9 دقیقه
فسیلها از دیرباز درباره استخوانها، دندانها و شکل کلی موجودات منقرضشده به ما اطلاعات دادهاند. اکنون آنها چیزی کمتر آشکار و بسیار خصوصیتر را نشان میدهند: ردّ شیمیاییِ متابولیسم که در دل استخوانهای کهن یخ زده است. با استخراج متابولیتها از نمونههایی میلیونها ساله، پژوهشگران میتوانند رژیم غذایی، بیماریها و آبوهوای محلی را با دقتی تازه بازسازی کنند و تصویر دقیقتری از زیستشناسی گذشته به دست آورند.
دنتین فسیلشدهٔ فِل (مقیاس: 1.5 میلیمتر عرض)، با سنگ در پایینِ راست و دنتین در بالای چپ. دنتین سفید کلاژن سالم را نشان میدهد. اعتبار تصویر: Timothy Bromage و Bin Hu، دانشکدهٔ دندانپزشکی NYU
پنجرهای نو به زندگی باستان
برای دههها، دیرینهشناسی بر استخوانها، دندانها و اخیراً دیانای کهن تکیه داشته تا روایتهای تکاملی را بازسازی کند. دیانای برای شناسایی نسب و رابطههای خویشاوندی بسیار توانمند است، اما تنها بخشی از داستان را روایت میکند. متابولیتها — مولکولهای کوچک تولیدشده در جریان متابولیسم، مانند اسیدآمینهها، قندها، ویتامینها و مولکولهای پیامرسان — وضعیت فیزیولوژیک یک جاندار در زمان مرگ را ثبت میکنند. این مولکولها میتوانند نشان دهند که یک جانور چه خورده، با چه بیماریهایی مبارزه کرده و حتی دما و رطوبت محیط محلی در زمان مرگ چگونه بودهاند.
تا همین اواخر، روشهای متابولومیکس عمدتاً محدود به گونههای زنده و نمونههای اخیر بود. گروهی به سرپرستی Timothy Bromage در دانشگاه نیویورک پرسشی ساده ولی جسورانه مطرح کردند: اگر کلاژن و برخی پروتئینها میتوانند میلیونها سال دوام بیاورند، آیا میکرومحیط داخل استخوان نیز میتواند مولکولهای متابولیکی را حفظ کند؟ نتایج آنها که در نشریه Nature منتشر شد، نشان میدهد پاسخ مثبت است و این رویکرد میتواند یک رشتهٔ نو در پالئوبیوشیمی و پالئواکولوژی (پالئومتابولومیکس) باز کند.
چگونه پژوهشگران مولکولها را از استخوانهای میلیونساله بیرون کشیدند
در این مطالعه، نمونهبرداری دقیق از فسیلهای خوب تاریخگذاریشده با طیفسنجی جرمیِ با رزولوشن بالا ترکیب شد. طیفسنجی جرمی با یونیزه کردن مولکولها و اندازهگیری نسبت جرم به بار آنها کار میکند و به پژوهشگران اجازه میدهد هزاران گونهٔ شیمیایی را در یک نمونه شناسایی کنند. برای ساخت یک مرجع، تیم ابتدا استخوانهای موش معاصر را آنالیز کرده و تقریباً 2,200 متابولیت و پروتئین مرتبط، از جمله کلاژن را فهرستبندی کردند؛ این پایگاه مرجع سپس به عنوان کلید تفسیر سیگنالهای فسیلی عمل کرد.
تنگهٔ Olduvai، یک سایت مهم باستانشناسی در شمال تانزانیا. اعتبار تصویر: Friedemann Schrenk، دانشگاه Goethe و مؤسسهٔ تحقیقات Senckenberg و موزهٔ تاریخ طبیعی
با آن مرجع، پژوهشگران قطعات استخوان فسیلی را از مناطق مختلف شرق و جنوب آفریقا، از جمله تانزانیا، مالاوی و آفریقای جنوبی آنالیز کردند. سن فسیلها حدود 1.3 تا 3 میلیون سال برآورد شد و از حیواناتی بودند که هنوز خویشاوندان زندهای در نزدیکی آن سایتها دارند: جوندگان کوچک مانند موشها، سنجابزمینی و جربیلها، و همچنین گونههای بزرگتر از جمله آنتلوپ، خوک و فیل.
بهطور شگفتآوری، هزاران متابولیت در استخوانهای فسیلی شناسایی شد و بسیاری از آنها با ترکیبات موجود در جانداران زنده همخوانی داشتند. این همپوشانی امکان تفسیر نشانههای متابولیکی فسیل را به شکل زیستمعنایی فراهم میسازد، نه صرفاً بهعنوان نویزهای شیمیایی مبهم. وجود مراجع تجربی و دادههای کنترلی مدرن، کلید جدا کردن سیگنالهای واقعیِ اندوژن (درونزاد) از آلودگیهای محیطی پس از دفن است.
