كعالم، يمكن أن يصبح العمل المخبري رتيبًا في بعض الأحيان. لكن في عام 2017، أثناء حصوله على درجة الدكتوراه. عندما كنت طالبًا في علم الأحياء القديمة في جامعة بريستول في المملكة المتحدة، سمعت تعجبًا مبهجًا من جميع أنحاء الغرفة. كانت كيرستي بنكمان، رئيسة مختبر سباق الأحماض الأمينية في شمال شرق جامعة يورك، قد قرأت للتو البيانات المطبوعة من المخطط اللوني وكانت تقفز عمليًا لأعلى ولأسفل.
وقد اكتشفت الأداة بصمات واضحة للأحماض الأمينية القديمة في قشر البيض. الأحماض الأمينية هي اللبنات الأساسية التي تشكل تسلسلات البروتين في الكائنات الحية. لكن هذا لم يكن مجرد قشر بيض؛ لقد كانت أحفورة من تيتانوصور، وهو ديناصور عاشب عملاق عاش قبل حوالي 70 مليون سنة.
لا يبقى الكثير من المواد العضوية على قيد الحياة على مدى ملايين السنين، مما يحد من قدرة العلماء على دراسة بيولوجيا الكائنات المنقرضة مقارنة بالكائنات الحديثة التي يمكن تسلسل بروتيناتها وحمضها النووي. وكما أشار حماس بنكمان، كانت هذه الأحماض الأمينية غير عادية.
في الواقع، جاءت هذه النتيجة بشكل غير متوقع وسط جهود فريقنا لاختبار ادعاءات الحفاظ على البروتين شبه البكر في عظام الديناصورات. لقد أحضرت العديد من العظام الأحفورية إلى بنكمان، لكن النتائج أشارت إلى أنه لم يتم الحفاظ على أي أحماض أمينية أصلية، بل إنها ملوثة بميكروبات من البيئة التي دفنت فيها.
اختبار حفريات قشر البيض لم يكن حتى في خطتنا البحثية الأصلية.
شظايا الأحفوري اليتيمة
ومع ذلك، كنت قد رأيت للتو أن زميلتي بياتريس ديمارشي وبنكمان وفريقهما قد اكتشفوا تسلسلات بروتينية قصيرة في قشر بيض طائر عمره 3.8 مليون سنة. لقد توقعت أنه إذا لم تحافظ قشر بيض الديناصورات على أي بروتينات أصلية، فإن عظامها على الأرجح لن تحافظ على أي منها أيضًا، وأردت معرفة ما إذا كان هذا هو الحال. لحسن الحظ، كان لدينا مصدر لقشر بيض الديناصورات.
في حوالي عام 2000، تم تصدير العديد من أجزاء قشر البيض بشكل غير قانوني من الأرجنتين إلى السوق التجارية. وباعتباري طفلاً مهووسًا بالحفريات، فقد حصلت على قطعة بحجم عملة معدنية من أحد متاجر المعادن في الولايات المتحدة. قمت أنا وبنكمان باختبار تلك القطعة، بالإضافة إلى قطعة أخرى من متجر هدايا أحد المتاحف الأوروبية.
اكتسبت هذه الأجزاء الأحفورية قيمة علمية في بعض النواحي لأنها لا تنتمي إلى أي مجموعات متحفية. لم يكن لدينا ما يدعو للقلق بشأن إتلافها أثناء التحليل. ولدهشتنا، عثرنا على فرصة نادرة لدراسة البقايا العضوية القديمة لديناصورات.
الأحماض الأمينية الموجودة في قشر البيض
مدفوعًا بهذا الاكتشاف الأولي، قام فريقنا الدولي الكبير بتحليل المزيد من قشر بيض الديناصورات من الأرجنتين وإسبانيا والصين، باستخدام مجموعة واسعة من التقنيات. على الرغم من أن بعض قشور البيض حافظت على الأحماض الأمينية بشكل أفضل بكثير من غيرها، إلا أن الأدلة الشاملة تشير إلى أن هذه الجزيئات كانت قديمة ومبتكرة، وربما يتراوح عمرها بين 66 مليون إلى 86 مليون سنة.
خلال الحياة، أصبحت البروتينات التي ساعدت على تكلس قشر البيض محاصرة داخل البلورات المعدنية. ومع ذلك، فإن الأحماض الأمينية المتبقية التي اكتشفناها كانت تتألف من جزيئات حرة انفصلت عن سلاسلها البروتينية عن طريق التفاعل مع الماء. لقد اكتشفنا فقط عددًا قليلًا من الأحماض الأمينية الأكثر استقرارًا. وكانت الكائنات الأقل استقرارًا غائبة، لأنها تدهورت بعيدًا.
والأحماض الأمينية التي لا تزال محفوظة هي ما يسميه الكيميائيون راسيمي. يمكن أن توجد الأحماض الأمينية في تكوينات يسارية أو يمينية. تنظم الكائنات الحية أحماضها الأمينية بحيث تظهر بشكل شبه حصري في التكوين الأيسر. بعد موت الكائن الحي، يمكن للأحماض الأمينية أن تتحول بين اليدين حتى تصل إلى 50-50 خليطًا من كلا التكوينين.
