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Breathing new life into dead fossils: Can geochemical characterization of biomolecules be used to enhance paleontological anatomy descriptions and reveal the affinities of enigmatic fossil animals?

English title Breathing new life into dead fossils: Can geochemical characterization of biomolecules be used to enhance paleontological anatomy descriptions and reveal the affinities of enigmatic fossil animals?
Applicant Gueriau Pierre
Number 190580
Funding scheme Spark
Research institution Institut des sciences de la Terre Université de Lausanne
Institution of higher education University of Lausanne - LA
Main discipline Palaeontology
Start/End 01.12.2019 - 31.01.2021
Approved amount 109'168.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Palaeontology
Geochemistry

Keywords (8)

Advanced spectro-imaging; Synchrotron X-ray absorption; Carbon speciation; Early animals; Exceptional preservation; Ancient biomolecules; Nitrogen speciation; Cambrian explosion

Lay Summary (French)

Lead
Les fossiles sont essentiels à notre compréhension de l'origine et de l'évolution de la vie sur notre planète, leur position sur l'arbre du vivant fournissant des informations incomparables sur les relations de parenté entre les organismes actuels et leurs ancêtres. Néanmoins, les affinités d'organismes disparus de longue date, en particulier au cours des premiers stades de l'évolution ou de transitions majeures, restent difficiles, voire impossibles, à décrypter en se basant uniquement sur les rares parties de leur anatomie qui ont été fossilisées. Si leur ADN ne peut être retrouvé au-delà de quelques millions d’années, il a été démontré que des biomolécules anciennes (ou du moins leurs restes ou dérivés) peuvent être préservées. De telles « signatures biomoléculaires » sont couramment utilisées pour interpréter des traces de vie microscopiques très anciennes, mais très rarement pour des fossiles plus gros et plus récents, et pour les animaux en particulier.
Lay summary

Lead

Les fossiles sont essentiels à notre compréhension de l'origine et de l'évolution de la vie sur notre planète, leur position sur l'arbre du vivant fournissant des informations incomparables sur les relations de parenté entre les organismes actuels et leurs ancêtres. Néanmoins, les affinités d'organismes disparus de longue date, en particulier au cours des premiers stades de l'évolution ou de transitions majeures, restent difficiles, voire impossibles, à décrypter en se basant uniquement sur les rares parties de leur anatomie qui ont été fossilisées. Si leur ADN ne peut être retrouvé au-delà de quelques millions d’années, il a été démontré que des biomolécules anciennes (ou du moins leurs restes ou dérivés) peuvent être préservées. De telles « signatures biomoléculaires » sont couramment utilisées pour interpréter des traces de vie microscopiques très anciennes, mais très rarement pour des fossiles plus gros et plus récents, et pour les animaux en particulier.

 

Contenu et objectifs du travail de recherche

Ce projet vise à extraire, à l’aide de méthodes de caractérisation géochimique avancées (spéciation du carbone et de l’azote par spectroscopie d'absorption des rayons X synchrotron), des signatures biomoléculaires dans trois fossiles emblématiques des schistes de Burgess, un site fossilifère canadien vieux de ~505 millions d'années, au cœur de l’ « Explosion Cambrienne ». Plus précisément, nous souhaitons vérifier (i) que des restes de biomolécules anciennes peuvent être identifiés dans ces fossiles préservés sous forme de films de carbone organique, et (ii) que différents organismes et/ou organes conservent différentes signatures moléculaires.

 

Contexte scientifique et social du projet de recherche

Ce travail préliminaire fournira des informations inédites quant à la préservation organique des fossiles emblématiques des schistes de Burgess, mais il pourrait également, dans le cas où nos deux hypothèses se confirment, marquer le début d’un nouveau paradigme en paléontologie suivant lequel les informations chimiques préservées dans les fossiles pourront être utilisées en complément de leur anatomie pour révéler leurs affinités, en particulier dans le cas de fossiles énigmatiques.

Direct link to Lay Summary Last update: 03.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Fossils play a pivotal role in our understanding of the origin and evolution of life on Earth, and their position on the tree of life can provide unique insights into organism relationships and ancestral states. Unlike extant organisms, for which DNA information is available, fossils must be interpreted based on anatomical information. Recent advances in imaging and tomographic techniques mean that the anatomy of fossils can now be described in great detail, but sometimes this isn’t enough! Particularly during early evolutionary stages or major transitions, the affinities of long extinct organisms can be difficult or impossible to interpret based on anatomy alone. The early evolution of animals during the Cambrian Explosion is one example where, despite exceptional preservation of highly detailed anatomy including soft tissues at fossil localities such as the Burgess Shale, numerous animal taxa remain enigmatic. Vetulicolians, for example, are bizarre creatures with an inflated anterior end and a poorly segmented posterior region, and have been variously interpreted as arthropods, chordates, tunicates, or basal deuterostomes. Eldoniids are disc-shaped fossils with a prominent coiled gut and numerous tentacles, which has been suggested to be a holothurian (sea cucumber) or a cnidarian, or a basal member of either the clade including brachiopods and phoronids (protostomes), or the clade of echinoderms and hemichordates (deuterostomes). With enigmatic fossils such as these, anatomical descriptions alone have not provided enough insight to accurately place them on the tree of life. But another source of information exists, and could help resolve the affinities of enigmatic early fossils: ancient organic biomolecules. Ancient biomolecules (or at least their remnants or derivatives) have been shown to preserve in the rock record, either associated with macrofossil remains or isolated within sedimentary rock. Early life workers have used biomolecular signatures to interpret microfossils in deposits older than 1-billion years, but such information has rarely been used to help interpret macrofossil remains in general, and animals in particular. This project seeks to answer the question:Can geochemical characterization of biomolecules be used to enhance paleontological anatomy descriptions and reveal the affinities of enigmatic fossil animals?This project will use advanced geochemical characterization (C and N speciation using synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy) to attempt to retrieve biomolecular signatures from three iconic fossil taxa from the ~505 million-year-old Burgess Shale, Canada. This project will rapidly test two hypotheses, to validate the fundamental principles of this novel research approach:Hypothesis (1): remnants of ancient biomolecules can be identified in Burgess Shale fossils. Hypothesis (2): different organisms and/or tissues preserve contrasting molecular signatures. If these hypotheses are confirmed, the results of this project will form the basis of a larger research approach that will develop a database of biomolecular signatures for different tissue types across the animal tree of life and in different fossil localities, as a comparative framework for clarifying the affinities of more enigmatic fossils. The possibility of enhancing paleontological anatomy descriptions using biomolecular signatures and reveal the affinities of enigmatic fossils would represent a new paradigm in paleontology, with tremendous potential for shedding new light on the history of life.
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