Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat neue Details der Polarlichter auf dem größten Planeten unseres Sonnensystems eingefangen. Die auf Jupiter beobachteten tanzenden Lichter sind hundertmal heller als die auf der Erde. Dank Webbs hoher Empfindlichkeit konnten Astronomen die Phänomene untersuchen, um Jupiters Magnetosphäre besser zu verstehen.
Polarlichter entstehen, wenn hochenergetische Teilchen in die Atmosphäre eines Planeten in der Nähe seiner Magnetpole eintreten und mit Atomen oder Gasmolekülen kollidieren. Auf der Erde sind diese Polarlichter als Nord- und Südlichter bekannt. Die Polarlichter auf Jupiter sind nicht nur riesig, sondern auch hundertmal energiereicher als die in der Erdatmosphäre. Die Polarlichter der Erde entstehen durch Sonnenstürme – wenn geladene Teilchen von der Sonne auf die obere Atmosphäre niedergehen, Gase mit Energie versorgen und sie in Rot-, Grün- und Violetttönen leuchten lassen.
Foto A: Nahaufnahme der Beobachtungen der Polarlichter des Jupiters
NASA, ESA, CSA, Jonathan Nichols (Universität Leicester), Mahdi Zamani (ESA/Webb)
Jupiter hat eine weitere Quelle für seine Polarlichter: Das starke Magnetfeld des Gasriesen fängt geladene Teilchen aus seiner Umgebung ein. Dazu gehören nicht nur die geladenen Teilchen des Sonnenwinds, sondern auch die Teilchen, die von seinem umkreisenden Mond Io, bekannt für seine zahlreichen und großen Vulkane, ins All geschleudert werden. Ios Vulkane spucken Teilchen aus, die der Schwerkraft des Mondes entkommen und Jupiter umkreisen. Auch eine Flut geladener Teilchen, die von der Sonne freigesetzt wird, erreicht den Planeten. Jupiters großes und starkes Magnetfeld fängt alle geladenen Teilchen ein und beschleunigt sie auf enorme Geschwindigkeiten. Diese schnellen Teilchen treffen mit hohen Energien auf die Atmosphäre des Planeten, wodurch das Gas angeregt und zum Leuchten gebracht wird.
Die einzigartigen Fähigkeiten des Webb-Teleskops liefern nun neue Einblicke in die Polarlichter des Jupiters. Die hohe Empfindlichkeit des Teleskops ermöglicht es Astronomen, schnell variierende Polarlichtmerkmale zu erfassen. Neue Daten wurden am 25. Dezember 2023 mit Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera) von einem Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Jonathan Nichols von der Universität Leicester im Vereinigten Königreich erfasst.
„Was für ein Weihnachtsgeschenk! Ich war einfach hin und weg!“, erzählte Nichols. „Wir wollten sehen, wie schnell sich die Polarlichter verändern, und erwarteten, dass sie langsam, vielleicht über eine Viertelstunde, auf- und abschwellen würden. Stattdessen beobachteten wir, wie die gesamte Polarlichtregion vor Licht sprühte und knallte, manchmal sogar sekundenschnell.“
Das Team untersuchte insbesondere die Emission des Trihydrogenkations (H3+), das in Polarlichtern entstehen kann. Es stellte fest, daß diese Emission weitaus variabler ist als bisher angenommen. Die Beobachtungen werden dazu beitragen, das Verständnis der Erwärmung und Abkühlung der oberen Atmosphäre des Jupiters zu vertiefen.
Das Team entdeckte in seinen Daten außerdem einige ungeklärte Beobachtungen.
„Was diese Beobachtungen noch spezieller machte, war die Tatsache, daß wir gleichzeitig mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA Bilder im Ultraviolettbereich machten“, fügte Nichols hinzu. „Seltsamerweise gab es für das hellste von Webb beobachtete Licht kein reales Gegenstück in Hubbles Bildern. Das hat uns vor Rätsel gestellt. Um die von Webb und Hubble beobachtete Helligkeitskombination zu erzeugen, bedarf es einer Kombination großer Mengen sehr energiearmer Teilchen, die auf die Atmosphäre treffen, was bisher für unmöglich gehalten wurde. Wir verstehen immer noch nicht, wie das passiert.“
Das Nancy Grace Roman Space Telescope, benannt nach der ersten Chefastronomin der NASA, der „Mutter des Hubble-Weltraumteleskops“, wird ein mindestens 100-mal größeres Sichtfeld als das Hubble-Teleskop haben und während seiner Lebensdauer möglicherweise Licht von einer Milliarde Galaxien messen können. Dieses Observatorium wird auch in der Lage sein, Sternenlicht zu blockieren, um Exoplaneten und planetenbildende Scheiben direkt zu sehen, eine statistische Zählung der Planetensysteme in unserer Galaxie durchzuführen und wesentliche Fragen in den Bereichen dunkle Energie, Exoplaneten und Infrarot-Astrophysik zu klären.
Forscher haben die bisher am weitesten entfernte, milchstraßenähnliche Galaxie entdeckt. Diese Scheibengalaxie mit dem Namen REBELS-25 scheint so geordnet wie heutige Galaxien, aber wir sehen sie so, wie sie war, als das Universum erst 700 Millionen Jahre alt war. Das ist überraschend, da nach unserem derzeitigen Verständnis der Galaxienbildung solche frühen Galaxien chaotischer erscheinen sollten. Die Rotation und Struktur von REBELS-25 wurden mithilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) entdeckt, an dem die Europäische Südsternwarte (ESO) beteiligt ist.
Die Galaxien, die wir heute sehen, haben sich weit von ihren chaotischen, klumpigen Gegenstücken entfernt, die Astronomen normalerweise im frühen Universum beobachten. „Nach unserem Verständnis der Galaxienbildung erwarten wir, daß die meisten frühen Galaxien klein und chaotisch aussehen“, sagt Jacqueline Hodge, Astronomin an der Universität Leiden in den Niederlanden und Co-Autorin der Studie.
Diese chaotischen, frühen Galaxien verschmelzen miteinander und entwickeln sich dann mit unglaublich langsamer Geschwindigkeit zu glatteren Formen. Aktuelle Theorien legen nahe, daß Milliarden von Jahren der Entwicklung vergangen sein müssen, damit eine Galaxie so geordnet ist wie unsere eigene Milchstraße – eine rotierende Scheibe mit ordentlichen Strukturen wie Spiralarmen. Die Entdeckung von REBELS-25 stellt diesen Zeitrahmen jedoch in Frage.
In der Studie, die zur Veröffentlichung in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society angenommen wurde, fanden Astronomen heraus, daß REBELS-25 die am weitesten entfernte, stark rotierende Scheibengalaxie ist, die jemals entdeckt wurde. Das Licht, das uns von dieser Galaxie erreicht, wurde ausgestrahlt, als das Universum erst 700 Millionen Jahre alt war – gerade einmal fünf Prozent seines heutigen Alters (13,8 Milliarden Jahre) , was die geordnete Rotation von REBELS-25 unerwartet macht. „Eine Galaxie zu sehen, die so stark von Rotation dominiert wird und so große Ähnlichkeiten mit unserer Milchstraße aufweist, stellt unser Verständnis davon in Frage, wie schnell sich Galaxien im frühen Universum zu den geordneten Galaxien des heutigen Kosmos entwickelten“, sagt Lucie Rowland, Doktorandin an der Universität Leiden und Erstautorin der Studie.
REBELS-25 wurde erstmals in früheren Beobachtungen desselben Teams entdeckt, die ebenfalls mit ALMA durchgeführt wurden, das sich in der chilenischen Atacama-Wüste befindet. Damals war es eine aufregende Entdeckung, die Hinweise auf Rotation zeigte, aber die Auflösung der Daten war nicht fein genug, um sicher zu sein. Um die Struktur und Bewegung der Galaxie richtig zu erkennen, führte das Team Folgebeobachtungen mit ALMA mit einer höheren Auflösung durch, die ihren rekordverdächtigen Charakter bestätigten. „ALMA ist das einzige existierende Teleskop mit der Empfindlichkeit und Auflösung, um dies zu erreichen“, sagt Renske Smit, Forscherin an der Liverpool John Moores University in Großbritannien und ebenfalls Co-Autorin der Studie.
Überraschenderweise deuteten die Daten auch auf weiter entwickelte Strukturen hin, die denen der Milchstraße ähneln, wie einen zentralen, länglichen Balken und sogar Spiralarme, obwohl weitere Beobachtungen erforderlich sein werden, um dies zu bestätigen. „Weitere Beweise für weiter entwickelte Strukturen zu finden, wäre eine aufregende Entdeckung, da es sich um die am weitesten entfernte Galaxie mit derartigen Strukturen handeln würde, die bisher beobachtet wurde“, sagt Rowland.
Diese zukünftigen Beobachtungen von REBELS-25 werden zusammen mit anderen Entdeckungen früher rotierender Galaxien möglicherweise unser Verständnis der frühen Galaxienbildung und der Entwicklung des Universums als Ganzes verändern.
Weitere Informationen Diese Forschung wird in einem Artikel mit dem Titel „REBELS-25: Entdeckung einer dynamisch kalten Scheibengalaxie bei z=7,31“ vorgestellt, der in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erscheinen wird.
Die Beobachtungen wurden im Rahmen des ALMA Large Program REBELS: Reionization Era Bright Emission Lines Survey durchgeführt.
Das Team besteht aus L. E. Rowland (Leiden Observatory, Universität Leiden, Niederlande [Leiden]), J. Hodge (Leiden), R. Bouwens (Leiden), P. M. Piña (Leiden), A. Hygate (Leiden), H. Algera (Astrophysical Science Center, Hiroshima University, Japan [HASC]; National Astronomical Observatory of Japan, Japan), M. Aravena (Núcleo de Astronomía, Facultad de. Ingen). iería y Ciencias, Universidad Diego Portales, Chile), R. Bowler (Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester, UK), E. da Cunha (International Centre for Radio Astronomy Research, University of Western Australia, Australien; ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions), P. Dayal (Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, Niederlande), A. Ferrara (Scuola Normale Superiore, Italien [SNS]), T. Herard-Demanche (Leiden), H. Inami (HASC), I. van Leeuwen (Leiden), I. de Looze (Sterrenkundig Observatorium, Universität Gent, Belgien), P. Oesch (Abteilung für Astronomie, Universität Genf, Schweiz; Cosmic Dawn Center, Dänemark), A. Pallottini (SNS), S. Phillips (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK [LJMU]), M. Rybak (Fakultät für Elektrotechnik, Technische Universität Delft, Niederlande; Leiden; Niederländisches Institut für Weltraumforschung, Niederlande), S. Schouws (Leiden), R. Smit (LJMU), L. Sommovigo (Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, USA), M. Stefanon (Departament d’Astronomia i Astrofísica, Universitat de València, Spanien; Grupo de Astrofísica Extragaláctica y Cosmología, Universitat de València, Spanien), P. van der Werf (Leiden).
Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), eine internationale astronomische Einrichtung, ist eine Partnerschaft zwischen ESO, der amerikanischen National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) Japans in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von ESO im Namen seiner Mitgliedsstaaten, von NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem National Science and Technology Council (NSTC) in Taiwan und von NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert.
ALMA-Bau und -Betrieb werden von ESO im Namen seiner Mitgliedsstaaten geleitet; vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das von Associated Universities, Inc. (AUI) verwaltet wird, im Namen Nordamerikas; und vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) im Namen Ostasiens. Das Joint ALMA Observatory (JAO) übernimmt die einheitliche Leitung und Verwaltung des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von ALMA. Die Europäische Südsternwarte (ESO) ermöglicht es Wissenschaftlern weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Wohle aller zu lüften. Wir entwerfen, bauen und betreiben bodengestützte Observatorien von Weltklasse – mit denen Astronomen spannende Fragen angehen und die Faszination der Astronomie verbreiten – und fördern die internationale Zusammenarbeit im Bereich der Astronomie. Die 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründete ESO wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Österreich, Belgien, Tschechien, Dänemark, Frankreich, Finnland, Deutschland, Irland, Italien, die Niederlande, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und das Vereinigte Königreich) sowie dem Gastgeberland Chile und Australien als strategischen Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO sowie ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während unsere Teleskope in der chilenischen Atacamawüste stehen, einem wunderbaren Ort mit einzigartigen Bedingungen zur Himmelsbeobachtung.
Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und sein Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie VISTA. Ebenfalls auf dem Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Gemeinsam mit internationalen Partnern betreibt die ESO ALMA auf Chajnantor, eine Einrichtung, die den Himmel im Millimeter- und Submillimeterbereich beobachtet. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe des Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.
Nachdem ein NASA-Astronaut im Rahmen der SpaceX Crew-8-Mission der NASA am Freitag sicher auf der Erde gelandet war, trat bei ihm ein medizinisches Problem auf. Die NASA-Astronauten Matthew Dominick, Michael Barratt und Jeanette Epps sowie der Roscosmos-Kosmonaut Alexander Grebenkin wurden gemeinsam zum Ascension Sacred Heart Pensacola in Florida geflogen.
Nach der medizinischen Untersuchung im Krankenhaus verließen drei der Besatzungsmitglieder Pensacola und sind im Johnson Space Center der NASA in Houston angekommen.
Der eine Astronaut, der auf Ascension verbleibt, befindet sich in stabilem Zustand und wird vorsorglich beobachtet. Um die medizinische Privatsphäre des Besatzungsmitglieds zu schützen, werden keine spezifischen Details zum Zustand oder zur Identität des Einzelnen weitergegeben.
Bei seiner Rückkehr zur Erde führte die SpaceX Dragon einen normalen Eintritt und eine normale Wasserung durch. Die Bergung der Besatzung und des Raumschiffs verlief ohne Zwischenfälle. Während routinemäßiger medizinischer Untersuchungen auf dem Bergungsschiff wurde aus Vorsicht die zusätzliche Untersuchung der Besatzungsmitglieder angefordert.
Wir sind Ascension Sacred Heart für seine Unterstützung in dieser Zeit dankbar und stolz auf unser Team und sein schnelles Handeln, um die Sicherheit unserer Crewmitglieder zu gewährleisten.
Die Crew-8-Crewmitglieder wasserten an Bord ihres Dragon-Raumschiffs in der Nähe von Pensacola, Florida, um eine 235-tägige Mission abzuschließen, von der sie 232 Tage an Bord der Internationalen Raumstation verbrachten, um wissenschaftliche Forschung zu betreiben.
Die Teams von NASA und SpaceX haben den nächsten Starttermin für die SpaceX Crew-9-Mission der NASA auf frühestens 13:17 Uhr EDT am Samstag, den 28. September, von der Cape Canaveral Space Force Station in Florida verschoben, da in der Region tropische Stürme zu erwarten sind. Die Änderung ermöglicht es den Teams, am Dienstagabend eine Probe der Startaktivitäten mit dem SpaceX Dragon-Raumschiff und der Falcon 9-Rakete durchzuführen, die früher am Tag zum Space Launch Complex-40 gerollt waren. Nach den Probeaktivitäten wird das integrierte System vor möglichen Sturmaktivitäten in den Hangar zurückkehren.
Obwohl der tropische Sturm Helene durch den Golf von Mexiko zieht und voraussichtlich den Florida Panhandle treffen wird, ist das Sturmsystem groß genug, daß in den Regionen Cape Canaveral und Merritt Island an Floridas Ostküste mit starken Winden und heftigen Regenfällen zu rechnen ist.
NASA-Astronaut Nick Hague und Roscosmos-Kosmonaut Aleksandr Gorbunov werden an Bord des Raumschiffs Dragon zur Internationalen Raumstation starten. Dies wird die neunte Crew-Rotation-Mission mit SpaceX im Rahmen des Commercial Crew Program der NASA sein. Während ihrer fünfmonatigen Mission werden sie Forschungs- und Wartungsarbeiten durchführen. Der Start der Mission erfolgt vom Space Launch Complex-40 auf der Cape Canaveral Space Force Station in Florida.
Abstrakt Der größte Primat aller Zeiten und eine der größten der südostasiatischen Megafauna, Gigantopithecus blacki1, überlebte in China etwa 2,0 Millionen Jahre lang bis zum späten Mittelpleistozän, als er ausstarb2,3,4. Sein Untergang ist rätselhaft, wenn man bedenkt, daß er einer der wenigen asiatischen Menschenaffen war, die in den letzten 2,6 Millionen Jahren ausgestorben sind, während andere, darunter der Orang-Utan, bis heute überlebt haben5. Die Ursache für das Verschwinden von G. blacki bleibt ungeklärt, könnte aber Aufschluß über die Widerstandsfähigkeit der Primaten und das Schicksal der Megafauna in dieser Region geben6. Hier haben die Forscher drei multidisziplinäre Analysen – Zeitablauf, vergangene Umgebungen und Verhalten – auf 22 Höhlen in Südchina angewendet. Sie haben 157 radiometrische Alter aus sechs Datierungstechniken verwendet, um einen Zeitplan für das Ableben von G. blacki zu erstellen. Sie zeigen, daß die Umwelt vor 2,3 Millionen Jahren ein Mosaik aus Wäldern und Gräsern war, das ideale Bedingungen für gedeihende G. blacki-Populationen bot. Kurz vor und während des Aussterbefensters vor 295.000 bis 215.000 Jahren kam es jedoch aufgrund der zunehmenden Saisonalität zu einer erhöhten Umweltvariabilität, die zu Veränderungen in den Pflanzengemeinschaften und einer Zunahme offener Waldumgebungen führte. Obwohl es seinem nahen Verwandten Pongo weidenreichi gelang, seine Ernährungspräferenzen und sein Verhalten an diese Variabilität anzupassen, zeigte G. blacki Anzeichen von chronischem Stress und schrumpfenden Populationen. Letztendlich führte sein Anpassungskampf zum Aussterben des größten Primaten, der jemals auf der Erde gelebt hat.
Kerninhalt Unser derzeitiges Verständnis von Gigantopithecus blacki beruht auf Höhlenablagerungen des frühen bis mittleren Pleistozäns in Südchina zwischen dem Jangtsekiang und dem Südchinesischen Meer (Abb. 1 und Abschnitt 1 mit ergänzenden Informationen). Diese Pongine7 gilt als Schlüsselmitglied der früh- bis mittelpleistozänen Faunenzonen Gigantopithecus–Sinomastodon und Stegodon–Ailuropoda im (sub)tropischen Ostasien, von etwa 2,0 Millionen Jahren (Ma) bis 330 Tausend Jahren (ka) 2,3 ,8,9. Er ist bekannt für seine ungewöhnlich großen Backenzähne, seine atypische Schmelzdicke, seine geschätzte Körpergröße von etwa 3 m und sein Gewicht von 200–300 kg und ist damit der größte Primat, der jemals auf der Erde gelebt hat4. Trotz 85 jähriger Suche beschränkt sich der Fossilienbestand von G. blacki auf vier Mandibeln und fast 2.000 isolierte Zähne ohne postkranielle Beweise4. Seine erste Entdeckung in einer Apotheke in Hongkong als „Drachenzahn“1 löste eine Suche nach den ersten In-situ-Funden aus10 (Weiterführende Abbildung 1f) und gipfelte in der Entdeckung mehrerer Höhlenstandorte in zwei Hauptgebieten, Chongzuo und Bubing Becken, in der ZAR-Provinz Guangxi4. Diese Stätten enthalten entscheidende Beweise für sein Überleben und seinen späteren Untergang.