يُعرف المزيج 50-50 بالراسيمي ويشير إلى أن الأحماض الأمينية قد انفصلت عن سلاسل البروتين الخاصة بها منذ فترة طويلة جدًا.
الكالسيت، أرشيف الأحماض الأمينية
أظهرت نتائج قشر بيض الديناصورات لدينا تدهورًا أكثر شدة مما رأيناه في الحفريات الأصغر سنًا لقشر بيض الطيور وقشرة الرخويات. تطابقت نتائجنا أيضًا مع نتائج التجارب التي تم فيها تعريض قشر البيض للحرارة في المختبر، ومحاكاة التحلل على مدى آلاف أو ملايين السنين.
وتعزز الكائنات الحية هذه الأصداف بنوع من معدن كربونات الكالسيوم يسمى الكالسيت. على عكس فوسفات الكالسيوم الذي يشكل العظام، يمكن للكالسيت أن يعمل كنظام مغلق عن طريق محاصرة منتجات البروتينات المشاركة في التكلس أثناء تحللها، بما في ذلك الأحماض الأمينية الحرة المنفصلة عن تسلسلات البروتين. سمح لنا هذا النظام المغلق بمراقبة الأحماض الأمينية في تحليلاتنا.
يعد قشر بيض الطيور من بين أفضل المواد للعثور على تسلسلات البروتين المحفوظة في الحفريات، ناهيك عن الأحماض الأمينية الحرة. اكتشف فريق ديمارشي تسلسلات قصيرة وسليمة من الأحماض الأمينية التي لا تزال مرتبطة بسلسلة من قشر بيض الطيور عمرها 6.5 مليون سنة على الأقل.
ادعى باحثون آخرون أنهم عثروا على المزيد من الأحماض الأمينية القديمة، بالإضافة إلى ادعاءات أكثر تطرفًا وأقل احتمالًا بشأن تسلسلات البروتين المحفوظة. لكن دراستنا تستخدم نطاقًا أوسع من الأساليب وتقدم أفضل إشارة للجزيئات المستقرة في الأنسجة التي نعلم الآن أنها تحافظ على الجزيئات جيدًا.
قد تحمل الأحماض الأمينية لديناصورات لدينا الرقم القياسي لأقدم مادة مرتبطة بالبروتين تم العثور عليها حتى الآن، والتي يوجد بها دليل قوي جدًا، وأول دليل واضح من ديناصور الدهر الوسيط.
استخدام الكالسيت للنظر إلى الوراء في الوقت المناسب
يوفر التسلسل الجيني في الحمض النووي، والذي يتم التعبير عنه في النهاية بالبروتينات، شفرة المصدر للكائنات الحية التي يمكن للعلماء دراستها. ولكن إذا تم الحفاظ على مجموعة فرعية فقط من الأحماض الأمينية في الحفرية، فإن الأمر يشبه إزالة جميع الأحرف باستثناء خمسة من كتاب – ولا يمكن إجراء سوى القليل من التحليل الأدبي. إذًا، ما هي الرسائل من الحياة القديمة التي قد تبقى موجودة في كبسولات الكالسيت الزمنية هذه؟
قد تتضمن إحدى الإشارات المفيدة بيولوجيًا نظائر مستقرة، وهي ذرات لنفس العنصر بكتل مختلفة. ويمكن للعلماء النظر إلى نسب النظائر المستقرة للكربون أو الأكسجين أو النيتروجين للتعرف على مصدرها، مثل النظام الغذائي للحيوان. نظرًا لأن الكالسيت في قشر البيض عبارة عن نظام مغلق، فمن المرجح أن تأتي نسب النظائر المستقرة في أحماضها الأمينية مباشرة من الديناصورات، وليس من التلوث الخارجي.
وفي الأبحاث المستقبلية، سيستخدم فريقنا الحفريات للبحث في وقت أبعد. قامت كائنات أخرى غير الديناصورات التي تضع البيض بتعزيز أنسجتها بالكالسيت. على سبيل المثال، كانت المفصليات البحرية التي تسمى ثلاثية الفصوص والتي عاشت قبل أكثر من نصف مليار سنة تحتوي على الكالسيت في أعينها.
يمكن أن تساعد دراسة البقايا القديمة العلماء على فهم التغيرات الجزيئية التي تحدث في الحفريات على مدى فترات طويلة من الزمن. قد ترسل أحفورة الكالسيت، وهي الكبسولة الزمنية الجزيئية للأرض، حكايات باهتة من حياة قديمة للباحثين لفهم بيولوجيتها بشكل أفضل.
قشر البيض اليتيم الذي استخدمناه في تحليلنا الأولي وجد نهاية سعيدة. حصلوا في النهاية على منزل جديد في متحف باتاغونيكو دي سينسياس الطبيعي في الأرجنتين، وهو متحف للعلوم الطبيعية في باتاغونيا، وتم إعادتهم إلى المقاطعة الوحيدة المعروفة بإنتاج هذا النوع من البنية المجهرية لقشر البيض.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: إيفان توماس سايتا، جامعة شيكاغو
اقرأ أكثر:
تم دعم هذا البحث من قبل صندوق جامعة بريستول بوب سافاج التذكاري وصندوق ليفرهولم (PLP-2012-116).