Взгляд на эволюцию костей

Совместная группа палеонтологов впервые проанализировала костные структуры в окаменелостях морских обитателей возрастом 400 миллионов лет с беспрецедентно высоким разрешением и в 3D. Чтобы увидеть эти структуры, специалисты по томографии исследовали образцы под сфокусированным ионным пучком сканирующего электронного микроскопа для расчета трехмерных изображений на основе данных, достигая разрешения в нанометровом диапазоне с использованием технологии, которая изначально была разработана для изучения коррозии батарей.


Будь то рыба, или млекопитающее, у всех позвоночных есть внутренний костный скелет. Почти у всех позвоночных (за исключением некоторых костных рыб) состоит из сложного комплекса минералов, белков и живых костных клеток (остеоцитов), заключенных в костном матриксе. Костные связаны между собой крошечными каналами, так что они могут обмениваться веществами и электрохимическими сигналами, позволяя кости расти и регенерироваться. Тем не менее, эта сложная архитектура из живого и неорганического материала должна была возникнуть в какой-то момент в ходе эволюции. Команда Музея естествознания в Берлине во главе с доктором Флорианом Витцманном выясняет, как и когда это произошло. Теперь они обнаружили возможную веху в этом развитии.

Они исследовали окаменелые образцы костной брони двух ранних видов рыб, которые жили около 400 миллионов лет назад. Один образец был получен от Tremataspis mammillata, рыбы без , которая жила в позднем силурийском периоде около 423 миллионов лет назад и принадлежит к вымершей группе под названием Osteostraci. Второй, гораздо более молодой образец — это кусок кости рыбы Bothriolepis trautscholdi, которая жила в поздний девонский период около 380 миллионов лет назад и принадлежит к вымершим Placodermi, самой ранней группе челюстных рыб. «Уже было известно, что у этих ранних позвоночных были костные клетки, но мы мало знали о том, как эти клетки были связаны друг с другом, а также что-либо о детальной структуре лакуны или полостей, в которых находились костные клетки. — живое животное. Чтобы иметь возможность делать более точные выводы о метаболизме костей, нам нужно было иметь гораздо более подробные изображения этих структур, чем были доступны ранее », — говорит Вицманн.

Для этого эксперт HZB д-р Инго Манке предложил метод, который доступен в кампусе HZB в Ванзее в лаборатории электронной микроскопии: томография сфокусированного ионно-лучевого сканирующего электронного микроскопа (FIB-SEM) на ZEISS Crossbeam 340. В этом устройстве сфокусированный пучок ионов галлия непрерывно удаляет материал с поверхности образца, постепенно углубляясь в него. В то же время электронный луч сканирует только что обнаруженную часть образца и предоставляет данные для создания трехмерных изображений с разрешением, более чем в сто раз превосходящим компьютерную томографию.

Команда Манке уже использовала этот метод для изучения электродных материалов для батарей, которые имеют сеть тонких путей для переноса ионов. Физик HZB Маркус Озенберг ранее использовал сложную процедуру оценки, разработанную в лаборатории 3D Analytics HZB, чтобы вычислить изображение на основе данных измерений. Это специально обученная нейронная сеть, метод, заимствованный из машинного обучения, потому что изображения таких образцов не могут быть рассчитаны стандартными методами. «Из-за бесчисленных проходов через кость поверхность образца дырявая, как швейцарский сыр», — объясняет Озенберг, который защищает докторскую диссертацию в команде Манке. Однако после некоторой практики хорошо обученная нейронная сеть распознает, где проходит плоскость абляции и где находятся отверстия, и восстанавливает точное изображение аблированной поверхности. «Фактически, структуры в образцах костей относительно похожи на структуры в материалах электродов батарей. Но тот факт, что нейронная сеть, которая училась на материалах батарей, теперь может также отображать образцы ископаемых костей, так хорошо нас удивил, «- говорит Озенберг.

Даже в более старом образце бронированной рыбы без челюсти на трехмерных изображениях показана сложная сеть с полостями (лакунами) для костных клеток и крошечными каналами через кость, соединяющими эти полости. «Каналы в тысячу раз уже человеческого волоса, и все же, что удивительно, они почти полностью сохранились за эти 400 миллионов лет», — говорит Манке.

Тщательный анализ трехмерных изображений высокого разрешения подробно показывает, как была построена сеть из полостей (лакуны) и каналов между ними. «Это доказывает, что наши ранние предки, у которых еще не было челюсти, уже обладали костями, имеющими внутреннюю структуру, аналогичную нашей, и, вероятно, многие аналогичные физиологические возможности», — объясняет Витцманн. «Самым важным палеобиологическим открытием является то, что мы также можем обнаружить фактические метаболизма в этих самых ранних образцах костей», — говорит Яра Хариди, которая защищает докторскую диссертацию в Museum für Naturkunde Berlin. Благодаря локальному остеолизу, то есть растворению костного матрикса, окружающего костные клетки, организм, вероятно, смог покрыть свою потребность в фосфоре в периоды его дефицита. Это давало ему преимущество перед более примитивными современниками, у которых была бесклеточная кость, то есть кости которых не содержали остеоцитов. «Это преимущество, по-видимому, привело к широкому распространению костей с костными клетками у позвоночных, как мы знаем это и у людей. Это важный шаг к пониманию того, как возник наш собственный костный », — объясняет Хариди. Подводя итог, она подчеркивает: «Даже в ранних ископаемых костях костные клетки могли растворять и восстанавливать костные , это означает, что сами кости действуют как батареи, накапливая минералы и высвобождая их позже! Эта способность дала несомненное преимущество бесчелюстным рыбам с костями. клеток по сравнению с позвоночными без него. Это преимущество, возможно, было настолько значительным, что изменило эволюцию позвоночных, поскольку более поздние челюстные позвоночные сохранили костные клетки ».

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments