Lasertechnologie entschlüsselt „Rosetta Stone“-Fossilien und liefert Hinweise auf frühes Leben

Loron et al.

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Im Herzen von Aberdeenshire, Schottland, in der Nähe des ruhigen Dorfes Rhynie, liegt ein weltberühmtes fossiles Ökosystem, das seit seiner Entdeckung im Jahr 1912 Wissenschaftler fasziniert.

Der Rhynie-Hornstein ist in der undurchdringlichen Umarmung von Hornstein, einem gehärteten Gestein aus Kieselsäure, erhalten und bietet ein Fenster in die Vergangenheit, die aus der frühen Devon-Zeit vor etwa 407 Millionen Jahren (ma) stammt. Dieser bemerkenswerte geologische Schatz spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufklärung der Geheimnisse des Lebens auf der Erde.

Jetzt hat sich ein Forscherteam mit modernsten zerstörungsfreien Bildgebungstechniken, fortschrittlicher Datenanalyse und der Leistungsfähigkeit des maschinellen Lernens an eine bahnbrechende Erkundung der Fossiliensammlungen der National Museums Scotland und der Universitäten von Schottland gemacht Aberdeen und Oxford.

Durch ihren innovativen Ansatz haben Wissenschaftler der Universität Edinburgh beispiellose Einblicke in den Rhynie-Hornstein gewonnen, die unser Verständnis selbst der am schlechtesten erhaltenen Proben revolutionieren könnten.

Interesting Engineering (IE) war neugierig darauf, die Auswirkungen dieser Forschung auf unser Verständnis der antiken Welt weiter zu untersuchen und kontaktierte Dr. Corentin Loron, einen der Hauptautoren der Studie.

„Bei den hier untersuchten Fossilien handelt es sich um Exemplare von Pflanzen, Pilzen (das Reich, das Pilze, Hefen und Schimmelpilze umfasst), Bakterien und Tieren aus dem ca. 400 Millionen Jahre alten Rhynie-Hornstein, einer Fossilienfundstelle in Aberdeenshire, Schottland, die seit langem bekannt ist seine außergewöhnliche Fülle an Fossilien“, beschrieb Loron gegenüber IE.

Sie erklärte, dass die Fossilien von einer Kieselsäurematrix – einem sehr harten Mineral – umgeben seien, was dafür gesorgt habe, dass sie sowohl morphologisch als auch, wie ihre Studie ergab, auch molekular „makellos erhalten“ seien.

„Die Rhynie-Hornstein-Ansammlung ist von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung der Entwicklung des Lebens auf den Kontinenten, da sie viele der frühen eindeutigen Beispiele einiger biologischer Abstammungslinien enthält“, sagte sie.

Auf diese Weise, erklärte sie, eignet sich die Rhynie-Hornstein-Ansammlung als starke Positivkontrolle für die Untersuchung molekularer Signale in Fossilien, da das Signal mit dem Organismus verglichen werden kann, dem es entspricht.

„In gewisser Weise liefert es einen Schlüssel zum Verständnis kryptischerer oder mehrdeutiger Signale innerhalb der Ansammlung oder früher in der Zeit, so wie es der Rosetta-Stein für die Hieroglyphen ermöglichte“, stellte sie klar.

Die Fossilien wurden mittels FTIR-Spektroskopie analysiert, was für Fourier Transform InfraRed steht. „Bei dieser Technik werden die Proben mit einem Infrarotlaser beschossen, der durch das Fossilmaterial dringt und die Bindungen zwischen Atomen anregt“, erklärte Loron.

Keshavana/Wikimedia Commons

Vereinfacht ausgedrückt verwendet die FTIR-Spektroskopie Licht, um die Moleküle in einer Probe zu identifizieren; Es hilft Wissenschaftlern zu verstehen, woraus die Probe besteht.

Dabei wird Infrarotlicht auf eine Probe gestrahlt und die Wellenlängen des von den Molekülen in der Probe absorbierten Lichts gemessen.

Jeder Molekültyp hat ein einzigartiges Absorptionsmuster, ähnlich einem Fingerabdruck, das das Instrument erkennen kann. Das Instrument erfasst die Intensität des absorbierten Lichts verschiedener Wellenlängen und wandelt sie in ein Spektrum um.

„Diese Bindungen werden je nach Art (z. B. einer Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen oder zwischen einem Kohlenstoff und einem Sauerstoff) und ihrer chemischen Funktionsgruppe mit unterschiedlichen Frequenzen schwingen“, sagte Loron gegenüber IE.

„Das Ergebnis wird ein Spektrum sein, das die chemische Zusammensetzung unseres Materials zeigt, das wir nutzen können, um seine molekulare Struktur zu rekonstruieren und zu verstehen“, fügte sie hinzu. Mit anderen Worten: Durch den Vergleich dieses Spektrums mit bekannten Spektren verschiedener Moleküle können Wissenschaftler das Vorhandensein bestimmter Verbindungen identifizieren oder die chemische Struktur einer Substanz analysieren.

„Ein Ansatz, den wir zur Analyse dieser Spektren verwendet haben, ist ein Ansatz des maschinellen Lernens, bei dem es sich lediglich um einen überwachten statistischen Ansatz handelt“, sagte sie.

