Zaskakujące cząsteczki dinozaurów

Dinozaury – badania DNA

Naukowcy niedawno oznajmili, że za pomocą chemicznych markerów odnaleźli ślady DNA w skamieniałościach dinozaurów¹. Stwierdzenie to doprowadziło do fali kontrowersji, ponieważ przyjmuje się, że pozostałości dinozaurów mają miliony lat ­­­­­– zbyt wiele, by struktura tak delikatna jak DNA mogła przetrwać. W skamielinach znaleziono jednak nie tylko DNA, ale także różne starożytne cząsteczki biologiczne, co rodzi pytanie: jak to jest możliwe? Niniejszy artykuł wskazuje kilka odpowiedzi.

Czym są starożytne cząsteczki?

Starożytne cząsteczki biologiczne są organicznymi cząsteczkami, które zachowały swój pierwotny, biochemiczny stan po śmierci organizmu². Zalicza się do nich lipidy, białka i DNA (cząsteczka będąca nośnikiem informacji genetycznej). Kiedy organizmy umierają, komórki ulegają rozpadowi, głównie z powodu działania enzymów i innych związków chemicznych w komórce. Bakterie również przyczyniają się do rozpadu tkanek i ich składników molekularnych. Tempo rozpadu zależy od rodzaju cząsteczki organicznej oraz fizyczno-chemicznych czynników, takich jak na przykład wilgotność, tlen, temperatura, kwasowość (pH), a także wpływ promieniotwórczości. Ogólnie rzecz biorąc, rozpad następuje szybciej, kiedy cząsteczka jest wystawiona na działanie wody i tlenu, zwykle obficie występujących w środowisku. W optymalnych warunkach oczekuje się, że niektóre cząsteczki organiczne przetrwają dziesiątki tysięcy lat w materiałach takich jak kości, drewno i bakterie, ale ostatecznie wiązania chemiczne, które utrzymują atomy razem, stają się niestabilne, a lipidy, białka i DNA ulegają całkowitemu rozpadowi.

Lipidy z podwójnymi wiązaniami (C = C) mają tendencję do szybkiego rozpadu i jełczenia. Białka zwykle są szybko niszczone przez drobnoustroje (bakterie i grzyby), hydrolizę (rozbicie w wyniku działania wody), niskie pH (wysoką kwasowość) i denaturację w wysokich temperaturach. DNA staje się niestabilną cząsteczką pod wpływem zwykłego działania wody i powietrza. W takim stanie rzeczy nie zakładano możliwości zachowania się cząsteczek organicznych w kości, muszli lub kawałku drewna sprzed wielu milionów lat.

Fakt zachowania się wysoce degradowalnych białek i DNA w skamielinach pochodzących rzekomo sprzed dziesięciu, a nawet setek milionów lat wykracza poza to, co wielu naukowców jest w stanie sobie wyobrazić lub wyjaśnić

W ostatnich latach pojawiło się jednakże kilka doniesień o wykryciu biocząsteczek w skamielinach. Nienasycone tłuszcze zostały znalezione w stanie nienaruszonym w starożytnych kościach i innych skamieniałościach, pochodzących przypuszczalnie sprzed setek milionów lat wedle ram czasowych aktualizmu geologicznego³. Opublikowano wiele raportów o starożytnych białkach mających przypuszczalnie do 160 milionów lat. Są to na przykład kolagen (najczęściej), czy też osteokalcyna w próbkach kręgowców oraz albumina⁴. Starożytne cząsteczki odnalezione w skamieniałościach wywołały kontrowersje dotyczące tego, jak długo biocząsteczka może przetrwać w przyrodzie.

Twierdzenia dotyczące starożytnego DNA są szczególnie interesujące, ponieważ jeśli są uzasadnione, mogą otworzyć możliwość porównania sekwencji DNA różnych wymarłych typów organizmów. Konwencjonalny pogląd na kruchość cząsteczki DNA doprowadził jednakże wielu naukowców do przyjęcia wszelkich twierdzeń dotyczących skamieniałego DNA z dużą dozą sceptycyzmu. Niedawny raport⁵ wzbudził więcej kontrowersji przez doniesienia o znalezieniu chemicznych markerów DNA w zwapnionej chrząstce z kości dinozaura zwanego Hipakrozaurem, żyjącego w okresie kredowym.

