Химический состав ископаемых позволяет детально изучить жизнь животных

Фото из открытых источников

Примерно 2,4 миллиона лет назад крупный, ныне вымерший слон бродил по травянистым берегам озера Малави в Восточной Африке. Сегодня ученые знают, что это был молодой слон, который питался корой полыни и листьями шелковицы — и, возможно, боролся с инфекцией, когда умер.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые сообщают, что ископаемые кости и зубы этого слона и других ископаемых животных, возраст которых исчисляется миллионами лет, содержат метаболиты — крошечные побочные продукты внутренних метаболических процессов. Эти соединения могут раскрыть скрытые сведения о прошлой среде обитания, включая такие детали, как кислотность почвы и древние патогены. Эта работа подчеркивает перспективность подобных исследований, позволяющих заглянуть в прошлое.

Исследование «положило начало палеометаболомике» — так называется эта область науки — «как надежному биомолекулярному инструменту для извлечения данных из ископаемых, возраст которых исчисляется миллионами лет», — говорит Шеннон Ташингем, антрополог из Калифорнийской академии наук, не принимавшая участия в исследовании.

Организмы накапливают метаболиты посредством простых химических реакций, потребляемой пищи и реакции на внешние раздражители, такие как инфекции или плохое питание. При изучении живых животных исследователи часто извлекают метаболиты из жидкостей, таких как кровь или моча. С ископаемыми это невозможно. Однако некоторые недавние исследования обнаружили метаболиты, которые могут сохраняться в скелетных останках после смерти. В одной из статей, опубликованной в прошлом году, было установлено, что употребление табака приводит к появлению характерного метаболического профиля, который может сохраняться в костях человека.

В новом исследовании ученые обратили внимание на то, могут ли пористые твердые ткани, такие как кости, зубы и слоновая кость, удерживать и сохранять метаболиты в течение чрезвычайно длительных периодов времени. Как предположил ведущий автор исследования Тим Бромейдж, идея заключалась в том, что по мере роста твердых тканей кровь переносит метаболиты внутри них, непреднамеренно вызывая застревание некоторых молекул в шероховатой, пористой структуре тканей. «Я придумал этот метод в своей голове в те туманные моменты перехода от сна к бодрствованию», — говорит Бромейдж, биолог-антрополог из Нью-Йоркского университета.

Чтобы проверить эту гипотезу, Бромейдж и его коллеги изучили окаменелые кости и зубы животных, найденные в районах, расположенных недалеко от древних стоянок гомининов, включая ущелье Олдувай в Танзании, Макапансгат в Южной Африке и Чивондоские отложения в Малави. Возраст окаменелостей составляет от 1,3 до 3 миллионов лет. Используя масс-спектрометр, исследователи проанализировали небольшие образцы каждой окаменелости, чтобы определить их точный химический состав. После идентификации потенциальных метаболитов в образцах они сравнили их с базами данных соединений, известных как производные аналогичными живыми организмами.

Удивительно, но эти анализы выявили тысячи метаболитов в каждом образце, сотни из которых можно было однозначно сопоставить с современными организмами. «Данные масс-спектрометрии были настолько великолепны, — говорит Бромейдж, — что анализ одного образца мог занять у меня месяц».

Результаты позволяют получить невероятно подробные сведения о жизни древних животных. Например, несколько ископаемых останков, по-видимому, принадлежат самкам. В двух песчанках и одной белке из Олдувайского ущелья были обнаружены метаболиты, связанные с генами, отвечающими за метаболизм эстрогенов. Еще одна небольшая кость песчанки, извлеченная из окаменелого погадочного экскремента совы, показала дополнительные химические признаки женского пола.

Дальнейший анализ также выявил признаки прошлых заболеваний. Белка из ущелья Олдувай, слон из отложений Чивондо и бычок из Макапансгата содержали метаболиты, предположительно связанные с иммунным ответом на Trypanosoma brucei, паразита, вызывающего сонную болезнь у человека. «Честно говоря, удивительно, что такие молекулярные сигналы можно обнаружить в окаменелостях столь древних, как найденные в ущелье Олдувай», — говорит Тушингам. «Эти образцы хранят гораздо более богатый биологический архив, чем мы предполагали ранее».

Сравнивая ископаемые метаболиты с известными растительными метаболитами, Бромейдж и его коллеги смогли также реконструировать рацион и среду обитания некоторых животных. В останках белки возрастом 1,8 миллиона лет из Олдувайского ущелья исследователи обнаружили метаболиты, свидетельствующие о рационе, включающем спаржу и алоэ — растения, указывающие на густой лесной покров. Это открытие помогает подтвердить относительно недавнюю переоценку этого места как влажной среды обитания, окруженной лесами и болотами.

Исследователям следует проявлять осторожность при анализе метаболитов, связанных с окаменелостями, объясняет Дэвид Ганг, биолог и эксперт по метаболомике из Вашингтонского государственного университета. По его словам, бывает сложно определить, были ли обнаруженные в окаменелости метаболиты произведены самим животным или же они попали туда из метаболитов, содержащихся в почве и проникших в окаменелость. «Это серьезная проблема с образцами, собранными из почвы — очень трудно определить истинное происхождение обнаруженных соединений».

Бромейдж возражает, утверждая, что он и его коллеги объяснили это, изучив метаболиты в почве, окружающей окаменелости. Они обнаружили, что в осадочных породах содержатся древние метаболиты растений и животных, которые жили рядом с окаменелостями, и которые также были обнаружены в костях животных, не подвергавшихся воздействию этой почвы. Другими словами, почва «не является загрязняющим веществом», — говорит Бромейдж. — «Это отражение жизни, которая на ней обитала».

Несмотря на опасения по поводу возможного загрязнения образцов, Ганг воодушевлен потенциалом палеометаболомики и новыми исследованиями, способными пролить свет на скрытые аспекты доисторической эпохи. «Это очень интересная статья, и мы обязательно будем обсуждать ее в нашей лаборатории и со студентами в течение многих лет», — говорит он.