Зубная эмаль становится ключевым архивом древних биомолекул

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что аминокислоты сохранились в ископаемых зубах млекопитающих на протяжении 48 миллионов лет, что значительно увеличивает известную продолжительность жизни этих молекул по сравнению с ранее установленными пределами. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Biology.

Благодаря своей прочности зубная эмаль превращается в гораздо более обширный архив древних рационов питания, межвидовых связей и экосистем, чем это было подтверждено учеными ранее.

В 72 ископаемых зубах лошадей, носорогов и родственников слонов эти молекулы сохранялись в образцах, возраст которых составлял от десятков тысяч до десятков миллионов лет. Проанализировав эти останки, Лукреция Гатти из Института химии им. Макса Планка (MPIC) задокументировала, как эмаль защищает ядро из органического материала.

За этот период времени большая часть потерь произошла на ранних стадиях, в то время как меньшая доля оставалась стабильной на протяжении миллионов лет в пределах одних и тех же зубов. Неравномерное сохранение тканей указывает на многослойную систему разрушения и защиты, что обуславливает необходимость объяснения того, как эмаль сохраняет то, что теряют другие ткани.

Зубная эмаль сохраняется долго, потому что она почти полностью состоит из минералов, и лишь около одного процента органического материала остается от роста зуба. По мере затвердевания кристаллов некоторые остатки становятся внутрикристаллическими, оказываясь запертыми внутри самого минерала, где воде и микробам становится сложнее проникнуть внутрь. Такое герметичное положение также объясняет, почему в восточноафриканской эмали были обнаружены белки возрастом 18 миллионов лет, несмотря на тропическую жару.

Эти результаты сделали эмаль очевидным местом для поиска еще более древних молекулярных следов.

У всех трех групп млекопитающих уровень аминокислот быстро снижался в течение первых 0,10 миллиона лет после захоронения. В зависимости от молекулы, это раннее снижение означало потерю от 55 до 96 процентов аминокислот, первоначально присутствовавших в современной эмали.

После того как более обнажившаяся часть водоема исчезла, оставшаяся его часть начала изменяться гораздо медленнее, что указывает на более надежную защиту в глубине. Эта двухэтапная история важна, потому что теперь исследователи могут отделить быстрый ранний распад от длительного сохранения наиболее хорошо скрытых молекул.

Место захоронения имело меньшее значение, чем возраст, даже если зубы были найдены в озерах, реках, торфяниках, угольных пластах и трещинах в горных породах. Ученые называют такой фон захоронения тафономическим окружением — местом и условиями после смерти, — и обычно он не играл решающей роли.

Только в озерных отложениях наблюдалось большее совпадение между молодыми и старыми зубами, что указывает на то, что некоторые локальные химические процессы могут размывать эту картину.

Тем не менее, общий результат оставался неизменным: старые зубы, как правило, несли более сильный сигнал об утрате, независимо от окружающих отложений.

Не все аминокислоты стареют одинаково, и некоторые исчезают гораздо быстрее, чем другие. Особенно сильно пострадали группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, поскольку их структуры легче разрушаются при длительном химическом воздействии.

Уровень серина также быстро снижался, в то время как уровень лейцина оставался относительно стабильным, но давал исследователям меньше информации о возрасте зуба. Различные судьбы молекул означают, что в будущих исследованиях необходимо тщательно отбирать молекулы, а не рассматривать всю оставшуюся смесь как равную.

У родственников лошадей наблюдалась более устойчивая закономерность, чем у родственников носорогов и слонов, как в отношении современных зубов, так и ископаемых останков. Исходный уровень потерь был менее выражен от зуба к зубу, поэтому последующие потери выглядели более аккуратно и их было легче отслеживать.

Один из поразительных случаев произошел в Месселе, Германия, недалеко от Франкфурта, на месте бывшего вулканического озера, известного исключительной сохранностью ископаемых, где эмаль зубов лошадей возрастом 48 миллионов лет все еще больше напоминала эмаль современных лошадей, чем ожидалось. Мессель славится исключительной сохранностью ископаемых, но общая закономерность не зависела от таких редких мест, как это.

Команда также проверила, могут ли аминокислотные последовательности использоваться для оценки возраста, а не только для подтверждения выживания. Компьютерная модель предсказала возраст образцов с умеренной точностью, показав, что некоторые молекулы изменялись более последовательно, чем другие.

Некоторые аминокислоты также служили надежными маркерами для оценки возраста зуба, поскольку они изменялись устойчивым и предсказуемым образом с течением времени. Это открывает практический путь для определения возраста зубов в случаях, когда другие признаки слабы, хотя сигнал по-прежнему различается в зависимости от группы животных.

Более ранние исследования содержания азота в эмали зубов показали, что связанный с зубами азот может отслеживать место животного в пищевой цепи.

Поскольку аминокислоты несут более специфичную химическую информацию, они могут уточнить представления о рационе питания и выявить сезонные изменения. Исследователи называют целенаправленную работу с белками палеопротеомикой — изучением древних белков, — и считают, что эмаль может стать лучшей тканью для поиска полезных веществ.

Обширный обзор уже показал, что исследования древних белков наиболее эффективны, когда исследователи могут подтвердить подлинность действительно древних молекул.

Даже при таком длительном периоде выживания исследование пока не могло определить, остаются ли молекулы свободными или по-прежнему находятся внутри белковых фрагментов.

Это различие важно, поскольку целые фрагменты могут выявить происхождение, в то время как отдельные аминокислоты могут лучше подходить для анализа химического состава пищи.

Поскольку для метода MPIC требовалось всего около одного миллиграмма очищенной эмали, музеи могли тестировать редкие зубы, прежде чем использовать более строгие методы анализа.

В дальнейших исследованиях необходимо будет отделить подлинные остатки от измененных, а затем связать эти молекулы с историей и экологией вида.

В настоящее время ископаемая эмаль представляет собой долговечный источник биологических данных, сохраняющийся гораздо дольше, чем это было возможно на более ранних молекулярных уровнях.Если исследователям удастся чисто отделить сохранившиеся соединения, зубы могут раскрыть информацию о питании, временах года и родственных связях из тех эпох, когда генетический материал уже не сохранился.