Fig. 1: Die Verortung der Studiengebiete dieser Forschungsergebnisse.
a–c, Die Lage von Südchina, der ZAR-Provinz Guangxi und der Stadt Nanning (a), wobei die Lage des Chongzuo-Untersuchungsgebiets durch ein großes Kästchen (b) und das Bubing-Becken-Untersuchungsgebiet durch ein kleineres Kästchen markiert ist ( C). b, Die Lage der 16 analysierten Höhlenstandorte im Chongzuo-Untersuchungsgebiet. c, Die Lage der sechs Höhlen, die im Untersuchungsgebiet des Bubing-Beckens analysiert wurden, einschließlich sowohl G. blacki-tragender als auch nicht-G. blacki-haltiger Höhlen. Blacki-haltige Höhlen aus beiden Regionen.
Nur sehr wenige dieser G. blacki-Standorte wurden mit mehr als einer radiometrischen Technik datiert; Daher bleibt der Zeitpunkt des Aussterbens ungewiss11. Die aktuelle Zeitspanne für sein Vorkommen liegt zwischen 2,2 Ma (Baikong-Höhle12) und 420–330 ka (Hejiang-Höhle9). Während dieser Zeit erfuhr G. blacki morphologische Veränderungen, einschließlich einer Zunahme der Zahngröße13 und der Zahnkomplexität9, was offenbar auf eine Ernährungsumstellung als Reaktion auf den ökologischen Druck hindeutet13. Rekonstruktionen der Ernährung von G. blacki auf der Grundlage der Zahnanatomie weisen auf einen spezialisierten Pflanzenfresser mit Anpassungen für den Verzehr abrasiver Nahrung14,15, starkes Kauen faseriger Nahrung16,17 und eine fruchtreiche Ernährung6,18 hin. Das vielfältige Waldökosystem zur Zeit von Baikong war in der Lage, die Biomasse mehrerer Primatengemeinschaften4 in einem weiten Gebiet in den Provinzen Guangxi, Guizhou, Hainan und Hubei zu unterstützen19. Zur Zeit von Hejiang war das Verbreitungsgebiet von G. blacki jedoch drastisch auf nur noch Guangxi9,13 zurückgegangen. Die Gründe für diesen dramatischen Rückgang und das letztendliche Aussterben sind nach wie vor heftig umstritten4, da es an einem regionalen Ansatz, einer Konzentration auf einzelne Standorte und Methoden und dem Fehlen von Verhaltens-4 und Umweltbeweisen20 mangelt.
Um die möglichen Ursachen für das Aussterben von G. blacki zu identifizieren, haben die Wissenschaftler einen regionalen Ansatz auf 22 Höhlen in Chongzuo und Bubing Basin angewendet, die entweder G. blacki-tragend (11) oder nicht-G. blacki-haltig waren. Blacki-haltige (11) Höhlenablagerungen (Erweiterte Daten, Abb. 1 und 2 und Ergänzende Informationen, Abschnitte 2 und 3). Mithilfe einer Kombination aus früheren Ausgrabungen (1999–2016) und neu entdeckten Höhlen (2017–2020) identifizierten und beprobten die Forscher fossile Brekzien für Datierungen, Paläoklima-Proxies und Verhaltensanalysen. Sie haben sechs unabhängige Datierungstechniken auf die Sedimente (Post-Infrarot-Infrarot-stimulierte Lumineszenz (pIR-IRSL), optisch stimulierte Lumineszenz (OSL), Elektronenspinresonanz (ESR) auf Quarz und U-Serie auf Speläothem) und Fossilien (U-Infrarot-stimulierte Lumineszenz) angewendet. Reihen zu Zähnen, gekoppelt US-ESR), um einen Bayes’schen modellierten Altersbereich für jeden Standort zu bestimmen (Ergänzende Informationen, Abschnitte 4–8), die dann weiter modelliert wurden, um ein regionales Aussterbefenster (EW) bereitzustellen. Sie haben Pollen-, Holzkohle-, paläontologische, stabile Isotopen- und mikrostratigraphische Analysen auf die Sedimente und Fossilien angewendet, um die früheren Umgebungen zu rekonstruieren (Ergänzende Informationen, Abschnitte 3 und 10–12). Schließlich haben wir eine Spurenelement-, stabile Isotopen- und Dental-Microwear-Texturanalyse (DMTA) auf die Zähne von G. blacki und den engsten Verwandten von Pongo weidenreichi angewendet, um etwaige Veränderungen in der Ernährung und im Verhalten von G. blacki vor und innerhalb der EW zu bestimmen, die damit in Zusammenhang stehen könnten bis zu seinem Untergang (Ergänzende Informationen, Abschnitte 12–14).
Den 157 radiometrischen Altersschätzungen zufolge liegen die Fossilfunde in den 22 Höhlen zwischen 2.300 und 49 ka (Abb. 2a und 3a, Erweiterte Daten Abb. 3–6 und Ergänzende Informationen in den Abschnitten 4–8 für alle Datierungstabellen und Diskussion von Einschränkungen). und Unsicherheiten). Diese Studie erweitert die Zeitachse für das Vorkommen von G. blacki von 2,3 Ma auf 255 ka, liefert einen genauen Zeitpunkt für das Fenster des Aussterbens bei 295–215 ka (2σ) (Ergänzende Informationen, Abschnitt 9) und legt Schwerpunkte für die Paläoumwelt und fest Verhaltensanalyse (Prä-EW (2.300–700 ka), Übergangsphase (700–295 ka), EW (295–215 ka) und Post-EW (215 ka bis heute)).
Fig. 2: Beispieldatensätze zur Unterstützung der Aussterbeereignisse.
a–d, Daten beziehen sich auf das Timing (a), die Umgebung (b) und das Verhalten (c,d), die von den Standorten präsentiert werden. a, Modellierte Altersbereiche jeder Höhle (n = 22 Höhlen) unter Verwendung des minimalen und maximalen Alters der fossilführenden Einheit (n = 157 Proben). Die Höhlen (x-Achse) im Vergleich zum Alter (y-Achse), mit G. blacki (grüne Kreise) und Nicht-G. Blacki (orangefarbene Kreise) Brekzie. Die Datenpunkte stellen Durchschnittsalter mit Standardabweichung dar. bei 2σ Unsicherheiten. Die Einschübe sind modellierte Brekzien aus Queque (i) und Baxian (ii). G, G. blacki-führende Brekzie; F1, darüber liegender Fließstein; und Non-G, Abwesenheit von G. blacki. Datenpunkte sind Durchschnittsalter mit Standardabweichung. bei 2σ Unsicherheiten. Die schwarzen horizontalen Rechtecke (mit gestrichelten Linien) stellen die Grenze gemäß der Modellierung dar (Ergänzende Informationen, Abschnitt 2 und Ergänzende Abbildung S1a – v). Die modellierte EW ist die vertikale graue Linie. b, Prozentsatz der Pollen von den Standorten in a, die Baumarten (grün), Nichtbaumarten (gelb) und Farne (orange) repräsentieren. Die Kreisdiagramme liefern einen Durchschnitt der Pollenveränderungen vor (links) und nach dem Aussterben (rechts). c, DMTA-Boxplot-Reihe nach Alter von 12 Höhlen (x-Achse) versus molarer Mikroverschleißkomplexität (Asfc, oben, y-Achse) und Anisotropie (epLsar, unten, y-Achse) von G. blacki (rot, n = 16) und P . weidenreichi (blau, n = 22). Die Größenbereiche der Boxplots stellen mittlere Komplexitäts- und Anisotropiewerte pro Standort dar. Die Daten werden als Mittelwerte ± Interquartilbereich und Whiskers bei 95 % KI dargestellt (Ergänzungstabelle S28). d, Spurenelementkartierung von G. blacki und P. weidenreichi. Sr/Ca (i) und Ba/Ca (ii) eines rechten M3 G. blacki-Zahns (CSQSN-44) und Sr/Ca-Karte eines rechten M2 P. weidenreichi-Zahns (CSQ0811-4) (iii), alle aus Queque Höhle. Unten: Sr/Ca (iv) und Ba/Ca (v) aus einem P4-Zahn von G. blacki (ST_02_109) im Vergleich zu Sr/Ca (vi) aus einem linken M3-Zahn von P. weidenreichi (CLMST0911-118), alle aus Shuangtan-Höhle. a.u., beliebige Einheiten.
