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ZooMS: la ‘huella dactilar' de colágeno que permite extraer información de pequeños huesos fósiles

Este fragmento de hueso fósil, ¿será humano? Si no lo es, ¿a qué tipo de animal corresponde? Una herramienta analítica denominada ZooMS saca de dudas.

Artefactos óseos analizados en los sitios Droulers (DR-), McDonald (BgFo-) y Mailhot-Curran (MC-), con identificación ZooMS de osos, humanos o ciervos indicada. El símbolo del fuego indica muestras quemadas; la huella de la pata denota un carnívoro desconocido; “¿?” denota identificación desconocida.
Artefactos óseos analizados en los sitios Droulers (DR-), McDonald (BgFo-) y Mailhot-Curran (MC-), con identificación ZooMS de osos, humanos o ciervos indicada. El símbolo del fuego indica muestras quemadas; la huella de la pata denota un carnívoro desconocido; '?' denota identificación desconocida.
Krista McGrath, Keri Rowsell, Christian Gates St-Pierre, Andrew Tedder, George Foody, Carolynne Roberts, Camilla Speller & Matthew Collins

Desde hace poco más de una década, los arqueólogos y paleontólogos disponen de una nueva herramienta para escudriñar el pasado y aprender de él. Tiene un nombre más bien largo: zooarqueología por espectrometría de masas, pero se conoce comúnmente con la abreviatura ZooMS.

Aunque en muchos yacimientos arqueológicos se encuentran grandes cantidades de huesos, la mayoría de ellos están muy fragmentados y no poseen rasgos característicos que permitan establecer a qué animal pertenecen aplicando los métodos tradicionales de identificación morfológica.

Se estima, por ejemplo, que solo un tercio de los huesos encontrados en yacimientos del Pleistoceno pueden identificarse mediante una inspección visual. Los fragmentos de hueso también abundan en los museos: son el pariente pobre de sus colecciones, relegados a un segundo plano mientras aguardan una nueva oportunidad.

En la actualidad, gracias a la relativamente nueva técnica de ZooMS los investigadores pueden extraer información de estos especímenes que, de entrada, podrían parecer insignificantes. ¿En qué se basa este método?

Código de barras molecular

Aunque la mayoría de las proteínas se degradan rápidamente cuando un animal muere, algunas se preservan durante largos períodos de tiempo. Es el caso del colágeno I, el principal componente orgánico de los huesos, los dientes, los cuernos y la piel. La ZooMS, desarrollada en 2009 por Matthew Collins y su entonces estudiante Michael Buckley en la Universidad de York, emplea las diferencias que existen en el colágeno de los distintos tipos de animales a modo de código de barras molecular para determinar a cuál de ellos corresponde un fragmento de hueso hasta ahora inclasificable.

Si comparamos el colágeno de distintos grupos de animales, veremos que en muchas posiciones de la secuencia de la proteína estos comparten los mismos aminoácidos mientras que en otras posiciones los aminoácidos son distintos. Cuanta más distancia evolutiva existe entre los animales mayor es el número de diferencias presentes en su colágeno.

Para poder analizar el colágeno con el método ZooMS, primero debe de extraerse del espécimen. Posteriormente, esta proteína se fragmenta en pequeños péptidos usando la enzima tripsina (la misma que fabrica nuestro páncreas y que nos ayuda a digerir las proteínas en el intestino delgado) y las muestras se depositan en unas placas metálicas que se analizaran con un espectrómetro, un aparato que sirve para medir las masas de los distintos péptidos presentes en la muestra.

El método de análisis ZooMS, paso a paso
El método de análisis ZooMS, paso a paso
Kristine Korzow Richter y Samantha Brown / Wikipedia

Pequeñas diferencias en la secuencia del colágeno, incluso entre grupos de animales estrechamente emparentados, producen péptidos con masas distintas, creando una 'huella dactilar' para cada animal. Finalmente, los patrones (espectros) obtenidos se comparan con los de una biblioteca de referencia para identificar con un alto grado de precisión a qué tipo de animal corresponde.

¿Es un hueso humano?

La resolución de la ZooMS permite determinar el género del animal; esto es, si un fragmento óseo corresponde por ejemplo a una cabra (género Capra) o a una oveja (género Ovis), ambas bóvidos. Sin embargo, generalmente no se llega a descifrar la especie. Aun así, es una herramienta muy valiosa para resolver si entre todos los restos óseos de fauna localizados en un yacimiento alguno de ellos corresponde a un antepasado humano.

Por otro lado, con la ZooMS distinguir entre especies muy cercanas evolutivamente es todo un desafío, imposible si no se dispone de otros datos del contexto arqueológico o paleoantropológico. Homínidos como los gorilas, los orangutanes, los neandertales (Homo neanderthalensis) o nosotros mismos (Homo sapiens) tenemos secuencias de colágeno que son indistinguibles las unas de las otras en el espectrómetro. En estos casos, si se lograra extraer ADN del fósil, este se podría secuenciar y serviría para confirmar la especie a la que corresponde; pero el ADN se preserva peor que el colágeno y no siempre es posible analizarlo.

Entre los restos de fauna que se hallan en los yacimientos y que no es posible reconocer debido a su forma modificada, se encuentran también los artefactos de manufactura humana, como las herramientas hechas de hueso o de asta, los artículos de cuero y los pergaminos. En estos casos, la ZooMS también es útil para resolver a qué animales corresponden.

