetic cu starea fiziologică și contextul ecologic. De exemplu, în combinație cu izotopii stabili, metaboliții pot discrimina între schimbări de dietă pe termen scurt și adaptări pe termen lung.
Dincolo de biologie și ecologie, paleometabolomica are aplicabilitate în arheozoologie, paleoepidemiologie și studiul comportamentului alimentar. Identificarea unor agenți patogeni sau a unor metaboliți de răspuns imun poate permite reconstruirea evenimentelor de sănătate publică la scară paleontologică, iar detectarea metaboliților de plante utilizate în scopuri medicinale sau alimentare poate informa despre cunoașterea etnobotanică a homininilor timpurii.
Insight din partea experților
— Dr. Jane Thompson, paleoecolog la un institut independent de cercetare, despre semnificația studiului: Această lucrare adaugă o nouă dimensiune modului în care citim registrul fosil. E ca și cum am găsi un jurnal în interiorul osului care înregistrează evenimente pe termen scurt, precum alegerile alimentare și episoadele de boală. Metoda necesită testări mai largi în diverse medii și vârste, dar potențialul ei de a rafina reconstrucțiile paleoecologice este enorm.
Privind înainte, cercetătorii intenționează să extindă bazele de referință, să testeze probe mai vechi și să evalueze limitele de conservare. Îmbunătățirile în spectrometria de masă și în tehnicile de microprelevare vor face posibilă țintirea unor micromedii osoase specifice, reducând riscurile de contaminare și sporind rezoluția hărților metabolite.
Paleometabolomica promite nu doar să rescrie detalii despre animale dispărute, ci și să reconstruiască peisajele pe care le-au habitatat cu fidelitate ecologică comparabilă studiilor de teren moderne. Imaginați-vă intrarea într-un ecosistem vechi de milioane de ani prin urmele chimice lăsate în os — o combinație de dietă, boală și climă redată în detaliu molecular.
Fragmentul de os de antilopă în matricea stâncoasă care a ghidat această nouă abordare demonstrează cum un singur fosil poate furniza multiple linii de dovezi, punând în legătură anatomia, chimia și mediul. Pe măsură ce metodele se maturizează, analize similare ar putea lumina viețile multor specii dispărute și lumile în schimbare în care au trăit.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu