Взгляд в эволюцию костей

Международная группа палеонтологов впервые проанализировала структуры костей в 400-миллионолетних окаменелостях морских организмов с беспрецедентно высоким разрешением и в 3D. Для визуализации этих структур эксперты по томографии из Центра Гельмгольца в Берлине (HZB) исследовали образцы сфокусированным ионным пучком в растровом электронном микроскопе, чтобы рассчитать 3D-изображения из данных, достигнув разрешения в нанометровом диапазоне с помощью технологии, изначально разработанной для изучения коррозии батарей.

Все позвоночные имеют внутренний скелет из костей. Почти у всех позвоночных кость состоит из сложного композита минералов, белков и живых костных клеток (остеоцитов), заключённых в костном матриксе. Клетки соединены крошечными каналами для обмена веществами и электрохимическими сигналами, что позволяет кости расти и регенерировать. Команда Музея естествознания в Берлине под руководством доктора Флориана Витцмана исследует, как и когда возникла эта сложная архитектура. Теперь они обнаружили возможную веху в этом развитии.

Были исследованы окаменелые образцы костного панциря двух ранних видов рыб, живших около 400 миллионов лет назад. Один образец принадлежал Tremataspis mammillata — бесчелюстной рыбе, жившей в позднем силурийском периоде около 423 млн лет назад и относящейся к вымершей группе Osteostraci. Второй, более молодой образец — фрагмент кости рыбы Bothriolepis trautscholdi, жившей в позднем девонском периоде около 380 млн лет назад и принадлежавшей к вымершим Placodermi, самой ранней группе челюстноротых рыб.

Для получения детальных изображений структур эксперт HZB доктор Инго Манке предложил метод, доступный в лаборатории электронной микроскопии: томографию с использованием сфокусированного ионного пучка в растровом электронном микроскопе (FIB-SEM) на установке ZEISS Crossbeam 340. В этом устройстве сфокусированный пучок ионов галлия непрерывно удаляет материал с поверхности образца, постепенно углубляясь, в то время как электронный пучок сканирует вновь открывшуюся часть образца, предоставляя данные для создания 3D-изображений с разрешением, более чем в сто раз превышающим компьютерную томографию.

Физик HZB Маркус Озенберг использовал сложную процедуру оценки, разработанную в лаборатории 3D Analytics Lab HZB, для расчёта изображения из данных измерений. Это специально обученная нейронная сеть, метод, заимствованный из машинного обучения, поскольку изображения такого типа образцов невозможно рассчитать стандартными методами. «Нейронная сеть, обученная на материалах батарей, так хорошо визуализирует и ископаемые костные образцы, удивила нас», — говорит Озенберг.

Даже в более старом образце бесчелюстной панцирной рыбы 3D-изображения показывают сложную сеть с полостями (лакунами) для костных клеток и крошечными каналами, соединяющими эти полости через кость. «Каналы в тысячу раз уже человеческого волоса, и, что удивительно, они почти полностью сохранились за эти 400 миллионов лет», — говорит Манке.

Тщательный анализ высокодетальных 3D-изображений показывает, как была устроена сеть из полостей и каналов между ними. «Это доказывает, что у наших ранних, ещё бесчелюстных предков уже были кости, характеризующиеся внутренней структурой, подобной нашей, и, вероятно, многими схожими физиологическими возможностями», — объясняет Витцман.

«Самое важное палеобиологическое открытие заключается в том, что мы также можем обнаружить фактические следы метаболизма в этих древнейших костных образцах», — говорит Яра Хариди, аспирант Музея естествознания в Берлине. Посредством локального остеолиза, то есть растворения костного матрикса, окружавшего костные клетки, организм, вероятно, мог покрывать свою потребность в фосфоре в периоды дефицита. Это давало ему преимущество перед более примитивными современниками, у которых была бесклеточная кость.

«Это преимущество, по-видимому, привело к повсеместному распространению костей с костными клетками у позвоночных, как мы знаем это и у человека. Это важный шаг к пониманию того, как возник наш собственный костный метаболизм», — объясняет Хариди. «Даже в ранней ископаемой кости костные клетки могли растворять и восстанавливать костные минералы, это означает, что сами кости действуют как батареи, накапливая минералы и высвобождая их позже! Это умение давало бесспорное преимущество бесчелюстным рыбам с костными клетками перед позвоночными без них. Это преимущество, возможно, было настолько profound, что изменило эволюцию позвоночных, так как более поздние челюстноротые позвоночные сохранили костные клетки».

Исследование опубликовано в Science Advances.