„Zum Beispiel bringen wir der Maschine bei, das Spektrum eines Fossils Datensatz.“

Sie enthüllte, dass die Maschine bei ihrer Forschung erfolgreich zwischen fossilen Eukaryoten (einschließlich Pilzen, Pflanzen und Tieren) und Prokaryoten (Bakterien) unterscheiden konnte.

Insbesondere wurde dieser Ansatz dann verwendet, um zuvor rätselhafte Organismen im Rhynie-Ökosystem zu identifizieren, darunter zwei Exemplare eines mysteriösen Röhrenorganismus, der als „Nematophyt“ bekannt ist.

Loron et al.

Diese besonderen Lebensformen, die in Sedimenten des Devon (419 Millionen Jahre) und später des Silurs (443 Millionen Jahre) entdeckt wurden, weisen Merkmale sowohl von Algen als auch von Pilzen auf, was ihre Klassifizierung schwierig macht. Die jüngsten Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass es sich wahrscheinlich weder um Flechten noch um Pilze handelt.

„Nematophyten stellen eine „Korb“-Gruppe dar, die mehrere Fossilien umfasst, deren biologische Affinität unklar ist. Sie könnten beispielsweise Teile einer Pflanze, von Bakterien oder Pilzen sein“, erklärte Loron.

„Die Proben, die wir in unserer Arbeit untersucht haben, besitzen einen molekularen Fingerabdruck, dem die Merkmale fehlen, die für Pilzfingerabdrücke charakteristisch sind. Daher kommen wir zu dem Schluss, dass sie in ihrer molekularen Zusammensetzung höchstwahrscheinlich etwas darstellen, das Pflanzen näher kommt.“

Sie behauptete, dass dies zwar eine wichtige Erkenntnis für Wissenschaftler sei, die den Rhynie-Hornstein untersuchen, seine Bedeutung aber darüber hinausgeht. Es bestätigt vor allem die Wirksamkeit ihres Ansatzes bei der Analyse von Fossilien mit ungewisser biologischer Herkunft, hier und an anderen Orten.

„Wir haben gezeigt, wie eine schnelle, nicht-invasive Methode verwendet werden kann, um zwischen verschiedenen Lebensformen zu unterscheiden“, betonte Co-Hauptautor Dr. Sean McMahon von der School of Physics and Astronomy und der School of GeoSciences der University of Edinburgh in einer früheren Veröffentlichung freigeben.

Loron enthüllte auch, dass das überraschendste Ergebnis dieser Forschung die Ergebnisse der statistischen Analysen seien.

„Es ist beeindruckend zu sehen, dass die Fossilien trotz ihres Alters, des Fossilisierungsprozesses und des überwältigenden Einflusses der Mineralien auf das mit unserem Instrument aufgezeichnete Signal immer noch einen molekularen Fingerabdruck ihrer früheren Zusammensetzung behalten haben, der erfasst und untersucht werden kann.“ Sie sagte.

In diesem Zusammenhang kann man vielleicht mit Fug und Recht sagen, dass die molekularen Informationen in den Fossilien den Zahn der Zeit überstanden haben und einen einzigartigen Einblick in die Vergangenheit bieten.

Auf die Frage, was das Team dazu inspiriert hat, diese Studie durchzuführen, war die Antwort von Dr. Loron glasklar:

„Die Motivation unseres Teams besteht darin, zu verstehen, wie sich das Leben auf der Erde entwickelt hat, zunächst von der Einzellerform zur Vielzellerform – und später auch, wie sich das Leben von den Ozeanen auf die Kontinente entwickelt hat.“

„Die Erforschung früher Lebensformen liefert nicht nur wunderbare Einblicke in unser eigenes biologisches Erbe, sondern gibt uns auch Schlüssel zum Verständnis, wie der Prozess des Lebens auf der Erde, aber möglicherweise auch anderswo in unserem Universum entstehen und gedeihen kann“, betonte sie.

Sie räumte ein, dass das Team ähnlich wie bei vielen paläontologischen Studien aufgrund der erheblichen Veränderungen, die die Fossilien im Vergleich zu ihren ursprünglichen, lebenden Organismen durchlaufen haben, bei ihren Interpretationen mit Einschränkungen konfrontiert ist.

„Da DNA in so alten Fossilien nicht erhalten bleiben kann, können wir unsere Schlussfolgerungen nur auf widerspenstigen morphologischen und molekularen Merkmalen stützen, was die Schlussfolgerungen einschränken und verzerren kann“, sagte sie.

Allerdings argumentierte sie auch, dass diese Vorurteile überwunden werden könnten, wenn man den geologischen Kontext verstehe, in dem sich die Fossilien gebildet hätten.

„Die nächsten Schritte werden neben der Fortsetzung unserer Untersuchungen dieser wunderbaren Fossilienfundstelle darin bestehen, unseren Ansatz auf ältere Ansammlungen auszuweiten, beispielsweise im Präkambrium, der Zeit vor 540 Millionen Jahren, um den molekularen Code der frühesten Spuren zu knacken.“ des komplexen Lebens auf der Erde“, schloss Loron.