Røntgenbilleder viser, hvordan perioder med stress ændrede en istidshyæne til knoglen

For et par hundrede tusinde år siden under Jordens seneste istid, en kødfuld underart af plettet hyæne, der var mere end dobbelt så stor som sin moderne slægtning, strejfede rundt i Eurasiens sneglaserede terræn. Indtil deres udryddelse omkring 11. 000 år siden, disse dyr, nu kendt som hulehyæner, ville trække deres bytte ind i huler og fortære dem med knogleknusende kæber.

Et internationalt hold, der omfatter forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, har nu fundet frem til, hvordan livet kunne have været for disse store skabninger. De fandt ud af, at på trods af deres enorme størrelse, nogle hulehyæner oplevede tider med modgang, som påvirkede dem helt ind til benet, forårsager områder med standset vækst, der fremstår som mørke linjer, som ringe på en træstamme.

Forskningen, ledet af Children's Museum of Indianapolis palæontolog Jennifer Anné og offentliggjort i Journal of Analytical Atomic Spectrometry , er en del af en større indsats, der bruger SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) til at kortlægge lav koncentration, eller spor, elementer i knogler, drille ud af biologisk information om for længst uddøde dyr.

"Dette arbejde, som giver ny indsigt i den sarte kemiske ballet i knogler, kunne give os mulighed for at forfine vores forståelse af miljøpåvirkningen på hvirveldyr fra fortiden og forudsige, hvad der vil ske i fremtiden, " siger Phil Manning, professor i naturhistorie ved University of Manchester i Storbritannien, som både er medforfatter og leder af det laboratorium, der foretog denne forskning.

En livshistorie i knogler

For at holde fast i livsopretholdende kemiske elementer, kroppen inkorporerer dem i sit skelet, at sikre, at de ikke udvaskes under daglige processer. Da knogler konstant ændrer sig, At studere dem giver forskerne mulighed for at lære et dyrs livshistorie, fra det var ved at udvikle sig til det, der skete lige før det døde.

"Din knogle kan tage halvdelen af ​​det periodiske system i sin struktur, " siger Anné. "Det er et af de store formål med at have et skelet:Det er et vigtigt opbevarings- og frigivelsesområde for en række elementer, du kommer til at bruge gennem dit liv. I vores forskning, vi forsøger at finde ud af, hvad alle sporstofferne i knogler kan fortælle dig om en organisme."

I sin forskning, Anné undersøger knoglerester, som andre forskere ofte smider væk, som giver større stikprøvestørrelser og mere frihed med, hvordan hun kan bruge dem. hyænen, hun siger, kom op som en tilfældig prøve og forvandlede sig til noget, der var lidt større, end hun havde forventet.

Benegård fra istiden

Hos SSRL, forskerne brugte en teknik kaldet røntgenfluorescens, skinnende røntgenstråler på hulehyæne-knogleprøver for at slå de inderste elektroner ud af materialernes atomer. Når ydre elektroner hopper ned for at tage deres plads, atomerne udstråler fluorescerende lys. Da hvert kemisk element har sin egen signaturbølgelængde af lys, denne teknik gjorde det muligt for forskerne at kortlægge fordelingen af ​​grundstoffer i knoglen. En lignende teknik udført ved Diamond Light Source i Storbritannien gjorde det muligt for dem bedre at bestemme koncentrationen af ​​hvert element.

Knoglefragmenterne af den særlige hulehyæne, der er omtalt i dette papir, dateret 40, 000 år gammel, blev fundet blandt en bengård af forskellige istidsfossiler i en hule i England. Forskerne brugte også knogler fra nutidens plettede hyæner som analoger for at sikre sig, at det, de så, var på linje med den moderne organisme og ikke noget, der lækkede ind i fossilet fra dets ydre miljø.

Intet at grine af

Et af de elementer, forskerne var i stand til at kortlægge, var zink, som er tæt knyttet til knoglevækst. Cykliske knoglevækstmønstre i fossiler var allerede kendt af palæontologer, ofte observeret som vekslende zoner af langsomt og hurtigt voksende knogle. Disse zoner giver forskere mulighed for at rekonstruere alder, vækst, kost og andre livsstilsfaktorer hos uddøde dyr.

Når et dyr har en konstant forsyning af næringsstoffer og mineraler, knoglevækst skubber støt udad, skabe porøse, zinkrige zoner. Men når et dyrs stofskifte bremser, måske på grund af perioder med stress eller sult, det samme gør knoglevækst, skabe tætte strimler, eller knogle "hvile" linjer. Palæontologer mener, at disse linjer svarer til faktorer som skiftende årstider og reproduktive cyklusser.

Da forskerne kortlagde zinkfordelingen og -koncentrationen i netop denne hyæne, de bemærkede tynde linjer, der næsten lignede blyanttegninger, betegner områder med standset vækst. Moderne hyæneknogler og hulehyænefossiler fra forskellige steder og tidsperioder viste ikke disse linjer, tyder på, at denne hyæne oplevede stress, som de andre ikke gjorde.

"Et dyr, der har at gøre med istidsforhold, kan opleve nogle rigtig gode tider og nogle virkelig barske tider, " siger Nick Edwards, en SLAC-forsker, der er medforfatter og en del af forskerholdet. "Vi er endnu ikke sikre på, hvad stressfaktorerne er, men disse linjer viser i det mindste, hvordan dyret havde det med dem."

Forbinder længe forsvundne arter

For at følge op på denne forskning, Anné håber at kunne anvende det, hun har lært, på forskellige vævstyper i forskellige arter, både moderne og uddøde, at opnå en bedre forståelse af knogler og hvad det kan fortælle forskere om en organisme. En nylig opgradering til SSRL-strålelinjen, der bruges i denne forskning, vil give holdet mulighed for at forbedre deres billeder, måling af hele spektret af sporelementer i højere opløsning og zoom ind på interessante områder uden selv at skulle flytte prøven.

Den aktuelle undersøgelse er en del af en række forskningsartikler fra holdet, der bruger den SLAC-baserede teknik. En kiggede på fossiler af en 150 millioner år gammel dinosaur kaldet en Allosaurus og en anden kiggede på en 19 millioner år gammel søkø.

"Tilsammen viser disse papirer, hvad sporstoffer kan afsløre om gamle arter gennem et spænd på mere end 100 millioner år, siger Uwe Bergmann, en fremtrædende SLAC-forsker ved SLAC og medforfatter på forskningen. "Vi håber, at det, vi har lært, vil give os mulighed for at skubbe endnu længere tilbage i tiden ind i livet for andre uddøde dyr."