Hipakrozaur

Hipakrozaur należy do grupy dinozaurów kaczodziobych, które potrafiły chodzić na dwóch lub czterech nogach i były roślinożerne. Dinozaur ten był prawie tak duży jak słynny T-rex. Osiągał wysokość około 30 stóp (9 metrów) i szacunkową wagę podobną do słonia indyjskiego (4 tony, 8000-9000 funtów). Skupisko osobników, w tym dorosłych, młodych i dziesiątek piskląt, zostało odkryte w formacji Two Medicine Formation w Montanie w latach 80. Kości użyte do tego badania pochodziły z czaszek dwóch piskląt.

W miarę rozwoju czaszki chrząstka zastępowana jest tkanką kostną. Wzrost następuje w miejscu łączenia się chrząstki z tkanką kostną, gdzie komórki aktywnie dzielą się, zaś chrząstkę zastępuje tkanka kostna. Ten obszar wzrostu kości był miejscem, w którym we wspomnianym badaniu znaleziono markery chemiczne DNA. Badanie mikroskopowe wykazało coś, co wydawało się być strukturą komórkową, z ciemnymi centrami sugerującymi możliwą obecność jądra. Dalsze badania potwierdziły obecność białka kolagenu i struktur podobnych do chromosomów z chemicznymi markerami DNA. Nie jest do końca jasne, jaki jest stan zachowanego DNA, ale materiał reaguje na testy chemiczne specyficzne dla DNA.

DNA zostało odnalezione w wielu skamieniałych kościach⁶ i roślinach⁷, jednak społeczność naukowa witała większość takich doniesień ze sceptycyzmem. Zanieczyszczenie współczesnym DNA stanowi główny problem w badaniach tego typu⁸, jednakże zaprzeczanie wiarygodności skamieniałego DNA staje się coraz trudniejsze, ponieważ naukowcy odpowiedzieli na wyzwania związane z takimi wnioskami, udoskonalając swoje metody i ustanawiając niezwykle rygorystyczne protokoły eksperymentalne.

Dinozaury – dalsze badania i wnioski

Z badań nad współczesnym DNA wydaje się wynikać jasno, że nie powinno ono przetrwać tak długo, by mogło pozostać w skamieniałościach dinozaurów. DNA, jak wszystkie biocząsteczki, ulega rozpadowi pod wpływem wody i wysokich temperatur. Cząsteczki radioaktywne również mogą uszkodzić wiązania chemiczne. Trudno sobie wyobrazić kość osadzoną w glebie lub skałach osadowych przez dziesiątki milionów lat bez narażenia jej DNA na działanie wody i wysokich temperatur. Biorąc pod uwagę powyższe rozważania, nie jest zaskoczeniem, że wielu naukowców początkowo nie chciało uwierzyć w doniesienia o obecności biocząsteczek w szczątkach dinozaurów, skoro uważa się, że wszystkie skamieliny mają ponad 65 milionów lat.

Nadal istnieje pewien sprzeciw wobec niektórych z tych twierdzeń⁹, lecz większość badaczy zaakceptowała fakt, iż starożytne cząsteczki biologiczne rzeczywiście znajdują się w skamielinach ze wszystkich części kolumny geologicznej, co poskutkowało poszukiwaniem mechanizmów ich konserwacji¹⁰. Jednak sam fakt zachowania się wysoce degradowalnych białek i DNA w skamielinach pochodzących rzekomo sprzed dziesięciu, a nawet setek milionów lat wykracza poza to, co wielu naukowców jest w stanie sobie wyobrazić lub wyjaśnić. Przetrwanie tych biocząsteczek przez kilka tysięcy lat wydaje się bardziej realne niż ich zachowanie się w materiale sprzed wielu milionów lat.

