Het belangrijkste fossiel in deze studie, is een 3 miljoen jaar oud fossiel van een uitgestorven soort bosmuis uit Duitsland, Apodemus atavus. Georg-August-Universität Göttingen

3 miljoen jaar oud muizenfossiel geeft evolutionaire geheimen van kleuren prijs

Dat kleuren een belangrijke evolutionaire rol spelen in de overlevingskansen van zoogdieren, is duidelijk bij uiteenlopende dieren zoals zebra's, tijgers, vossen en ook muizen. Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de University of Manchester heeft nu dankzij röntgen-beeldvorming bewijzen gevonden voor kleurrijke pigmenten in fossielen van muizen. Volgens de onderzoekers is hun werk een belangrijke wetenschappelijke doorbraak, en kunnen we nu voor het eerst gefossiliseerde kleurpigmenten identificeren bij al lang uitgestorven soorten.  

De nieuwe studie paste röntgenbeeldvorming toe op verschillende 3 miljoen jaar oude fossielen om aan te tonen hoe we de chemische handtekening kunnen herkennen van bepaalde rode pigmenten bij reeds lang uitgestorven dieren. Als we het verhaal kunnen vertellen van een aantal belangrijke pigmenten bij deze oude diersoorten, kunnen we nagaan hoe ze geëvolueerd zijn, aldus de onderzoekers. 

Het nieuwe onderzoek toonde aan dat niet alleen chemische sporen van donkere, zwarte pigmenten aanwezig kunnen zijn in uitzonderlijk goed bewaard zacht weefsel, maar ook sporen van het veel moeilijker op te sporen rood pigment van dieren.

Het chemische overblijfsel van zwart pigment, dat dieren als kraaien hun kleur geeft, werd bijna 10 jaar geleden voor het eerst ontdekt door hetzelfde team in een eerdere studie. Maar het rode pigment, dat kenmerkend is voor dieren als vossen, is op een geologische tijdschaal veel minder stabiel en bleek veel moeilijker op te  sporen. 

Een reconstructie van Apodemus atavus, een uitgestorven soort  bosmuis. Waarschijnlijk had ze een roodbruine vacht op haar rug en een witte buik. Stuart Pond/The University of Manchester

Helderste lichtbronnen op de planeet

Om het patroon in de fossielen te ontsluiten, werkte het team uit Manchester samen met geleerden aan enkele van de helderste lichtbronnen op de planeet, namelijk synchrotrons. Dat zijn deeltjesversnellers die een zogenoemde 'beamline' produceren van straling, die ligt tussen het vacuüm ultraviolet en harde röntgenstraling.  De straling kan gebruikt worden voor verschillende vormen van onderzoek, onder meer röntgenfluorescentie, waarmee men kan vaststellen welke atomen er in het onderzochte materiaal zitten.

Ze gebruikten synchrotron-straling in de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource in de VS, en in de Diamond Light Source in het VK om de fossielen te bestralen met intense röntgenstraling. Het is de interactie van die röntgenstralen met de chemische samenstelling van de fossielen die het team in staat stelde om als eerste de chemische handtekening van rode pigmentatie (feomelanine) te herkennen in de vacht van uitzonderlijk goed bewaarde, 3 miljoen jaar oude fossielen van muizen. 

De sleutel tot hun werk was zeer kleine hoeveelheden van metalen te identificeren die de oude organismen in hun zacht weefsel hadden geintegreerd, en die te vergelijken met de manieren waarop ze in levende soorten geïntegreerd zijn. De chemische samenstelling laat zien dat deze 'sporenmetalen' in de vacht van de fossiele muizen gebonden zijn aan organische chemische stoffen op precies dezelfde manier als die waarop deze metalen gebonden zijn aan organische pigmenten bij hedendaagse dieren met hoge concentraties van rood pigment in hun weefsel. 

