Paleontologe Anné onderzoekt een opgezette gevlekte hyena, een verwante van de uitgestorven grottenhyena. Foto: Children's Museum of Indianapolis

Stress is zichtbaar in beenderen grottenhyena dankzij speciale röntgentechniek

Enkele honderdduizenden jaren geleden, tijdens de laatste ijstijd, zwierven er door Europa en Azië grottenhyena's , een ondersoort van de gevlekte hyena die twee maal zo zwaar was als zijn moderne verwant, en kaken had waarmee ze mammoetbeenderen kon kraken. Ondanks hun enorme omvang en hun geduchte kaken maakten sommige grottenhyena's toch moeilijke periodes door, die hen tot in hun beenderen getroffen hebben. Uit nieuw onderzoek van hyena-beenderen met röntgenfluorescentie blijkt immers dat de beenderen in sommige periodes niet gegroeid zijn, wat duidt op hevige stress of ondervoeding.

Om levensnoodzakelijke chemische elementen op te slaan, neemt het lichaam die op in het skelet, zodat de elementen zeker niet uitgeloogd worden tijdens alledaagse processen in het lichaam. Aangezien beenderen constant veranderen, biedt de studie ervan de onderzoekers de gelegenheid om de levensgeschiedenis te achterhalen van een dier, vanaf zijn eerste ontwikkeling tot vlak voor zijn dood. 

"Je beenderen kunnen zowat de helft van de periodieke tabel [van de chemische elementen] opnemen in hun structuur", zei paleontologe Jennifer Anné in een persmededeling van het SLAC National Accelerator Laboratory. "Dat is een van de grote doelen van het hebben van een skelet: het is een belangrijke plaats voor het opslaan en vrijgeven van elementen die je in de loop van je leven gaat gebruiken. In ons onderzoek proberen we te ontdekken wat al de sporenelementen in been ons kunnen vertellen over een organisme." Anné is een paleontologe van het Children's Museum of Indianapolis, en ze had de leiding over het internationaal team dat het onderzoek heeft uitgevoerd.

Anné onderzoekt in haar research flintertjes van beenderen die andere onderzoekers vaak weggooien, wat maakt dat ze meer stalen kan krijgen om te onderzoeken, en meer vrijheid heeft om te bepalen wat ze ermee zal doen. De grottenhyena, zo zei ze, was eerst een willekeurig staaltje dat ze gekregen had, en het groeide uit tot "iets dat een beetje groter" was dan ze verwacht had.    

Reconstructie van een grottenhyena in de Heinrichhöhle in Duitsland. (Foto: Heinz-Werner Weber/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0)

Een knekelput uit de ijstijd

De onderzoekers gebruikten aan de Stanford Synchotron Radiation Lightsource (SSRL) van het SLAC National Accelerator Laboratory een techniek die röntgenfluorescentiespectrometrie genoemd wordt. Ze schenen daarbij röntgenstralen op het been van de grottenhyena, om de binnenste elektronen van de atomen in het materiaal weg te slaan. Als dan elektronen uit hogere "schillen" naar beneden springen om de plaats in te nemen van de weggeslagen elektronen, stralen de atomen fluorescerend licht uit. Aangezien elk chemisch element een eigen kenmerkende golflengte van licht heeft, laat deze techniek de onderzoekers toe de verdeling van de verschillende elementen in het been in kaart te brengen.  

Een gelijkaardige techniek die toegepast werd in Diamond Light Source in het Verenigd Koninkrijk, liet bovendien nog toe om de concentratie van elk element beter vast te stellen. 

De beenderfragmenten van de grottenhyena uit deze studie waren 40.000 jaar oud, en waren afkomstig uit een "knekelput" van verschillende fossielen uit de ijstijd in een grot in Engeland. De onderzoekers gebruikten daarnaast ook botten van de huidige gevlekte hyena als vergelijkingsmateriaal, om er zeker van te zijn dat wat ze als resultaten zagen, overeenstemde met het moderne organisme, en niet iets was dat vanuit de buitenwereld in het fossiel gelekt was. 

De onderzoekers gebruikten een techniek die röntgenfluorescentiespectometrie genoemd wordt, die hen toeliet kaarten te creëren van de verdeling van elementen in de fossielen. De dunne lijnen die zichtbaar werden toen ze zink in kaart brachten, doen veronderstellen dat de hyena periodes van stress meegemaakt heeft die een invloed hadden op de beendergroei. (Foto's: Jennifer Anné)

Geen lachende hyena

Hyena staan bekend om hun kenmerkende "lach", maar aan het been was te zien dat deze hyena in haar leven periodes doorgemaakt, waarin ze niet veel redenen had om te lachen. 