Przypisy

1. Bailleue, A.M., Zheng, W., Horner, J.R., Hall, B.K., Holliday, C.M., Schweitzer, M.H. 2020. Evidence of proteins, chromosomes and chemical markers of DNA in exceptionally preserved dinosaur cartilage. National Science Review0:1-8, Doi:10.1093/nsr/nwz206.
2. Briggs, D.E. and Summons, R.E. 2014. Ancient biomolecules, their origins, fossilization, and role in revealing the history of life. Bioessays36:482490. https://doi.org/10.1002/bies.201400010
3. Bobrovskiy, I., Hope, J.M., Ivantsov, A., Nettersheim, B.J., Hallmann, C., Brocks, J.J. 2018. Ancient steroids establish the Ediacaran fossil Dickinsoniaas one of the earliest animals. Science 361:1246.
4. Yao-Chang Lee, 8 authors, & R.R. Reisz. 2017. Evidence of preserved collagen in an Early Jurassic sauropodomorph dinosaur revealed by synchrotron FTIR microspectroscopy. Nature Communications8:14220; doi: 10.1038/ncomms14220.; Schweitzer, MH, et al. 2007. Analyses of soft tissue from Tyrannosaurus rex suggest the presence of protein. Science 316:277-289.; Schweitzer, M.H. et al. 2009. Biomolecular characterization and protein sequences of the Campanian hadrosaur B. canadensis. Science 324:626-631.; Cleland TP, 12 authors, M.H. Schweitzer. 2015.  Mass spectrometry and antibody-based characterization of blood vessels from Brachylophosaurus canadensis. J. Proteome Res. 2015, 14, 12, 5252-5262. https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.5b00675
5. Bailleue, A.M., Zheng, W., Horner, J.R., Hall, B.K., Holliday, C.M., Schweitzer, M.H. 2020. Evidence of proteins, chromosomes and chemical markers of DNA in exceptionally preserved dinosaur cartilage. National Science Review0:1-8, 2020. Doi:10.1093/nsr/nwz206.
6. Woodward, S.R., Weyand, N.J., Bunnell, M. 1994. DNA sequences from Cretaceous period bone fragments. Nature266:1229-1230. Jain, S., Rai, N., Kumar, G., Pruthi, P.A., Thangaraj, K., Bajpai, S., V :Pruthi. 2017. Ancient DNA reveals Late Pleistocene existence of ostriches in Indian subcontinent. PLoS One; doi: 10.1371/journal.pone.0164823.
7. Golenberg, E.M., Giannasi, D.E., Clegg, M.T., Smiley, C.J., Durbin, M., Henderson, D., Zurawski, G. 1990. Chloroplast DNA sequence from a Miocene Magnoliaspecies. Nature 344:656-658.; Kim, S., Soltis, D.E., Soltis, P.S., Suh, Y. 2004. DNA sequences from Miocene fossils: an ndhF sequence of Magnolia latahensis (Magnoliaceae) and an rbcL sequence of Persea pseudocarolinensis (Lauraceae). American Journal of Botany 91:615-620. Bomfleur, B., McLoughlin, S., Vaida, V. 2014. Fossilized nuclei and chromosomes reveal 180 million years of genomic stasis in royal ferns. Science 343:1376-1377. Doi: 10.1126/science.1249884.
8. Paabo, W., Wilson, A.C. 1991. Miocene DNA sequence – a dream come true? Current Biology1991 Feb, 1(1):45-46. Doi:10.1016/0960-9822(91)980125-g; Korlevic, P., Gerber T., Gansauge, M-T, Hajdinjak,. M, Nagel, S., Aximu-Petri, A., Meyer, M. 2015. Reducing microbial and human contamination in DNA extractions from ancient bones and teeth. Bio-Techniques 58:87-93 (August 2015) doi 10.2144/000114320; Saitta ET et al. 2019. Cretaceous dinosaur bone contains recent organic material and provides an environment conducive to microbial communities. eLife 2019;8:e46205. Doi: https://doi.org/10.7554/eLife.46205.
9. Benton, M.J., 2020. Has dinosaur DNA been found? An expert explains what we really know. The Conversation, March 5, 2020.  Downloaded April 6, 2020 from https://theconversation.com/us/topics/jurassic-park-17869.
10. Schweitzer, M.H. et al. 2013. A role for iron and oxygen chemistry in preserving soft tissues, cells and molecules from deep time. Proceedings Royal Society B281:20132741. http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2013.2741.; Boatman, E.M., Goodwin, M.B., Holman, R-YN, Fakra, S., Zheng, W., Gronsky, R., Schweitzer, M.H. 2019. Mechanisms of soft tissue and protein preservation in Tyrannosaurus rex. Scientific Reports 9:15678, doi: 10.1038/s41598-019-51680-1.