Abb. 3: Eine Zusammenfassung aller Datensätze, chronologisch aufbereitet.
a, Zeitleiste des Aussterbens basierend auf den modellierten Altersspannen für alle 22 Höhlen. Die Zahlen auf der y-Achse beziehen sich auf die Höhlen in Abb. 2a. Beachten Sie die verkürzte Zeitleiste (1.800 ka). Die EW (255 ± 40 ka) ist eine vertikale graue Box (EW) mit einer durchgezogenen, hellgrauen Box (Übergangsphase) für den Beginn einer erhöhten Umweltvariabilität. b, Der Prozentsatz an Pollen, aufgetragen auf einer Zeitachse, gruppiert in baumartige (grün), nicht baumartige (gelb) und Farne (orange). Die dunkleren Streifen stellen Standorte dar, die Pollendaten enthalten, während die helleren Abschnitte dazwischen eine Schätzung der Pollenveränderungen darstellen. Die Mikrokohle (schwarze gestrichelte Linie) korreliert mit der Zunahme der Farne und dem Rückgang der Baumbedeckung. Die dunkelgrünen Baumabschnitte stellen Waldstörungen dar. Taxa mit hohem Umsatz wie Trema, Celtis und Sapindaceae sind während der Übergangsphase und in Ostwesteuropa vorhanden. c, Der Prozentsatz der Zähne von G. blacki (rot) im Verhältnis zu den Zähnen von P. weidenreichi (blau) in repräsentativen Höhlen als grober Indikator für die relative Häufigkeit von G. blacki im Vergleich zu P. weidenreichi an jedem Standort. Die relative Anzahl der G. blacki-Zähne nimmt unmittelbar vor der Übergangsphase ab, was eine Veränderung in der Zusammensetzung der Fauna darstellt, und während der Übergangsphase, was die Ausrottung von G. blacki bedeutet. d,e, Isotopenänderungen für fossile Zähne von P. weidenreichi (blaue Kreise und Dreiecke) und G blacki (rote Kreise und Dreiecke), aufgezeichnet auf einer Zeitachse; moderne P. weidenreichi sind blaue Quadrate. δ13C (‰) (d) und δ18O(‰) (e). f,g, DMTA-Boxplot-Zeitreihen für Mikroverschleißkomplexität (f) und Anisotropie (g) von G. blacki (rot) und P. weidenreichi (blau); Definitionen siehe Abb. 2c. h, Ein Landschafts- und Umweltzeitschnitt, der die Veränderung der Vegetation und der Primatenarten von der Zeit vor der EW über die EW bis zur Zeit nach der EW zeigt.
Dir durchgeführte Pollenanalyse zeigt, daß die Umwelt während der Vor-EW von Baumarten (Pinaceae, Fagaceae und Betulaceae) mit Grünlandflächen dominiert wurde (Abb. 2b und 3b). Allerdings kam es vor der EW während der Übergangsphase zu einer Veränderung der Waldpflanzengemeinschaften und einer Zunahme der Waldstörungstaxa, wobei offenere Wälder dominierten. Nach der EW etwa 200 ka gab es einen starken Rückgang der Baumbedeckung, eine Zunahme der Farne (z. B. Moraceae und Podocarpus), eine starke Zunahme des Graslandes (z. B. Poaceae) und vermehrte Anzeichen von Holzkohle in der Landschaft (Erweitert). Daten Abb. 7 und ergänzende Informationen Abschnitt 10).
Eine detaillierte Faunenanalyse zeigt, daß die Standorte vor der EW durch G. blacki (in relativ großer Zahl) (Abb. 3c), Ailuropoda microta, Procynocephalus, Sinomastodon, Stegodon, Hesperotherium und Hippopotamodon gekennzeichnet waren, die sich zu G. blacki (in relativ großer Zahl) verlagerten kleine Zahlen) (Abb. 3c), Ailuropoda baconi, Stegodon und Elephas vor dem EW und ein Fehlen von G. blacki nach dem EW (Ergänzende Informationen, Abschnitt 3). Die mikrostratigraphischen Analysen von fünf Höhlen zeigen vor-EW-Mikrofazies, die von feinen Körnern, höheren Tonen und Oxiden, Bioturbation und Guano-induzierter Phosphatierung dominiert werden. Im EW nahmen die Korngrößen zu, wobei geringere Oxide, Bioturbation und Knochen-/Zahnveränderungen eine bessere Fossilerhaltung ermöglichten. Während der Zeit nach der EW kehrte dies zu den Merkmalen vor der EW zurück (Erweiterte Daten, Abb. 8c und Abschnitt 11 mit ergänzenden Informationen).
Die stabilen Isotopendaten deuten darauf hin, dass δ13C und δ18O von G. blacki für die Zeit vor dem EW zwischen −16,2 und −13,8 ‰ bzw. −9,7 und −7,0 ‰ liegen. Während der EW steigt dieser leicht auf −15,3 bis −10,3 ‰ bzw. −9,3 bis −6,3 ‰. Im Fall von P. weidenreichi sind die δ13C- und δ18O-Bereiche vor EW ähnlich bei –14,7 bis –13,7‰ und –7,1 bis –6,3‰, erstrecken sich auf –14,7 bis –13,3‰ und ändern sich auf –4,9 und –4,4‰ während der EW-Periode (Abb. 3d, e, Erweiterte Daten Abb. 8b und Abschnitt 12 mit ergänzenden Informationen).
