Bisher stützte sich die Untersuchung von Fossilien hauptsächlich auf die morphologische Analyse von Skeletten oder in einigen Fällen auf die Analyse von DNA-Fragmenten. Ein internationales Team arbeitete jedoch an einem radikal anderen Ansatz: der Analyse des Metaboloms. Dabei handelt es sich um die Gesamtheit der Moleküle, die durch die inneren Funktionen eines Organismus produziert werden.
Ihre in Nature veröffentlichte Arbeit zeigt, dass diese biochemischen Signaturen, die in der Knochenstruktur erhalten sind, über Zeitskalen von deutlich über einer Million Jahre überdauern und bisher unbekannte Informationen preisgeben können. Während die DNA es ermöglicht, Stammbäume nachzuvollziehen, können Metaboliten darstellen, wie der Organismus zu Lebzeiten funktionierte.
Die biochemische Blackbox des Knochens
Entgegen seines soliden Erscheinungsbildes ist Knochen ein dynamisches und durchblutetes Gewebe. Sein dichtes Netzwerk aus Mikrokanälen, das ursprünglich der Blutzirkulation und dem Nährstoffaustausch dient, wirkt letztendlich wie eine natürliche Falle. Während des Knochenwachstums können sich Metaboliten, die im Blut zirkulieren (Rückstände aus Verdauungs-, Hormon- oder Immunprozessen), tatsächlich in diese mikroporöse Matrix einschleichen und darin einnisten, die einen bemerkenswerten Schutz gegen Abbau bietet.
Ein Forscherteam konnte diese Hypothese überprüfen, indem es Mäuseknochen mit Hilfe der Massenspektrometrie analysierte, einer Technik, die Moleküle anhand ihres Gewichts identifizieren kann. Die Analyse ergab die Anwesenheit von fast 2200 Metaboliten, was das Prinzip bestätigte. Die Wissenschaftler wandten dieselbe Methode anschließend auf Fossilien von Tieren (Nagetiere, Antilope, Elefant) an, die von bedeutenden Stätten der menschlichen Evolution im südlichen und östlichen Afrika stammen und auf 1,3 bis 3 Millionen Jahre datiert werden.
Die Analyse zeigte eine große Anzahl von Molekülen, die mit normalen biologischen Funktionen verbunden sind, wie dem Stoffwechsel von Aminosäuren oder Vitaminen. Das Vorhandensein bestimmter spezifischer Marker ermöglichte es sogar festzustellen, dass einige fossile Individuen Weibchen waren. Diese Erhaltung bietet somit eine biochemische Momentaufnahme des physiologischen Zustands des Tieres zum Zeitpunkt seines Todes, eine Information, die bisher unzugänglich war.
Erzählungen von Krankheit und Umwelt
Die Studie machte einen unerwarteten Schritt, indem sie eine Infektionskrankheit in einem 1,8 Millionen Jahre alten Eichhörnchenknochen identifizierte. Den Forschern gelang es tatsächlich, einen Metaboliten zu isolieren, der spezifisch für den Parasiten Trypanosoma brucei ist, dem Erreger der Schlafkrankheit, der durch die Tsetsefliege übertragen wird. Sie entdeckten auch die chemische Signatur der Entzündungsreaktion des Wirtstieres. Es handelt sich um einen der ältesten direkten Nachweise einer Infektionskrankheit, die in fossilen Überresten erhalten ist.
Die Entdeckung von Metaboliten pflanzlichen Ursprungs ermöglichte es auch, ebenso wertvolle Geheimnisse über verschwundene Landschaften preiszugeben. Die Chemie des Eichhörnchenknochens enthielt Spuren von Aloe, einer Pflanze mit strengen ökologischen Anforderungen hinsichtlich Temperatur, Niederschlag und Sonneneinstrahlung. Das Vorhandensein dieser Moleküle weist nicht nur auf die Ernährung des Tieres hin, sondern ermöglicht es auch, die klimatischen Bedingungen seines Lebensraums mit bemerkenswerter Genauigkeit abzuleiten.
Diese aus der fossilen Biochemie abgeleiteten Umweltrekonstruktionen bestätigen die vorhandenen geologischen Daten. Dank dieser Informationen zeichnet sich nach und nach ein Bild des alten Ostafrikas ab, das wärmer und erheblich feuchter war als heute, mit Landschaften aus lichten Wäldern, Wiesen und Sumpfgebieten. Jedes Fossil wird so zu einem reichen Datenpunkt, um die Ökosysteme der Vergangenheit zu kartieren.
Um mehr zu erfahren: Was ist Metabolomik?
Die Metabolomik ist die Wissenschaft, die die Gesamtheit der kleinen Moleküle, sogenannte Metaboliten, untersucht, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Organismus vorhanden sind. Diese Moleküle sind die End- oder Zwischenprodukte der unzähligen chemischen Reaktionen, die das Leben aufrechterhalten, wie die Umwandlung von Nahrung in Energie oder die Synthese von Hormonen. Ihr Profil, das Metabolom, ist ein einzigartiger und dynamischer Fingerabdruck.
Im Gegensatz zum Genom, das stabil und vererbt ist, spiegelt das Metabolom die ständige Wechselwirkung zwischen Genen und Umwelt wider. Es verändert sich als Reaktion auf Ernährung, Stress, Krankheit oder die Exposition gegenüber Giftstoffen. In der modernen Medizin dient die Analyse des Metaboloms daher der Früherkennung oder dem Verständnis der Mechanismen bestimmter Krankheiten.
Ihre Anwendung in der Archäologie und Paläontologie, wie in dieser Studie, ist neu und gewagt. Sie besteht darin, diese flüchtigen biochemischen Signaturen in alten Materialien zu suchen. Ihr Nachweis beweist, dass sie sich unter geeigneten Bedingungen versteinern können und so Informationen über die Physiologie und Lebensbedingungen von heute ausgestorbenen Organismen liefern können.