研究人员在数百万年前的骨骼化石内部发现了数千个保存完好的代谢分子，为解读史前生命史提供了令人惊喜的新视角。这些发现揭示了动物的饮食结构、疾病状况甚至其生存环境的气候特征——包括更温暖湿润的环境证据。其中一块化石还显示出至今仍存在的寄生虫痕迹。这项技术或将彻底改变科学家重建古生态系统的方式。
通过分析与健康和饮食相关的代谢信号，科学家得以重建古代气候和景观的细节，包括温度、土壤条件、降雨量和植被。这些发表在《自然》杂志上的研究结果表明，当时的环境比现今同一地区显著更温暖、更湿润。
研究代谢物——即在消化和体内其他化学过程中产生并使用的分子——可以揭示有关疾病、营养和环境暴露的信息。虽然代谢组学已成为现代医学研究的有力工具，但它很少应用于化石。相反，大多数对古代遗骸的研究依赖于DNA，而DNA主要有助于建立遗传关系，而非日常生物学。
“我一直对代谢感兴趣，包括骨骼的代谢率，并想知道是否有可能将代谢组学应用于化石以研究早期生命。事实证明，骨骼，包括化石骨骼，充满了代谢物，”领导该国际研究团队的纽约大学牙科学院分子病理生物学教授、纽约大学人类学系附属教授蒂莫西·布罗米奇说道。
为何化石骨骼能保存化学成分
近年来，科学家发现胶原蛋白——为骨骼、皮肤和结缔组织提供结构的蛋白质——可以在古代骨骼中存活，包括恐龙化石。
“我想，如果胶原蛋白保存在化石骨骼中，那么其他生物分子也可能在骨骼微环境中得到保护，”纽约大学牙科学院硬组织研究单位负责人布罗米奇说道。
骨骼表面多孔，充满了微小的血管网络，这些血管与血液流交换氧气和营养物质。布罗米奇提出，在骨骼生长过程中，血液中循环的代谢物可能被困在骨骼内的微观空间中，并在那里得到保护数百万年。
为了验证这一想法，研究团队使用了质谱法，这是一种将分子转化为带电粒子以进行识别的技术。对现代小鼠骨骼的测试揭示了近2200种代谢物。同样的方法也使研究人员能够在一些样本中检测到胶原蛋白。
测试来自早期人类活动区域的化石
随后，研究人员将此方法应用于距今130万至300万年前的动物骨骼化石。这些样本来自坦桑尼亚、马拉维和南非早期发掘的地点，这些地区以早期人类活动而闻名。
这些化石属于那些现今仍有近亲物种生活在这些地点附近的动物。团队分析了啮齿动物（小鼠、地松鼠、沙鼠）以及较大型动物（包括一只羚羊、一只猪和一头大象）的骨骼。鉴定出了数千种代谢物，其中许多与现存物种中发现的代谢物高度匹配。
健康、饮食和疾病铭刻于骨骼之中
许多检测到的代谢物反映了正常的生物过程，例如氨基酸、碳水化合物、维生素和矿物质的分解。一些化学标记与雌激素相关基因有关，表明某些化石动物为雌性。
其他分子则揭示了疾病的迹象。在一个引人注目的案例中，一块来自坦桑尼亚奥杜瓦伊峡谷、距今约180万年的地松鼠骨骼，显示出感染了导致人类昏睡病的寄生虫的证据。该病由布氏锥虫引起，并通过舌蝇传播。
“我们在这只松鼠骨骼中发现了一种代谢物，这种代谢物是该寄生虫生物学特有的，它会将这种代谢物释放到宿主的血液中。我们还看到了松鼠的代谢组学抗炎反应，大概是由于寄生虫引起的，”布罗米奇说道。
追溯古代饮食与环境
化学证据还揭示了这些动物食用了哪些植物。尽管植物代谢物数据库远不如动物数据库完备，但研究人员识别出了与芦荟、芦笋等当地植物相关的化合物。
“这意味着，就这只松鼠而言，它啃食了芦荟，并将这些代谢物吸收到自己的血液中，”布罗米奇解释道。“由于芦荟的环境条件非常特定，我们现在对温度、降雨量、土壤条件和树冠有了更多了解，基本上重建了这只松鼠的环境。我们可以围绕每一种动物构建一个故事。”
这些重建的栖息地与先前的地质和生态学研究结果一致。例如，坦桑尼亚的奥杜瓦伊峡谷层被描述为淡水林地和草原，而上层则反映了更干燥的林地和沼泽区域。在所有研究地点，化石证据一致表明当时的气候比现在更湿润、更温暖。
“利用代谢分析研究化石，或许能让我们以新的详细程度重建史前世界的环境，就像今天我们作为野外生态学家在自然环境中工作一样，”布罗米奇说道。
研究团队与支持
研究的其他作者包括纽约大学牙科学院的Bin Hu、Sher Poudel、Sasan Rabieh和Shoshana Yakar；纽约大学格罗斯曼医学院的Thomas Neubert、Christopher Lawrence de Jesus和Hediye Erdjument-Bromage；以及来自法国、德国、加拿大和美国研究机构的合作者。这项研究得到了利基基金会的支持，扫描电子显微镜的额外支持由美国国立卫生研究院提供（资助号：S10 OD023659 和 S10 RR027990）。