La naturaleza no destructiva de esta técnica la convierte en una excelente herramienta para preservar y estudiar estos valiosos artefactos. Se ha aplicado, por ejemplo, a colecciones de museos, permitiendo a los investigadores identificar y catalogar especímenes sin causar daños y, en la última década se han ido desarrollando métodos cada vez menos invasivos de obtención del colágeno a partir de los especímenes.

Otra de las mejoras alcanzadas en los últimos años es la construcción de bases de datos cada vez más completas. Con ello se amplía el inventario de animales que pueden ser identificados con esta técnica. Inicialmente estas bibliotecas se construyeron con secuencias de colágeno únicamente de mamíferos pero en la actualidad incluyen también especies de pájaros y peces.

Tesoros ocultos en los museos

Recientemente investigadores de Alemania y Estados Unidos han explorado el potencial de la ZooMS para identificar fragmentos de huesos fósiles de las colecciones del Museo Nacional de Historia Natural de Estados Unidos. Los científicos analizaron especímenes de megafauna del Pleistoceno tardío procedentes de seis yacimientos de Colorado, almacenados en el museo, y pudieron determinar en el 80% de los casos el grupo de animales al que pertenecían los fragmentos.

Con los datos obtenidos, se puede estudiar cómo eran los ecosistemas del pasado y qué animales coexistían en ellos. Los autores del estudio destacan que la ZooMS podría ser de gran valor para responder una de las grandes preguntas de la paleontología. Hace 50.000 años, el continente americano estaba dominado por megafauna como mamuts, mastodontes, tigres dientes de sable y enormes lobos, pero también bisontes, camellos extraordinariamente altos, castores gigantes o inmensos perezosos de más de una tonelada de peso. Después del último período glacial (la llamada Edad de Hielo), la mayor parte de estos grandes mamíferos desaparecieron. ¿Qué provocó la extinción de los grandes mamíferos en América?

Existen dos hipótesis principales: algunos investigadores piensan que la llegada de los humanos al continente fue la causa principal, mientras que otros esgrimen que el cambio climático (caracterizado por temperaturas más cálidas, el deshielo y cambios en los ecosistemas a los que la megafauna no pudo adaptarse a tiempo) fue el factor determinante. La pregunta sigue sin resolverse, pero este nuevo estudio demuestra que es factible aplicar la ZooMS a los restos de este período custodiados en distintos museos para ayudar a resolver el enigma.

Encontrar una aguja en un pajar

Este método también se ha aplicado al estudio de la evolución humana. Con los restos óseos fragmentarios de un yacimiento se puede estudiar el comportamiento de los grupos humanos que en él habitaban y su interacción con el medio. Por ejemplo, con ZooMS pueden estudiarse qué tipo de animales formaban parte de su dieta y cuáles eran las estrategias de caza de los humanos arcaicos. En el caso de los neandertales la aplicación de este método confirma que se alimentaban de grandes herbívoros como los renos, los caballos y los bisontes, o que empleaban de forma selectiva las costillas de grandes bóvidos como los uros y los bisontes (y no las de los renos) para fabricar herramientas

Uno de los mejores ejemplos del potencial de esta técnica en el estudio de la evolución humana lo encontramos en el yacimiento del Pleistoceno Medio y Superior de la cueva de Denísova, en el macizo de Altai en Siberia. Esta cueva se hizo famosa hace más de una década porque en ella se descubrió un nuevo tipo de humanos arcaicos emparentados con los neandertales y los sapiens a los que se denominó denisovanos.

Los restos paleontológicos de este yacimiento (el 95% de ellos) se encuentran muy fragmentados, probablemente por la acción de los animales carroñeros. De hecho hasta la fecha no se ha encontrado ningún cráneo entero o parcial de denisovano y su descripción inicial se basó en el estudio del ADN antiguo aislado a partir de pequeños huesos identificados en la cueva.

En los años siguientes a su identificación, y gracias al desarrollo de la ZooMS, el análisis de fragmentos de hueso de Denísova permitió identificar nuevos restos de homininos. La idea de aplicar este método a los restos de la cueva siberiana se la debemos a dos investigadores, el matrimonio formado por Katerina Douka y Tom Higham, que entonces trabajaban en la Universidad de Oxford. La descabellada idea era como encontrar una aguja en un pajar: un arduo trabajo consistente en analizar miles de fragmentos óseos, la mayoría restos de otros animales presentes en los mismos sedimentos de la cueva, hasta dar con el de un humano arcaico. Aún así dio sus frutos.

Los fragmentos de hueso aislados pueden contener todavía ADN que proporcione información crucial sobre los habitantes de la cueva en el pasado. Mediante este método se han identificado nueve nuevos restos de homininos; entre ellos, dos neandertales y tres denisovanos. Y el más sorprendente de todos ellos: a partir del primer fragmento de hueso localizado con ZooMS, de 2 cm, denominado Denisova 11 o 'Deny', se pudo extraer ADN y el análisis de su genoma reveló que se trataba del hueso de una niña de madre neandertal y padre denisovano. ¡Un espécimen único en el mundo! Esto último sí que fue encontrar una aguja en un pajar.

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