Die Spurenelementanalyse der G. blacki-Zähne vor der EW zeigt mehrere deutliche und synchrone Sr/Ca- und Ba/Ca-Streifen im Zahnschmelz und Dentin, die sich in deutlich weniger sichtbare diffuse Streifen näher an der EW ändern (Abb. 2d, erweitert). Daten Abb. 9 und 10a und ergänzende Informationen Abschnitt 13). Darüber hinaus ist in der Prä-EW eine deutliche Ableitungsstreifenbildung zu erkennen, die während der EW weniger deutlich wird (Extended Data Abb. 10a). Die Microwear-Analyse zeigt keine statistisch signifikanten Ernährungsunterschiede zwischen G. blacki- und P. weidenreichi-tragenden Standorten (Ergänzende Informationen, Abschnitt 14). Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede in der Ernährung an vier G. blacki-tragenden Standorten zwischen der Zeit vor der EW und kurz vor der EW. G. blacki neigt dazu, etwas höhere Schwankungen der mittleren Anisotropie- und Komplexitätstrendlinien zu zeigen, wohingegen die von P. weidenreichi stabiler zu sein scheinen, insbesondere für die Anisotropie über die EW hinaus (Abb. 2c und 3f, g, erweiterte Daten Abb. 10b und). Ergänzende Informationen Abschnitt 14).
Zum ersten Mal wurde die größte Sammlung von In-situ-Beweisen von G. blacki über sein gesamtes Verbreitungsgebiet genau datiert, um eine genaue Zeitleiste für die Anwesenheit und Abwesenheit von G. blacki im Fossilienbestand zu liefern. Frühere Datierungen konzentrierten sich hauptsächlich auf die früheren Beweise für G. blacki2,8 und ortsspezifische Chronologien (z. B. Lit. 9). Im Gegensatz dazu wurde durch die Eingrenzung von Höhlen innerhalb des gesamten Altersbereichs sowohl im Chongzuo- als auch im Bubing-Becken ein genaueres regionales Fenster des Aussterbens bei 295–215 ka ermittelt.
Die Pollen- und Faunendaten deuten darauf hin, daß die frühen Mosaiklandschaften vor der EW in der Übergangsphase durch eine erhöhte Umweltvariabilität unterbrochen wurden (Abb. 3b), was durch die Veränderung der Waldgemeinschaften und -strukturen nahegelegt wird, und nach der EW, wie durch einen Rückgang der Baumbestände nahegelegt Bedeckung und eine Zunahme von Farnen und Grasland im Zusammenhang mit Bränden. Diese Variabilität begann schrittweise zwischen 1.100 und 350 ka und nahm ab etwa 200 ka dramatisch zu (Abb. 3b). Es wurde diese Variabilität als Verschiebungen hin zu erhöhter Saisonalität und trockeneren Umgebungen interpretiert, die zu einer Verlagerung hin zu saisonalen subtropischen/tropischen feuchten Tieflandwäldern und einer Zunahme von Sträuchern und offenen Graslandumgebungen vor und während der EW führten (Ergänzende Informationen, Abschnitt 10). Diese Umweltvariabilität zeigt sich auch in der Sedimentaufzeichnung, da die stabilen Niedrigenergieumgebungen der Vor-EW durch instabile Hochenergieumgebungen der EW ersetzt wurden, wobei die Wasserverfügbarkeit auf die Regenzeit beschränkt war (Erweiterte Daten, Abb. 8c und Abschnitt „Ergänzende Informationen“) 11).
Der Rückgang der Waldfläche in diesem Zeitraum ist in China21, Südostasien22 und Australasien23 dokumentiert. Die Pollenstudie zeigt jedoch, daß der Schlüssel zum Aussterben von G. blacki nicht in der Verschlechterung der Baumbedeckung liegt, sondern vielmehr im Einfluss von Umweltschwankungen auf die Veränderung der Zusammensetzung von Waldgemeinschaften, insbesondere in der Zunahme von Störtaxa. Die gewonnenen stabilen Isotopen- und Spurenelementdaten liefern neue Einblicke in das Ausmaß dieser Variabilität und die Auswirkungen auf G. blacki (Ergänzende Informationen, Abschnitte 12 und 13). Vor EW lebten G. blacki und P. weidenreichi beide in bewaldeten Umgebungen mit geschlossenen Baumkronen (Abb. 3b und erweiterte Daten, Abb. 8b) mit stärkerer biogener Streifenbildung (Abb. 2d(i)–(iii)), was wahrscheinlich auf a zurückzuführen ist größere Vielfalt an Nahrungsquellen, einschließlich saisonaler Früchte und Blumen und periodischer Wasserkonsum, wie durch die deutliche Bleistreifenmarkierung angezeigt (Erweiterte Daten Abb. 10a,b). Die wahrscheinlichsten Nahrungsquellen wären das ganze Jahr über in größerer Verfügbarkeit gewesen und hätten nur diskreten Stress in der Bevölkerung verursacht (Abb. 2d(i)–(iii)). Mit Ausnahme eines Individuums scheint G. blacki während der gesamten EW-Periode eine spezialisiertere geschlossene Baumkronennische unterhalten zu haben, die möglicherweise auf eine Mischung von Waldpflanzen angewiesen ist (Erweiterte Daten, Abb. 8b). Diese Spezialisierung während einer Umweltveränderung könnte zu einem diffuseren biogenen Signal im Zahngewebe der einzelnen Personen geführt haben (Abb. 2d(iv)–(v)), was auf eine stark verringerte Ernährungsvielfalt und einen geringeren regelmäßigen Wasserverbrauch schließen lässt (Erweiterte Daten, Abb. 10c). ,d) und erhöhter chronischer Stress in der Bevölkerung (Abb. 2d(iv)–(v)). Dies ist der erste Einblick in das Verhalten von G. blacki als einer Art am Rande des Aussterbens, was im krassen Gegensatz zu P. weidenreichi (Abb. 2d(vi)) steht, das zu diesem Zeitpunkt viel weniger Stress zeigt. Über den EW hinaus scheint sich P. weidenreichi verlagert zu haben, um die offeneren, saisonalen Lebensräume zu nutzen (Extended Data Abb. 8b) und möglicherweise weiterhin die saisonale Befruchtung von Früchten zu nutzen, wie es das moderne Pongo heute auf Borneo tut24.
