化石中的代謝物，講述了疾病、飲食和氣候的故事

在一新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，科學(xué)家首次從生活在約130萬至300萬年前的動物骨骼化石中，分析出了與代謝相關(guān)的分子。這些與動物健康狀況和飲食相關(guān)的代謝線索，使研究人員得以勾勒出它們的生存環(huán)境圖景，包括當(dāng)時的溫度、土壤、降雨以及植被狀況。研究結(jié)果顯示，與今天相比，這些環(huán)境在當(dāng)時整體上更加溫暖、也更加濕潤。

化石中的代謝物

生物體的代謝率，是指生物在獲取、轉(zhuǎn)化并將能量分配至生長、繁殖和維持生命等過程時，所需的能量總和。而代謝物則指的是在這些化學(xué)過程中，產(chǎn)生并參與其中的分子。研究代謝物可以提供有關(guān)健康與疾病的信息，同時也能反映飲食和環(huán)境暴露等外部因素。

在研究活體動物時，科學(xué)家通常會從血液或尿液等體液中提取代謝物。但對于化石而言，這種做法顯然不可行。雖然代謝物組學(xué)研究正日益廣泛地應(yīng)用于人類疾病和藥物研究，但幾乎沒有科學(xué)家嘗試將這一方法用于理解史前世界。長期以來，關(guān)于史前世界的相關(guān)研究主要集中在化石中的DNA上，而DNA研究的核心用途在于厘清生物之間的遺傳關(guān)系。

在這項新研究中，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向一個問題：像骨骼、牙齒和象牙這樣的多孔硬組織，是否能夠在極其漫長的時間尺度上捕獲并保存代謝物？

對于骨骼這樣的硬組織，其表面呈海綿狀結(jié)構(gòu)，周圍環(huán)繞著毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，在血液與骨組織之間不斷交換氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。研究人員推測，在這些硬組織的形成過程中，血液中攜帶的代謝物會進入骨組織，而這一過程可能會使部分代謝物分子滯留在組織內(nèi)部粗糙而多孔的結(jié)構(gòu)之中。

從現(xiàn)代骨骼到遠古化石

為了驗證這一推測，研究人員利用一種被稱為質(zhì)譜法的分析方法，首先對現(xiàn)代小鼠的骨骼樣本進行了檢測。質(zhì)譜法是一種可以將分子轉(zhuǎn)化為離子進行檢測的技術(shù)，能確定精確的化學(xué)組成。利用這一方法，他們鑒定出近2200種可用于分析的代謝物。

在此基礎(chǔ)上，研究人員利用同樣的方法，分析了出土于坦桑尼亞、馬拉維和南非等古人類遺址附近地區(qū)的動物骨骼和牙齒化石。這些動物化石的年代介于距今約130萬至300萬年之間。

他們重點選擇了那些在這些遺址附近仍有現(xiàn)存親緣的物種，如嚙齒類動物（包括老鼠、地松鼠和沙鼠），以及羚羊、豬和大象，并對其骨骼化石進行了分析。

在識別出樣品中可能存在的代謝物之后，他們將這些分子與數(shù)據(jù)庫中已知由相似現(xiàn)代生物產(chǎn)生的化合物進行比對。分析結(jié)果顯示， 在每一個化石樣本中檢出了數(shù)千種代謝物，其中相當(dāng)一部分與現(xiàn)代動物體內(nèi)的代謝物是相同的。

化石講述的故事

這些研究結(jié)果為了解古代動物的生活提供了極為細(xì)致而豐富的線索。

首先，研究人員在骨骼化石中所發(fā)現(xiàn)的許多代謝物反映的是正常的生物學(xué)功能，包括氨基酸、碳水化合物以及維生素和礦物質(zhì)的代謝。其中一些代謝物與雌激素相關(guān)的生理通路有關(guān)，暗示部分個體可能為雌性。

進一步的分析還揭示了這些動物對疾病的生理反應(yīng)。例如，在坦桑尼亞奧杜瓦伊峽谷，研究人員分析了一只距今約180萬年的地松鼠骨骼，并在其中發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，顯示這只地松鼠曾感染一種寄生蟲性疾病。這種疾病在人類中被稱為昏睡病，由布氏錐蟲（

Trypanosoma brucei

此外，通過將化石中的代謝物與已知的植物代謝物進行比對，研究人員還能重建部分動物的飲食結(jié)構(gòu)及其所處環(huán)境，推斷這些動物曾經(jīng)取食過哪些植物。盡管有關(guān)植物代謝物的數(shù)據(jù)遠不如人類和動物健康領(lǐng)域那樣豐富，但研究人員仍然識別出了幾種具有明顯區(qū)域特征的植物代謝物。

在那只距今約180萬年的奧杜瓦伊峽谷地松鼠化石中，研究人員發(fā)現(xiàn)了表明其曾以蘆筍和蘆薈為食的代謝物，而這類植物通常指向具有茂密樹冠覆蓋的環(huán)境。因此研究人員能夠進一步推斷當(dāng)時的溫度、降雨、土壤條件以及樹冠覆蓋情況，進而基本上重建了這只地松鼠所處的生態(tài)環(huán)境。這一發(fā)現(xiàn)為近年來對該遺址的新一輪重新評估提供了有力支持：該地區(qū)在當(dāng)時應(yīng)當(dāng)是一個濕潤的棲息地，周圍分布著森林和濕地。

可以說，圍繞每一只動物，研究人員都得以講述一個完整的環(huán)境故事

一種新的分子生態(tài)學(xué)

這些重建出的環(huán)境條件，與其他研究對數(shù)百萬年前這些地區(qū)環(huán)境的認(rèn)識高度一致。研究人員認(rèn)為，利用代謝分析研究化石，或許就能以前所未有的精細(xì)程度重建史前世界的環(huán)境，就仿佛我們是身處當(dāng)時自然環(huán)境中的野外生態(tài)學(xué)家一樣。

不過，也有學(xué)者指出，在分析與化石相關(guān)的代謝物時，必須格外謹(jǐn)慎。因為一個棘手的問題在于，我們很難判斷在動物化石中發(fā)現(xiàn)的代謝物，究竟是由該動物自身產(chǎn)生的，還是來自周圍土壤中后期滲入化石的分子。

對此，這項研究的作者回應(yīng)稱，他們正是通過分析化石周圍土壤中的代謝物，來應(yīng)對這一問題的。他們發(fā)現(xiàn)，這些沉積物中保存著與化石動物同時代、共同生活的植物和動物所留下的古老代謝物；而這些代謝物同樣也出現(xiàn)在那些并未直接暴露于土壤中的動物骨骼樣本中。

#參考來源：

https://www.eurekalert.org/news-releases/1109901

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09843-w

#圖片來源：

封面圖&首圖：TIMOTHY BROMAGE AND BIN HU/NYU DENTISTRY