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Fossilien haben uns lange vor allem Auskunft über Knochen, Zähne und die äußere Form ausgestorbener Lebewesen gegeben. Inzwischen offenbaren sie aber auch etwas weniger Offensichtliches und weit Persönlicheres: chemische Spuren des Stoffwechsels, die in uraltem Knochen konserviert sind. Indem Forscher Metaboliten aus Millionen Jahre alten Proben extrahieren und analysieren, lassen sich Ernährung, Krankheiten und lokale Klimabedingungen mit einem neuen Präzisionsgrad rekonstruieren.
Versteinerte Elefantendentin (Maßstab: 1,5 mm), mit Gestein unten rechts und Dentin oben links. Das weiße Dentin enthält intaktes Kollagen. Quelle: Timothy Bromage und Bin Hu, NYU Dentistry
Ein neues Fenster in das Leben der Vergangenheit
Über Jahrzehnte hat die Paläontologie auf Knochen, Zähne und neuerdings auf alte DNA gebaut, um evolutionäre Geschichten zusammenzusetzen. DNA ist ein mächtiges Werkzeug zur Rekonstruktion von Verwandtschaftsverhältnissen, aber sie liefert nur einen Teil des Bildes. Metaboliten — kleine Moleküle des Stoffwechsels wie Aminosäuren, Zucker, Vitamine, Lipide und Signalmoleküle — dokumentieren den physiologischen Zustand eines Organismus zum Zeitpunkt des Todes. Diese Moleküle können Hinweise darauf geben, was ein Tier gefressen hat, welche Krankheitserreger es bekämpft hat und sogar auf Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse in seiner Umgebung.
Bis vor kurzem waren metabolomische Methoden hauptsächlich auf lebende Organismen und sehr junge Überreste beschränkt. Ein Team unter Leitung von Timothy Bromage an der New York University stellte eine einfache, aber mutige Frage: Wenn Kollagen und bestimmte Proteine Millionen von Jahren überdauern können, könnte dann auch das mikrochemische Milieu innerhalb des Knochens metabolische Moleküle konservieren? Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Antwort ja lautet.
Wie Forschende Moleküle aus millionen Jahre altem Knochen gewinnen
Die Studie verband sorgfältige Probenahme gut datierter Fossilien mit hochauflösender Massenspektrometrie. Massenspektrometrie funktioniert, indem sie Moleküle ionisiert und deren Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse misst; so lassen sich in einer einzigen Probe tausende chemischer Spezies identifizieren. Zur Erstellung eines Referenzdatensatzes analysierte das Team zuerst moderne Maus-Knochen und katalogisierte nahezu 2.200 Metaboliten sowie assoziierte Proteine, darunter auch Kollagen.
Methodisch kombinierten die Forschenden etablierte Protokolle zur Probenvorbereitung (Extraktion mit polar bis unpolaren Lösungsmitteln, Proteinabtrennung, Derivatisierung bei Bedarf) mit hochsensitiven Plattformen wie Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (LC–MS/MS) und ergänzenden Methoden (z. B. GC–MS für flüchtige Metaboliten). Wichtige Arbeitsschritte umfassten strenge Kontrollen gegen Kontamination (Blankproben, Laborstandards), Replikate und statistische Verfahren wie PCA und hierarchische Clusteranalyse, um endogene Signale von postmortalen Einträgen zu unterscheiden. Die Kombination aus experimenteller Sorgfalt und umfangreichem Referenzmaterial machte die Identifikation tausender Verbindungen möglich.
Olduvai-Schlucht, ein wichtiges archäologisches Fundgebiet in Nordtansania. Quelle: Friedemann Schrenk, Goethe-Universität und Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum
Ausgestattet mit diesem Referenzkatalog analysierten die Forschenden fossile Knochenfragmente von Fundstellen in Ost- und Südafrika, darunter Lokalitäten in Tansania, Malawi und Südafrika. Die Fossilien waren grob zwischen 1,3 und 3 Millionen Jahre alt und stammten von Tieren, die noch lebende Verwandte in der Region haben: kleine Nager wie Mäuse, Erdhörnchen und Rennmäuse sowie größere Arten wie Antilopen, Schweine und Elefanten.
Erstaunlicherweise konnten in den fossilen Knochen tausende Metaboliten nachgewiesen werden, und viele stimmten mit Verbindungen überein, die auch in lebenden Tieren vorkommen. Diese Überschneidung macht es möglich, fossile Metabolitsignaturen biologisch sinnvoll zu interpretieren und nicht nur als vage chemische Reste zu deuten. Solche Ergebnisse bestätigen, dass Paläometabolomik ein tragfähiger Ansatz zur Rekonstruktion biologischer Zustände in tiefen Zeiträumen ist.