Die Veränderungen der Mikroverschleißwerte bei G. blacki- und P. weidenreichi-Zähnen können auch mit Perioden der Fruchtknappheit zusammenhängen. G. blacki neigt dazu, spezifischere Ernährungspräferenzen zu zeigen (sowohl bei Früchten als auch bei faserhaltigen Nahrungsmitteln), was auf eine stärkere Abhängigkeit von faserhaltigen Ersatznahrungsmitteln hinweist (Abb. 2c), beispielsweise in der Ostwestküste, als das Klima saisonaler wurde und weniger Früchte verfügbar waren. Dies könnte G. blacki dazu gezwungen haben, seine Ernährung von ernährungsphysiologisch bevorzugten Komponenten in geringerem Angebot auf weniger nährstoffreiche Ersatznahrungsmittel in reichlichem Angebot umzustellen. Der erhöhte Verzehr von faserhaltigen Lebensmitteln bei P. weidenreichi im EW könnte auf eine bessere Umstellung auf Ersatznahrungsmittel und eine insgesamt flexiblere und ausgewogenere Ernährung hinweisen (Abb. 2c und erweiterte Daten, Abb. 10). Diese erste DMTA-Analyse des gesamten G. blacki-Materialspektrums bietet einen einzigartigen Einblick in seine Unfähigkeit, sich anzupassen, und seine möglicherweise schlechte Auswahl an Ersatznahrungsmitteln.
Diese Studie präsentiert einen genauen Zeitplan für das Vorkommen und Aussterben von G. blacki. In der Zeit vor der EW blühte G. blacki zusammen mit anderen Primaten als erfolgreicher Spezialist auf (Abb. 3c) und genoss eine große Nahrungsvielfalt in einem reichen immergrünen Laubwald (Abb. 2d(i)–(ii)) und reichlich Wasserquellen (Erweiterte Daten Abb. 10a–d) unter stabilen Umweltbedingungen (Abb. 2b). Etwa vor 700–600 ka kam es in der Übergangsphase zu einer Verschiebung hin zu einer zunehmenden Saisonalität, die zu einer Veränderung der Waldgemeinschaften (Abb. 3b), einer geringeren Vielfalt an Nahrungsquellen (Abb. 2d(iii)–(iv)) und instabilen hohen Temperaturen führte. Energieumgebungen (Erweiterte Daten, Abb. 8c), Veränderungen in der Zusammensetzung der Fauna und weit verbreitete Faunenumsätze (Abb. 3c und ergänzende Informationen, Abschnitt 2), eine Verlagerung hin zu saisonalen Lebensräumen durch P. weidenreichi (Erweiterte Daten, Abb. 8b) und a Veränderung der Ernährungsvielfalt und des Verhaltens von G. blacki (Abb. 2d und 3f, g).
Obwohl P. weidenreichi vor der EW eine ähnliche Umgebung hatte, gibt es zwischen 600 und 300 Jahren Hinweise darauf, daß G. blacki nicht in der Lage war, sich an diese Übergangszeit anzupassen, was einen größeren Einfluss auf seine Widerstandsfähigkeit gegenüber der sich verändernden Ökologie hatte. Die Abhängigkeit von G. blacki von Früchten und nährstoffärmeren Ersatznahrungsmitteln (Abb. 2c) führte zu einer risikoreicheren Futtersuchstrategie und machte ihn in Kombination mit seiner viel größeren, weniger beweglichen Körpergröße anfälliger für Veränderungen in der Waldstruktur25 (Abb . 2c). Darüber hinaus war G. blacki ausschließlich terrestrisch, möglicherweise mit einem kleinen geografischen Verbreitungsgebiet20, reiste jedoch regelmäßig das Tal hinunter, um Wasser zu verbrauchen (Erweiterte Daten Abb. 10a–d), wohingegen P. weidenreichi eher baumbewohnend, mobil und halbsolitär war und Wasser im Blatt sammelte Überdachung. Darüber hinaus deuten die einzigartigen dentognathen Merkmale13,14 und die riesige Körpergröße4,5 von G. blacki auf einen höheren Bedarf an Nahrungsaufnahme und ein langsameres und verzögerteres Wachstumsmuster hin, was auf eine geringere Reproduktionsrate schließen lässt26. Obwohl die Zahngröße von G. blacki im Laufe des Pleistozäns zunahm, was auch eine Zunahme der Körpergröße bedeutet, nahm die Größe von P. weidenreichi ab27. Dies macht ihn zu einem agileren Adapter. P. weidenreichi zeigte auch eine Flexibilität gegenüber offenen Lebensräumen (Extended Data Abb. 8b), die sich möglicherweise in kleineren Gruppen bewegten, und war in der Lage, sein Verhalten als Reaktion auf Umweltschwankungen anzupassen, was zu einer weniger gestressten Population führte (Abb. 3d).
Vor etwa 300 Jahren gibt es Hinweise auf eine kämpfende G. blacki-Population, da die Anzahl der G. blacki-Höhlen und -Zähne abnahm (Abb. 3c), was auf eine schrumpfende Population hindeutet. Die starke Veränderung der Zahnbänder von G. blacki weist auf chronischen Stress in der Bevölkerung hin (Abb. 2d(iv)–(v)) und weist auf Veränderungen des bevorzugten Ernährungsverhaltens (Abb. 2c und Extended Data Abb. 10f, g) hin dass G. blacki Schwierigkeiten hatte, auf die Umweltveränderungen in einem potenziell schrumpfenden Gebiet zu reagieren20. Es scheint, daß seine Waldrefugien ihre Struktur verändert haben und zu offen und gestört geworden sind, als dass sich diese Art ernähren könnte. Im Vergleich zu anderen bekannten Aussterbeereignissen in Nordamerika und Australien, die vom Homo sapiens28,29,30 beeinflusst wurden, gibt es keine Hinweise darauf, dass archaische Homininen bei diesem früheren Aussterben der Megafauna in Südchina eine Rolle gespielt haben.
Die Angabe einer definierten Ursache für das Aussterben ist für viele ausgestorbene Arten eine Leistung, die selten erreicht wurde, da sie einen gattungs- und artspezifischen Ansatz erfordert28. Obwohl es sehr schwierig sein kann, die genauen Ursachen für die Ausrottung und das Aussterben der Megafauna zu bestimmen29,30, liefert unsere Multiproxy-Aufzeichnung des Zeitpunkts, der Umwelt und des Verhaltens von G. blacki fundierte regionale Einblicke in den ökologischen Kontext dieser Art. G. blacki war der ultimative Spezialist und als sich die Baumumgebung veränderte, besiegelte sein Kampf um die Anpassung sein Schicksal. Im Vergleich dazu verbreitete und diversifizierte sich der generalistische Homo in dieser Zeit über ganz Südostasien und schien die neuen Mosaikumgebungen, die für G. blacki ein solches Problem darstellten, flexibel ausgenutzt zu haben. Insgesamt liefert unser Datensatz einen wichtigen Kontext für die sich verändernden Schicksale verschiedener Primatenarten in Südostasien und wirft neues Licht auf den Untergang des größten Primaten, der jemals auf dem Planeten gelebt hat.