Een van de elementen die de onderzoekers in kaart konden brengen, was zink, dat nauw verbonden is met de groei van het been. Cyclische patronen van beendergroei waren al langer bekend bij paleontologen, en ze worden vaak waargenomen als afwisseldende zones van snel- en traaggroeiend been. Deze zones laten de onderzoekers toe om de leeftijd, de groei, het dieet en andere factoren van de levenstijl van uitgestorven dieren te reconstrueren. 

Als een dier een constante toevoer van voedingsstoffen en mineralen heeft, breidt de beendergroei zich gestaag uit naar buiten toe, en maakt daarbij poreuze zones aan die rijk zijn aan zink. Maar als de stofwisseling van een dier vertraagt, mogelijk door periodes van stress of ondervoeding, dan vertraagt ook de beendergroei, wat compacte stroken veroorzaakt, of "rustlijnen" in het been. Paleontologen nemen aan dat deze lijnen overeenkomen met factoren als de afwisseling van de seizoenen en de voortplantingscyclus.

Toen de onderzoekers de verdeling en de concentratie van zink bij deze hyena in kaart brachten, merkten ze dunne lijnen op, die er bijna uitzagen als een doordruk met een potlood, wat betekent dat er een periode was waarin de groei was stilgevallen. De beenderen van moderne hyena's, en fossielen van grottenhyena's van andere sites en uit andere periodes, vertoonden deze lijnen niet, wat laat veronderstellen dat deze hyena bloot heeft gestaan aan vormen van stress waar de andere geen last van hebben gehad. 

"Een dier dat moet afrekenen met de omstandigheden in een ijstijd, zou een aantal erg goede periodes kunnen beleven, en een aantal erg zware periodes", zei Nick Edwards in de persmededeling. "We weten nog niet welke stressfactoren het geweest zijn, maar deze lijnen tonen tenminste hoe het dier daarmee om is gegaan." Edwards is een onderzoekers aan het SLAC-laboratorium en een van de auteurs van de nieuwe studie.  

Een 20.000 jaar oude rotstekening van een grottenhyena in een grot in Frankrijk.

Het leven van lang verdwenen soorten oproepen

Als opvolging van dit onderzoek hoopt paleontologe Anné datgene wat ze geleerd heeft, nu toe te passen op verschillende soorten weefsel van verschillende soorten, zowel moderne als uitgestorven, om een beter inzicht te krijgen in been, en wat het onderzoekers kan vertellen over een bepaald organisme. 

Een recente upgrade van de bundellijn bij de Stanford Synchotron Radiation Lightsource die in dit onderzoek gebruikt wordt, zal het team toelaten om hun beelden te verbeteren, het hele spectrum van de sporenelementen in een hogere resolutie op te meten, en in te zoomen op interessante delen zonder dat ze zelfs het staal moeten verplaatsen. 

De huidige studie maakt deel uit van een reeks van onderzoeksverslagen van het team dat de SLAC-techniek gebruikt. Een eerdere studie keek naar de beenderen van een 150 miljoen jaar oude dinosaurus, een allosaurus, en een andere studie onderzocht een 19 miljoen jaar oude zeekoe. 

"Samen tonen deze studies wat sporenelementen kunnen blootleggen over oude soorten over een tijdspanne van meer dan 100 miljoen jaar", zei Uwe Bergmann, een onderzoeker bij SLAC en een mede-auteur van de studie. "We hopen dat wat we geleerd hebben, ons zal toelaten zelfs nog verder terug te gaan in de tijd, in de levens van andere uitgestorven dieren."

Een grottenhyena met een jong op een postzegel uit Moldavië.

Sporenelementen in kaart brengen

Het onderzoek maakt zoals gezegd deel uit van een grotere poging om sporenelementen - elementen die slechts in zeer kleine concentraties voorkomen - in kaart te brengen in oude beenderen, en op die manier biologische informatie te verzamelen over dieren die al lang uitgestorven zijn. Het wordt uitgevoerd door een internationaal team onder leiding van paleontologe Jennifer Anné van het Children's Museum of Indianapolis, en het maakt gebruik van de Stanford Synchotron Radiation Lightsource van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. 

"Dit werk, dat nieuwe inzichten biedt in het delicate chemische ballet binnen in het been, kan ons toelaten om de impact van het milieu op gewervelden uit het verleden beter te begrijpen, en te voorspellen wat er zal gebeuren in de toekomst", zei Phil Manning in de persmededeling. Manning, een mede-auteur van de studie, is professor natuurhistorie aan de University of Manchester en het hoofd van het labo dat het onderzoek uitgevoerd heeft. 

De studie van Anné en haar team over de grottenhyena is gepubliceerd in het "Journal of Analytical Atomic Spectometry".