Med hjälp av SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Light Source, forskare kunde reda ut historien om nyckelpigment i forntida musfossiler. Forskarna visade att musen sannolikt hade rödaktig och brun päls på ryggen och sidorna och en vit mage, som visas i Stuart Ponds konstnärsuppfattning till vänster. Den nedre bilden till höger är ett fotografi av nyckelfossilet som undersökts i denna studie. Ovanför det är en falsk färgsynkrotronröntgenbild av den fossila kemin. Kredit:Gregory Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Forskare har för första gången upptäckt kemiska spår av rött pigment i ett gammalt fossil - en exceptionellt välbevarad mus, inte olikt dagens åkermöss, som strövade omkring på fälten i det som nu är den tyska byn Willershausen för cirka 3 miljoner år sedan.
Studien visade att den utdöda varelsen, kärleksfullt smeknamnet "mäktig mus" av författarna, var klädd i brun till rödaktig päls på ryggen och sidorna och hade en liten vit mage. Resultaten publicerades idag i Naturkommunikation .
Det internationella samarbetet, ledd av forskare vid University of Manchester i Storbritannien, använde röntgenspektroskopi och flera avbildningstekniker för att upptäcka den känsliga kemiska signaturen hos pigment i denna sedan länge utdöda mus.
"Livet på jorden har fyllt fossilerna med en mängd information som bara nyligen har varit tillgänglig för vetenskapen, " säger Phil Manning, en professor i Manchester som medledde studien. "En uppsättning nya bildtekniker kan nu användas, som tillåter oss att titta djupt in i en fossil organisms kemiska historia och processerna som bevarade dess vävnader. Där vi en gång såg bara mineraler, nu plockar vi försiktigt bort de "biokemiska spökena" från långa utdöda arter."
Forskargruppen, som inkluderar forskare från det amerikanska energidepartementets SLAC National Accelerator Laboratory, använde röntgenstrålar från SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och Diamond Light Source (DLS) i Storbritannien.
En synkrotronröntgenbild i falsk färg av den fossila kemin. Blått representerar kalcium i benen, grönt är grundämnet zink som har visat sig vara viktigt i biokemin av rött pigment och rött är en speciell typ av organiskt svavel som inte kan avbildas med traditionella metoder. Denna typ av svavel är berikad med rött pigment. När de kombineras, regioner rika på både zink och svavel ser gula ut på den här bilden, som visar att pälsen på detta djur var rik på de kemiska föreningar som troligen härrör från de ursprungliga röda pigmenten som produceras av musen. Kreditera: Naturkommunikation
Målar en bild av det förflutna
Färg spelar en avgörande roll i de selektiva processer som har styrt utvecklingen i hundratals miljoner år. Men tills nyligen, tekniker som användes för att studera fossiler var inte kapabla att utforska pigmenteringen av forntida djur som är avgörande när man rekonstruerar exakt hur de såg ut.
Detta senaste dokument markerar ett genombrott i förmågan att lösa fossiliserade färgpigment i sedan länge borta arter genom att kartlägga nyckelelement associerade med pigmentet melanin, det dominerande pigmentet hos djur. I form av eumelanin, pigmentet ger en svart eller mörkbrun färg, men i form av pheomelanin, den ger en rödaktig eller gul färg.
Bygger grunden
Tills nyligen, forskarna hade fokuserat på spåren av element som var kända för att vara associerade med eumelanin, som i tidigare experiment avslöjade mörka och ljusa mönster i de första fåglarnas fjädrar, inklusive Archeopteryx det berömda fossilet som först erbjöd en tydlig koppling mellan dinosaurier och fåglar.
2016, medförfattare Nick Edwards, forskare vid SLAC, ledde en studie som visade potentialen att skilja mellan eumelanin och pheomelanin i moderna fågelfjädrar. Det arbetet gav ett kemiskt riktmärke för detta senaste dokument, som för första gången visade att det är möjligt att upptäcka det svårfångade röda pigmentet, som är mycket mindre stabil över geologisk tid, i gamla fossiler.
Det nyckelfossil som undersöks i denna studie är en 3 miljoner år gammal utdöd art av åkermus från Tyskland. Musen är cirka 7 cm lång. Kredit:Högskolan i Göttingen
"Vi var tvungna att bygga upp en stark grund med hjälp av modern djurvävnad innan vi kunde tillämpa tekniken på dessa gamla djur, "Sa Edwards. "Det var verkligen en vändpunkt när det gäller att använda kemiska signaturer för att knäcka färgningen av forntida djur med mjukvävnadsfossiler."
För att avslöja fossilmönstren i den mäktiga musen, Manchester-teamet använde SSRL och DLS för att bada fossilerna i intensiva röntgenstrålar. Interaktionen mellan dessa röntgenstrålar och spårmetaller som finns i pigment gjorde att teamet kunde rekonstruera den rödaktiga färgen i musens päls.
"Fossilerna som används i denna studie bevarar fantastiska strukturella detaljer, men vårt arbete betonar att en sådan exceptionell bevarande också kan leda till extraordinära kemiska detaljer som förändrar vår förståelse av vad som är möjligt att lösa i fossiler, " sa Manchester professor i geokemi Roy Wogelius, som ledde studien. "Längs vägen lärde vi oss så mycket mer om kemin med pigmentering i hela djurriket"
Lägger till en ny dimension
Nyckeln till deras arbete var att fastställa att spårmetaller införlivades i den fossiliserade muspälsen på exakt samma sätt som de binder till pigment hos djur med höga koncentrationer av rött pigment i vävnaden.
"När du forskar inom ett visst område, omfattningen av dina tekniker kan utvecklas, säger Uwe Bergmann, medförfattare och en framstående forskare vid SLAC som ledde utvecklingen av den röntgenfluorescensavbildning som används i denna forskning. "Förhoppningen är att du kan utveckla ett verktyg som kommer att bli en del av standardarsenalen när något nytt studeras, och jag tror att tillämpningen på fossiler är ett bra exempel."
Ansträngningen, som involverade fysik, paleontologi, organisk kemi och geokemi, informerar forskarna vad de ska leta efter i framtiden.
"Vår förhoppning är att dessa resultat kommer att innebära att vi kan bli mer säkra på att rekonstruera utdöda djur och därigenom lägga till ytterligare en dimension till studiet av evolution, säger Wogelius.