مولکولها چه چیزهایی درباره رژیم غذایی، بیماری و آبوهوا نشان میدهند
برخی از متابولیتها فرآیندهای فیزیولوژیک معمول مانند متابولیسم اسیدآمینهها و کربوهیدراتها را بازتاب میدادند. برخی دیگر به هورمونهای جنسی اشاره داشتند و امکان نتیجهگیری دربارهٔ جنسیت زیستی برخی افراد را فراهم کردند. چندین نشانه بهوضوح با بیماری مرتبط بودند. در یک مثال قابل توجه، استخوان یک سنجابزمینی 1.8 میلیون ساله از تنگهٔ Olduvai حاوی متابولیتی بود که برای یک انگل مرتبط با Trypanosoma brucei منحصر بهفرد است؛ پاتوژنی که باعث بیماری خواب در انسانها و دیگر پستانداران میشود. تیم همچنین متابولیتهایی شناسایی کرد که با پاسخ ضدالتهابی میزبان در برابر عفونت سازگار بودند.
ردپای غذایی نیز به همان اندازه آموزنده بود. پژوهشگران متابولیتهای گیاهی مرتبط با فلور منطقهای را کشف کردند، از جمله واریانتهایی که به آلوئه و مارچوبه نسبت داده میشد. این ترکیبات سرنخهای اکولوژیک فراهم میکنند: حضور آلوئه معمولاً نشانگر نوع خاصی از خاک، الگوی بارش و شرایط سایهپوشی است. اگر یک سنجابزمینی متابولیتهای آلوئه داشته باشد، به احتمال زیاد محیط محلی از رشد آن گیاه پشتیبانی میکرد؛ این اطلاعات به بازسازی میکروزیستگاهها از میلیونها سال پیش کمک میکند و به بازسازی پوشش گیاهی، منابع غذایی و زنجیرههای غذایی منطقه یاری میرساند.
عکس با نور پلاریزه از استخوان آنتلوپ فسیلشده که کلاژن سالم را نشان میدهد (مقیاس: 1 میلیمتر عرض). اعتبار تصویر: Timothy Bromage و Bin Hu، دانشکدهٔ دندانپزشکی NYU
در میان سایتهای بررسیشده، بازسازیهای متابولومیکی از یافتههای قبلیِ زیستمحیطی پشتیبانی کردند که نشان میداد مناظر گذشته در کل گرمتر و مرطوبتر از امروز بودهاند. بهعنوان مثال، لایههای رسوبی در Olduvai متناظر با جنگلهای آبشیرین و چمنزارهایی هستند که بهتدریج به جنگلهای خشکتر و باتلاقها منتقل میشوند، الگوهایی که با شواهد متابولیتی دربارهٔ جوامع گیاهی و دسترسی به رطوبت همخوانی دارند. این نوع همگرایی میان دادههای متابولومی و شواهد رسوبشناسی یا فسیلی، اعتبار استنتاجهای اکولوژیک را تقویت میکند.
چرا استخوانها میتوانند «لحظهای» از متابولیسم را حفظ کنند
استخوانها در محافظت از مواد شیمیایی بهتر از انتظار عمل میکنند. هنگام تشکیلشدن، ساختارهای متخلخل و شبکههای ریز عروقی میکرومحیطهایی ایجاد میکنند که مولکولها از جریان خون در آنها به دام میافتند. کلاژن، پروتئین سازندهٔ ساختاری استخوان، میتواند در طول زمان عمیق دوام بیاورد و ممکن است بهعنوان سپری عمل کند که تماس با اکسیژن و میکروبها را محدود میکند و سرعت تجزیه را کاهش میدهد. کار جدید نشان میدهد متابولیتهایی که در این حفرهها و فضاهای محافظتشده بهدام افتادهاند، تحت شرایط مناسب میتوانند تا مقیاسهای زمانی میلیونساله قابل آشکارسازی باقی بمانند.
با این وجود، پایداری و نگهداری پیچیده و متغیر است. شیمی خاک، دما، عمق دفن و زمان همه بر این تأثیر میگذارند که کدام مولکولها باقی بمانند. مطالعهٔ انجامشده از کنترلهای دقیق برای جلوگیری از آلودگی و از مجموعهدادههای مدرن مقایسهای بهره برد تا سیگنالهای اندوژن متابولیتی را از ورودیهای محیطیِ بعدی جدا کند. پژوهشهای آینده این پروتکلها را پالایش میکنند، محدودههای زمانی و محیطی قابل اعتمادِ پالئومتابولومیکس را مشخص میسازند و استانداردهای نمونهبرداری و آنالیز را توسعه خواهند داد.
پیامدها برای پالئواکولوژی و باستانشناسی
پالئومتابولومیکس چند مسیر پژوهشی جدید را باز میکند. با پیوند دادن متابولیسم به محیط، دانشمندان میتوانند پرسشهایی را مطرح کنند که قبلاً در دسترس نبودند: آیا جمعیتهای فسیلی خاصی تحت استرس ناشی از خشکسالی یا بیماری بودهاند؟ آیا تغییرات فصلی در رژیم غذایی اثراتی در شیمی استخوان بهجا گذاشته است؟ میکروزیستگاهها در محلهای کلیدی باستانشناسی چگونه رفتار و بقاِ هومینینها (انسانسانان) را تحت تأثیر قرار دادهاند؟
این رویکرد مکمل مطالعات دیانای کهن و مطالعات ایزوتوپ است، نه جایگزین آنها. هنگامی که این ابزارها با هم بهکار گرفته شوند، بازسازی یک اکوسیستم گذشته میتواند غنیتر و دقیقتر شود؛ ترکیبی از تاریخ ژنتیکی، وضعیت فیزیولوژیک و زمینهٔ اکولوژیک که تصویر جامعتری ارائه میدهد. بهعنوان مثال، تطابق دادههای ایزوتوپی با پروفایلهای متابولیتی میتواند تفکیک بهتر میان منابع غذایی و پاسخهای متابولیکی به استرس محیطی را فراهم کند.
دیدگاهِ کارشناس
— دکتر جِین تامپسون، پالئواکولوژیست در یک مؤسسهٔ پژوهشی مستقل، دربارهٔ اهمیت این مطالعه: «این کار بعد جدیدی به نحوهٔ خوانش ما از پروندهٔ فسیل اضافه میکند. مانند یافتن دفترچهای داخل استخوان است که رویدادهای کوتاهمدت مانند انتخابهای غذایی یا اپیزودهای بیماری را ثبت میکند. اگرچه روش نیاز به آزمایشهای گستردهتر در محیطها و سنین مختلف دارد، اما پتانسیل آن برای پالایش بازسازیهای پالئواکولوژیک بسیار بزرگ است.»
به جلو که نگاه میکنیم، پژوهشگران قصد دارند پایگاههای مرجع را گسترش دهند، نمونههای قدیمیتر را آزمایش کنند و حدود نگهداری متابولیتها را ارزیابی نمایند. بهبود در طیفسنجی جرمی و تکنیکهای میکروسامپلینگ امکان هدفگیری میکرومحیطهای خاص استخوان را فراهم میآورد، ریسک آلودگی را کاهش میدهد و رزولوشن نقشههای متابولیتی را افزایش میدهد. چنین پیشرفتهایی به اعتباربخشیِ پالئومتابولومیکس و استفادهٔ گستردهتر آن در زیستمحیطهای مختلف کمک خواهد کرد.
پالئومتابولومیکس نهتنها وعدهٔ بازنویسی جزئیات دربارهٔ جانوران منقرضشده را میدهد، بلکه چشمانداز بازسازی چشماندازهایی را ارائه میکند که این جانداران در آن زیستهاند، با وفاداری اکولوژیک قابل مقایسه با مطالعات میدانی مدرن. تصور کنید وارد یک اکوسیستم میلیونها ساله میشوید از طریق ردپای شیمیایی که در استخوانها باقی مانده است — ترکیبی از رژیم غذایی، بیماری و آبوهوا که در جزئیات مولکولی بازنمایی میشود.
قطعهٔ استخوان آنتلوپی که در سنگ قرار دارد و این رویکرد نو را هدایت کرد، نشان میدهد چگونه یک فسیل منفرد میتواند چندین خط شواهد را فراهم کند و آناتومی، شیمی و محیط را به هم پیوند دهد. هرچه روشها بالغتر شوند، تحلیلهای مشابه میتوانند زندگی بسیاری از گونههای منقرضشده و جهانهای در حال تغییرِ آنها را روشنتر سازند و درک ما از تاریخ زیستکره را عمیقتر کنند.
منبع: scitechdaily
نظرات
زیستنو
من تو آزمایشگاه دیدهم که بعضی مولکولها میمونن، ولی میلیونها سال؟ اگر روشها دقیقتر بشه، کلی کاربرد تو باستانشناسی داره
نودکس
وای، جدی؟ استخوان یه دفترچه راز داره، حیرتانگیز و تا حدی ترسناک... ایدهش کابوسانگیز اما جذاب!
ارسال نظر