För några hundra tusen år sedan under jordens senaste istid, en köttig underart av fläckig hyena som var mer än dubbelt så stor som dess moderna släkting, vandrade runt i Eurasiens snöglasade terräng. Fram till deras utrotning omkring 11, 000 år sedan, dessa djur, nu känd som grotthyener, skulle släpa sina byten i hålor och sluka dem med benkrossande käkar.

Ett internationellt team som inkluderar forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har nu grävt fram hur livet kan ha sett ut för dessa enorma varelser. De upptäckte att trots sin enorma storlek, några grotthyenor upplevde tider av svårigheter som påverkade dem ända till benet, orsakar områden med hejdad tillväxt som visas som mörka linjer, som ringar på en trädstam.

Forskningen, ledd av Children's Museum of Indianapolis paleontolog Jennifer Anné och publicerad i Journal of Analytical Atomic Spectrometry , är en del av en större satsning som använder SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) för att kartlägga låg koncentration, eller spåra, element i benet, retas ut biologisk information om sedan länge utdöda djur.

"Detta jobb, som ger ny insikt i den känsliga kemiska baletten inom ben, kan tillåta oss att förfina vår förståelse av miljöpåverkan på ryggradsdjur från det förflutna och förutsäga vad som kommer att hända i framtiden, "säger Phil Manning, professor i naturhistoria vid University of Manchester i Storbritannien som är både medförfattare och chef för labbet som genomförde denna forskning.

En livshistoria i ben

För att hålla fast vid livsuppehållande kemiska grundämnen, kroppen införlivar dem i sitt skelett, se till att de inte läcker ut under vardagliga processer. Eftersom ben ständigt förändras, Att studera dem ger forskare en möjlighet att lära sig ett djurs livshistoria från när det först utvecklades till det som hände precis innan det dog.

"Ditt ben kan ta hälften av det periodiska systemet i sin struktur, " säger Anné. "Det är ett av de stora syftena med att ha ett skelett:det är ett viktigt förvarings- och frigöringsområde för ett antal element som du kommer att använda under ditt liv. I vår forskning, vi försöker ta reda på vad alla spårämnen i ben kan berätta om en organism."

I sin forskning, Anné undersöker benrester som andra forskare ofta slänger, vilket ger större provstorlekar och mer frihet med hur hon kan använda dem. hyenan, hon säger, kom upp som ett slumpmässigt urval och förvandlades till något lite större än hon förväntade sig.

Istidens bengård

På SSRL, forskarna använde en teknik som kallas röntgenfluorescens, lysande röntgenstrålar på grotthyenas benprover för att slå ut de innersta elektronerna ur materialens atomer. När yttre elektroner hoppar ner för att ta plats, atomerna utstrålar fluorescerande ljus. Eftersom varje kemiskt element har sin egen signaturvåglängd av ljus, denna teknik gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga fördelningen av grundämnen i benet. En liknande teknik som gjordes vid Diamond Light Source i Storbritannien gjorde det möjligt för dem att bättre bestämma koncentrationen av varje element.

Benfragmenten av den speciella grotthyenan som presenteras i denna tidning, daterad 40, 000 år gammal, hittades bland en bengård av olika istidsfossiler i en grotta i England. Forskarna använde också ben från dagens prickiga hyenor som analoger för att se till att det de såg var i linje med den moderna organismen och inte något som läckte in i fossilet från dess yttre miljö.

Inget att skratta åt

Ett av de element som forskarna kunde kartlägga var zink, som är nära knuten till bentillväxt. Cykliska bentillväxtmönster i fossiler var redan kända för paleontologer, observeras ofta som omväxlande zoner med långsamt och snabbt växande ben. Dessa zoner gör det möjligt för forskare att rekonstruera ålder, tillväxt, kost och andra livsstilsfaktorer för utdöda djur.

När ett djur har en konstant tillgång på näringsämnen och mineraler, bentillväxten pressar stadigt utåt, skapa porös, zinkrika zoner. Men när ett djurs ämnesomsättning saktar ner, kanske på grund av perioder av stress eller svält, det gör bentillväxten, skapa täta remsor, eller ben "vila" linjer. Paleontologer tror att dessa linjer motsvarar faktorer som alternerande årstider och reproduktionscykler.

När forskarna kartlade zinkfördelningen och koncentrationen i just denna hyena, de märkte tunna linjer som nästan såg ut som penna, betecknar områden med hejdad tillväxt. Moderna hyenaben och grotthyenafossiler från olika platser och tidsperioder visade inte dessa linjer, antyder att denna hyena upplevde stress som de andra inte gjorde.

"Ett djur som har att göra med istidsförhållanden kan uppleva några riktigt bra tider och några riktigt tuffa tider, säger Nick Edwards, en SLAC-forskare som är medförfattare och ingår i forskargruppen. "Vi är inte säkra ännu vad stressorerna är, men dessa rader visar åtminstone hur djuret handskas med dem."

Förbinder sedan länge svunna arter

För att följa upp denna forskning, Anné hoppas kunna tillämpa det hon har lärt sig på olika vävnadstyper i olika arter, både moderna och utdöda, för att nå en bättre förståelse av ben och vad det kan berätta för forskare om en organism. En nyligen genomförd uppgradering av SSRL-strållinjen som används i denna forskning kommer att göra det möjligt för teamet att förbättra sina bilder, mäta hela spektret av spårelement med högre upplösning och zooma in på intressanta områden utan att ens behöva flytta provet.

Den aktuella studien är en del av en serie forskningsartiklar från teamet som använder den SLAC-baserade tekniken. En tittade på fossiler av en 150 miljoner år gammal dinosaurie kallad Allosaurus och en annan tittade på en 19 miljoner år gammal manatee.

"Tillsammans visar dessa papper vilka spårämnen som kan avslöja om gamla arter under en tid på mer än 100 miljoner år, säger Uwe Bergmann, en framstående SLAC-forskare vid SLAC och medförfattare till forskningen. "Vi hoppas att det vi har lärt oss kommer att tillåta oss att ta oss ännu längre tillbaka i tiden in i livet för andra utdöda djur."