"We hadden gegevens die ons deden veronderstellen dat overblijfselen van rood pigment aanwezig waren in verschillend fossielen, maar er waren geen bruikbare data om dat mee te vergelijken in moderne organismen. En dus hebben we verschillende jaren besteed aan het analyseren van modern weefsel, voor we op onze stappen terug konden keren en onze resultaten van een aantal verbazingwekkende fossiele specimens opnieuw konden bekijken", zei professor Roy Wogelius in een mededeling van de University of Manchester. Wogelius is een geochemicus aan de universiteit en een van de auteurs van de nieuwe studie.   

"Uiteindelijk waren we in staat te bewijzen dat een gedetailleerde chemische analyse een dergelijk residu van pigment kan aantonen, en tijdens het onderzoek hebben we zo veel meer geleerd over de chemie van pigmentatie in het dierenrijk", 

Om absoluut zeker te zijn van hun bevindingen, werden de gegevens over de moderne verbindingen van pigmenten waarmee ze de fossiele gegevens vergeleken hebben, geanalyseerd zowel met synchrotron-straling als door specialisten in de chemie van pigmenten aan de Fujita Health University in Japan. 

Overigens hebben de onderzoekers hun bevindingen ook 'vertaald' in geluidsgolven zodat mensen in staat zijn geluidsfrequenties te horen die geassocieerd zijn met de verschillende pigmentkleuren die aanwezig zijn in de fossielen.

Een valskleurenbeeld van een fossiele muis verkregen door Synchrotron rapid scanning X-ray fluorescence (SRS-XRF). De verschillende kleuren geven de aanwezigheid van verschillende elementen weer:  blauw is fosfor in de botten, groen is zink, waarvan is aangetoond dat het belangrijk is in de biochemie van rood pigment, rood is een bepaalde geoxideerde vorm van organische zwavel waarvan met de traditionele methoden geen beeld kan gevormd worden. Geel is de combinatie van zink en organische zwavel, en toont aan dat de vacht van dit dier rijk was aan de chemische verbindingen die waarschijnlijk stammen van de originele rode pigmenten die de muis aangemaakt heeft. The University of Manchester

"Zelfverzekerder bij het reconstrueren van uitgestorven dieren"

"De fossielen die we bestudeerd hebben,  bieden een enorm potentieel om talrijke geheimen over het originele organisme bloot te leggen. We kunnen een aantal sleutelfacetten reconstrueren van hun leven, hun dood en de daaropvolgende gebeurtenissen die een impact hebben gehad op hun bewaring voor en nadat ze begraven zijn. Om deze gecompliceerde fossiele chemische archieven te openen, is het nodig dat een interdisciplinair team zijn krachten bundelt. Wanneer we dat doen,  ontsluiten we veel meer dan enkel paleontologische informatie", zei professor Phil Manning, de belangrijkste paleontoloog die aan de studie heeft meegewerkt.

"Dit was een onverdroten inspanning waar fysica, paleontologie, organische scheikunde en geochemie bij betrokken waren", zei professor Wogelius in de persmededeling. "Door als een team te werken, waren we voor de eerste keer in staat  om chemische sporen te ontdekken van rood pigment in fossiel, dierlijk materiaal. We weten nu waar we moeten naar uitkijken in de toekomst, en we hopen dat deze resultaten betekenen dat we zelfzekerder kunnen worden bij het reconstrueren van uitgestorven dieren. Zo kunnen we een andere dimensie toevoegen aan de studie van de evolutie."

"De paleontologie biedt onderzoek dat meer dan relevant is voor ons dagelijks leven. Informatie die vergaard is uit het fossielenbestand beïnvloedt verschillende disciplines, waaronder klimaatonderzoek en het begraven van  bio-afval en radioactief afval. Ook kunnen we de ecologische impact bepalen van olierampen op levende soorten, aan de hand van technieken die ontwikkeld zijn op fossiele organismen. Terwijl ons onderzoek stevig verankerd is in het verleden, hebben we zijn toepassing in de toekomst op het oog", zo besloot professor Manning.

De studie van de onderzoekers uit de VS, het VK en Japan is gepubliceerd in Nature Communications.