Was die Moleküle über Ernährung, Krankheit und Klima verraten
Ein Teil der gefundenen Metaboliten spiegelt grundlegende physiologische Prozesse wider, etwa Aminosäure- und Kohlenhydratstoffwechsel. Andere Signaturen deuteten auf Sexualhormone hin, wodurch sich Rückschlüsse auf das biologische Geschlecht bestimmter Individuen ziehen ließen. Mehrere Marker waren eindeutig mit pathologischen Prozessen assoziiert: In einem besonders eindrücklichen Fall trug der Knochen eines 1,8 Millionen Jahre alten Erdhörnchens aus der Olduvai-Schlucht einen Metaboliten, der nur bei einem Parasiten vorkommt, der mit Trypanosoma brucei verwandt ist — ein Erreger, der bei Menschen und anderen Säugetieren Schlafkrankheit verursachen kann. Parallel dazu identifizierte das Team Metaboliten, die auf eine antiinflammatorische Immunantwort des Eichhörnchens gegenüber der Infektion hinweisen.
Ernährungsbezogene Spuren waren ebenso aufschlussreich. Die Forschenden entdeckten Pflanzenmetaboliten, die mit der regionalen Flora in Verbindung stehen, darunter Varianten, die mit Aloe und Spargel (Asparagus-Arten) assoziiert sind. Solche Verbindungen liefern ökologische Hinweise: Bestimmte Aloe-Verbindungen etwa sprechen für spezifische Bodenbedingungen, Niederschlagsmuster und Schattenverhältnisse durch Baumkronen. Wenn ein Erdhörnchen Aloe-Metaboliten aufwies, deutet das darauf hin, dass die unmittelbare Umgebung diese Pflanze trug — eine wertvolle Information zur Rekonstruktion von Mikrohabitaten vor Millionen von Jahren.
Polarisiertes Lichtmikroskopbild eines versteinerten Antilopenknochens mit intaktem Kollagen (Maßstab: 1 mm). Quelle: Timothy Bromage und Bin Hu, NYU Dentistry
Über die untersuchten Fundstellen hinweg stützten die metabolomischen Rekonstruktionen frühere paläoökologische Befunde, die darauf hindeuten, dass die Landschaften in der Vergangenheit tendenziell wärmer und feuchter waren als heute. Beispielsweise entsprechen Schichten in der Olduvai-Sequenz einem Übergang von Süßwasser-Wald und Grasland zu trockeneren Wäldern und Marschen — Muster, die mit den Metabolitenspuren für Pflanzengemeinschaften und Feuchteverfügbarkeit übereinstimmen. Solche Befunde sind wichtig, weil sie auf lokaler Skala ergänzende Klimaproxy-Daten liefern können, die sich mit isotopischen und sedimentologischen Informationen kombinieren lassen.
Warum Knochen metabolische Momentaufnahmen bewahren können
Knochen sind überraschend effektiv beim Schutz chemischer Signale. Während der Knochenbildung entstehen poröse Mikrostrukturen und feine vaskuläre Netze, die Mikrohabitate schaffen, in denen Moleküle aus dem zirkulierenden Blut eingeschlossen werden können. Das Strukturprotein Kollagen überdauert oft tiefen geologischen Zeitraum und kann als Barriere wirken: Es reduziert den Kontakt mit Sauerstoff und Mikroorganismen und verlangsamt so den Abbau. Die neue Arbeit legt nahe, dass Metaboliten, die in diesen geschützten Taschen eingeschlossen sind, unter geeigneten Bedingungen über Millionen von Jahren nachweisbar bleiben können.
Gleichzeitig ist die Erhaltung von Metaboliten jedoch komplex und heterogen. Bodenkontaktchemie (pH, Redoxbedingungen), Temperaturverlauf, Vergrabungstiefe, hydrothermale Einflüsse sowie die mineralische Zusammensetzung der Knochenmatrix (vor allem Hydroxylapatit) beeinflussen, welche Moleküle erhalten bleiben. Diagenetische Prozesse können einige Verbindungen zerstören und andere neu bilden. Die Studie verwendete strenge Kontrollen gegen Kontamination und verglich fossile Signale mit modernen Referenzdaten, um endogene Metabolitensignale von sekundären Umweltbeiträgen zu trennen. Zukünftige Arbeiten werden diese Protokolle weiter verfeinern und systematisch kartieren, unter welchen geologischen und chemischen Bedingungen Paläometabolomik am zuverlässigsten ist.
