化石中的代謝物，講述了疾病、飲食和氣候的故事

在一新發表于《自然》雜志的研究中，科學家首次從生活在約130萬至300萬年前的動物骨骼化石中，分析出了與代謝相關的分子。這些與動物健康狀況和飲食相關的代謝線索，使研究人員得以勾勒出它們的生存環境圖景，包括當時的溫度、土壤、降雨以及植被狀況。研究結果顯示，與今天相比，這些環境在當時整體上更加溫暖、也更加濕潤。

化石中的代謝物

生物體的代謝率，是指生物在獲取、轉化并將能量分配至生長、繁殖和維持生命等過程時，所需的能量總和。而代謝物則指的是在這些化學過程中，產生并參與其中的分子。研究代謝物可以提供有關健康與疾病的信息，同時也能反映飲食和環境暴露等外部因素。

在研究活體動物時，科學家通常會從血液或尿液等體液中提取代謝物。但對于化石而言，這種做法顯然不可行。雖然代謝物組學研究正日益廣泛地應用于人類疾病和藥物研究，但幾乎沒有科學家嘗試將這一方法用于理解史前世界。長期以來，關于史前世界的相關研究主要集中在化石中的DNA上，而DNA研究的核心用途在于厘清生物之間的遺傳關系。

在這項新研究中，研究人員將注意力轉向一個問題：像骨骼、牙齒和象牙這樣的多孔硬組織，是否能夠在極其漫長的時間尺度上捕獲并保存代謝物？

對于骨骼這樣的硬組織，其表面呈海綿狀結構，周圍環繞著毛細血管網絡，在血液與骨組織之間不斷交換氧氣和營養物質。研究人員推測，在這些硬組織的形成過程中，血液中攜帶的代謝物會進入骨組織，而這一過程可能會使部分代謝物分子滯留在組織內部粗糙而多孔的結構之中。

從現代骨骼到遠古化石

為了驗證這一推測，研究人員利用一種被稱為質譜法的分析方法，首先對現代小鼠的骨骼樣本進行了檢測。質譜法是一種可以將分子轉化為離子進行檢測的技術，能確定精確的化學組成。利用這一方法，他們鑒定出近2200種可用于分析的代謝物。

在此基礎上，研究人員利用同樣的方法，分析了出土于坦桑尼亞、馬拉維和南非等古人類遺址附近地區的動物骨骼和牙齒化石。這些動物化石的年代介于距今約130萬至300萬年之間。

他們重點選擇了那些在這些遺址附近仍有現存親緣的物種，如嚙齒類動物（包括老鼠、地松鼠和沙鼠），以及羚羊、豬和大象，并對其骨骼化石進行了分析。

在識別出樣品中可能存在的代謝物之后，他們將這些分子與數據庫中已知由相似現代生物產生的化合物進行比對。分析結果顯示， 在每一個化石樣本中檢出了數千種代謝物，其中相當一部分與現代動物體內的代謝物是相同的。

化石講述的故事

這些研究結果為了解古代動物的生活提供了極為細致而豐富的線索。

首先，研究人員在骨骼化石中所發現的許多代謝物反映的是正常的生物學功能，包括氨基酸、碳水化合物以及維生素和礦物質的代謝。其中一些代謝物與雌激素相關的生理通路有關，暗示部分個體可能為雌性。

進一步的分析還揭示了這些動物對疾病的生理反應。例如，在坦桑尼亞奧杜瓦伊峽谷，研究人員分析了一只距今約180萬年的地松鼠骨骼，并在其中發現了證據，顯示這只地松鼠曾感染一種寄生蟲性疾病。這種疾病在人類中被稱為昏睡病，由布氏錐蟲（

Trypanosoma brucei

此外，通過將化石中的代謝物與已知的植物代謝物進行比對，研究人員還能重建部分動物的飲食結構及其所處環境，推斷這些動物曾經取食過哪些植物。盡管有關植物代謝物的數據遠不如人類和動物健康領域那樣豐富，但研究人員仍然識別出了幾種具有明顯區域特征的植物代謝物。

在那只距今約180萬年的奧杜瓦伊峽谷地松鼠化石中，研究人員發現了表明其曾以蘆筍和蘆薈為食的代謝物，而這類植物通常指向具有茂密樹冠覆蓋的環境。因此研究人員能夠進一步推斷當時的溫度、降雨、土壤條件以及樹冠覆蓋情況，進而基本上重建了這只地松鼠所處的生態環境。這一發現為近年來對該遺址的新一輪重新評估提供了有力支持：該地區在當時應當是一個濕潤的棲息地，周圍分布著森林和濕地。

可以說，圍繞每一只動物，研究人員都得以講述一個完整的環境故事

一種新的分子生態學

這些重建出的環境條件，與其他研究對數百萬年前這些地區環境的認識高度一致。研究人員認為，利用代謝分析研究化石，或許就能以前所未有的精細程度重建史前世界的環境，就仿佛我們是身處當時自然環境中的野外生態學家一樣。

不過，也有學者指出，在分析與化石相關的代謝物時，必須格外謹慎。因為一個棘手的問題在于，我們很難判斷在動物化石中發現的代謝物，究竟是由該動物自身產生的，還是來自周圍土壤中后期滲入化石的分子。

對此，這項研究的作者回應稱，他們正是通過分析化石周圍土壤中的代謝物，來應對這一問題的。他們發現，這些沉積物中保存著與化石動物同時代、共同生活的植物和動物所留下的古老代謝物；而這些代謝物同樣也出現在那些并未直接暴露于土壤中的動物骨骼樣本中。

#參考來源：

https://www.eurekalert.org/news-releases/1109901

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09843-w

#圖片來源：

封面圖&首圖：TIMOTHY BROMAGE AND BIN HU/NYU DENTISTRY