Folgen für Paläoökologie, Archäologie und Homininenforschung
Paläometabolomik eröffnet mehrere neue Forschungswege. Indem Stoffwechselinformationen mit Umweltdaten verknüpft werden, können Wissenschaftler Fragen stellen, die bislang schwer zugänglich waren: Waren bestimmte Fossilpopulationen durch Dürre oder Krankheit belastet? Hinterließen saisonale Ernährungswechsel messbare Spuren in der Knochenchemie? Beeinflussten Mikrohabitate an wichtigen archäologischen Fundstellen das Verhalten, die Jagdstrategien oder das Überleben früher Homininen?
Dieser Ansatz ergänzt alte DNA-Analysen und Isotopenstudien, ersetzt sie aber nicht. Während Genetik die Verwandtschaftsverhältnisse und Populationsstruktur beleuchtet und Isotopenanalysen oft Hinweise auf allgemeine Ernährungsquellen und Klimaverhältnisse liefern, fügt Paläometabolomik Informationen über den kurzfristigen physiologischen Zustand, Pathologien und konkrete Nahrungspartikel hinzu. In Kombination können diese Methoden eine reichhaltigere, nuanciertere Rekonstruktion vergangener Ökosysteme liefern, die genetische Geschichte mit physiologischem Zustand und ökologischem Kontext verbindet.
Expertinnen- und Experteneinschätzung
— Dr. Jane Thompson, Paläoökologin an einem unabhängigen Forschungsinstitut, zur Bedeutung der Studie: Diese Arbeit fügt dem Lesen des Fossilberichts eine neue Dimension hinzu. Es ist, als fände man ein Tagebuch im Knochen, das kurzfristige Ereignisse wie Ernährungsentscheidungen und Krankheitsepisoden dokumentiert. Zwar muss die Methode in unterschiedlichen Umwelt- und Alterskonstellationen breiter getestet werden, doch ihr Potenzial zur Verfeinerung paläoökologischer Rekonstruktionen ist enorm.
Mit Blick nach vorn planen die Forschenden, Referenzdatenbanken auszubauen, noch ältere Proben zu testen und systematisch die Grenzen der Erhaltung zu evaluieren. Technologische Fortschritte in der Massenspektrometrie (höhere Auflösung, bessere Fragmentierungsstrategien) und verbesserte Mikroprobenahmetechniken werden es ermöglichen, gezielt spezifische Knochenmikroumgebungen anzusprechen — etwa bestimmte Osteonen oder vaskuläre Kanäle —, wodurch Kontaminationsrisiken reduziert und die räumliche Auflösung der Metabolitkarten erhöht werden kann.
Paläometabolomik verspricht nicht nur Details über ausgestorbene Tiere neu zu schreiben, sondern auch die Landschaften, die sie bewohnten, mit ökologischer Treue zu rekonstruieren, die mit modernen Feldstudien vergleichbar ist. Stellen Sie sich vor, Sie betreten ein Millionen Jahre altes Ökosystem durch die chemischen Fußspuren im Knochen — eine Kombination aus Ernährung, Krankheit und Klima, dargestellt in molekularen Details.
Das Antilopenknochenfragment im Gestein, das diesen neuen Ansatz inspirierte, zeigt, wie ein einzelnes Fossil mehrere Evidenzlinien liefern kann und Anatomie, Chemie und Umwelt miteinander verbindet. Während sich die Methoden weiterentwickeln, könnten ähnliche Analysen das Leben vieler ausgestorbener Arten und die sich verändernden Welten, in denen sie lebten, umfassend beleuchten.
Praktische Anwendungen der Paläometabolomik reichen darüber hinaus: in der Archäologie kann die Methode helfen, Nahrungsvorlieben prähistorischer Menschen zu klären; in der Tieranatomie und Paläopathologie lassen sich Krankheitsverläufe rekonstruieren; und in der Paläoklimatologie eröffnet sie zusätzliche, lokal aufgelöste Klimaindikatoren. Entscheidend für den Fortschritt ist die offene Zusammenführung von Datensätzen, Standardisierung der Protokolle und interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Paläontologen, Chemikern, Archäologen und Datenwissenschaftlern, um robuste, reproduzierbare Erkenntnisse zu sichern.
Quelle: scitechdaily
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