Samuel Boury, Scott Weady und Leif Ristroph Physik. Rev. Fluids 8, 110503 – Veröffentlicht am 16. November 2023
Einige geologische Beweise deuten darauf hin, daß die Große Sphinx eine natürliche Landform war, bevor ihre Oberfläche von den alten Ägyptern verändert wurde [1,2]. Ist diese umstrittene Theorie überhaupt plausibel? Etwas Unterstützung kommt von einer Klasse von Landformen namens Yardangs, die sitzenden Löwen ähneln, aber wie und warum sie solche Formen annehmen, ist rätselhaft [3,4]. Strömungsmechanische Untersuchungen können Erkenntnisse liefern, indem sie zeigen, welche Arten von Formationen durch Strömungserosion geformt werden können, und Visualisierungsstudien können die Mechanismen aufdecken, die die beobachteten Formen mit den Strömungen verbinden.
Die Wissenschaftler untersuchten dieses Problem, indem sie Laborexperimente zur Erosion von Körpern aus Ton durchführten, die von schnell fließendem Wasser umspült werden. Basierend auf Berichten über die ungleichmäßige Zusammensetzung des Gesteins, aus dem die Sphinx besteht [5], haben sie die Wirkung harter, nicht abbaubarer Einschlüsse in Hügeln aus weicherem Ton getestet. Als Idealisierung eines vorherrschenden Windmusters setzten sie die Körper der unidirektionalen Strömung eines Wassertunnels aus. Unter geeigneten Bedingungen stellen sie fest, daß sphinxartige „Skulpturen“ durch die Strömung geformt werden, wie in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt.
Abbildung 1
Eine Laborsphinx in der Strömung eines Wassertunnels.Das Objekt ist mit Ton und Fluoreszeinfarbstoff beschichtet, und das Foto fängt das „Streifenvolumen“ oder den 3D-Flussbereich ein, der irgendwann in die Grenzschicht eingedrungen ist und die Oberfläche erodiert hat.
Abbildung 2 Visualisierung von Strömungsstreifenlinien in vertikaler (links) und horizontaler (rechts) Ebene. Nicht dargestellt ist eine Reihe von Injektionsschläuchen, die Filamente aus Fluorescein-Farbstoff in den stromaufwärts gelegenen Strom abgeben.
Unter der Annahme, daß die ursprüngliche Form keine Merkmale aufweisen sollte, bauten sie einen Hügel aus Bentonit-Ton zu einem halben Ellipsoid auf, dessen Längsachse mit der Strömung aus einem Wassertunnel ausgerichtet ist (Engineering Laboratory Design). Der Ton ist ein Pulver, dem Wasser im Verhältnis 2:1 zugesetzt wird, um eine steife Paste zu bilden, die Schicht für Schicht auf eine Plattform aufgetragen wird, die als „Grundgestein“ dient. Die Materialinhomogenität hat die einfache Form eines kurzen, erosionsbeständigen Kunststoffzylinders, der zunächst vollständig im Ton eingeschlossen ist. Das Foto in Abb. 1 zeigt ein späteres Stadium, das einem ruhenden Löwen ähnelt. Der inzwischen weitgehend ausgegrabene zylindrische Einschluss ist zum „Kopf“ geworden, der dem Wind zugewandt ist. Es ist unterschnitten, um einen „Hals“ zu bilden, der mit dem Körper verbunden ist, während „Pfoten“ an der Basis verbleiben. Was verursacht diese Anatomie?
Die Laborumgebung komprimiert Zeit und Raum im Vergleich zu dem, was in der Natur geschieht. Die laborgemachten Strukturen entwickeln sich über Stunden und ihre Größe ermöglicht es den Forschern, die 3D-Morphologie in regelmäßigen Abständen mit einem optischen Scanner (Shinning 3D EinScan-SE) zu erfassen. Aus der Strömung entfernt, wird der Körper mit Lichtmustern beleuchtet und aus vielen Winkeln stereoskopisch abgebildet. Diese Daten fließen in eine digitale Rekonstruktion mit einer Auflösung von etwa 0,1 mm ein. Da die Tonskulptur vergänglich ist, eignet sie sich schlecht für die Strömungsvisualisierung. Stattdessen wandeln die Forscher den Oberflächenscan im Sphinx-ähnlichen Stadium in eine Datei mit fester Geometrie um, die mithilfe eines Stereolithographiedruckers (Formlabs Form 3L) in 3D aus Kunststoffharz gedruckt wird.
Das Foto in Abb. 1 entsteht, indem eine dünne Schicht aus mit Fluoreszeinfarbstoff vermischtem Ton über das gedruckte Formular aufgetragen wird [6], das dann zur Aufnahme mit einer Digitalkamera (Nikon D610) in den Strömungstunnel zurückgeführt wird. Die neongrünen Farbtöne des Originalbildes werden in Sand- und Ockertöne umgewandelt. Ein hoher Kontrast wird durch mattschwarze Hintergrundplatten und die Beleuchtung durch hellweiße Lampen erzielt, die darauf abzielen, die Farbe zu verstärken, ohne Schatten zu werfen. Die Verwendung eines vergrößerten Körpers erwies sich als nützlich, um die gleiche Reynolds-Zahl Re bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, was zu einer geringeren Dispersion des Farbstoffs führt. Eine niedrigere Geschwindigkeit ist auch hilfreich, um die Arbeitszeit zum Sammeln von Fotos zu verlängern, die im Umlauftunnel durch die Rückführung der verschmutzten Flüssigkeit in den Testabschnitt begrenzt ist.
Abbildung 1 kann als „Streifenvolumen“ oder als 3D-Bereich interpretiert werden, der von der gesamten Flüssigkeit ausgeschwemmt wird, die innerhalb der Grenzschicht geflossen ist und die Oberfläche erodiert hat. Offensichtlich ist ein Großteil des Körpers von getrennten Strömungen und dem turbulenten Wirbelstrom umgeben. Vom Kopf austretende Wirbel bilden die wellige und wogende „Mähne“ des Löwen, und diese Strömungen scheinen für die verstärkte Erosion unmittelbar stromabwärts des Kopfes verantwortlich zu sein, die zur Entstehung des gewölbten Rückens führt.
Die Luv-Merkmale des Löwen lassen sich besser durch Streifenlinienbildgebung mit Farbstofffäden erklären, die vor der Struktur freigesetzt werden, wie in den Seiten- und Draufsichtfotos von Abb. 2 gezeigt. Hier wurden Anordnungen von Injektionsschläuchen verwendt, durch die hindurch Fluorescein-Farbstoff wird zugeführt und die Bilder werden erneut umgefärbt. Um gerade statt gewundene Filamente zu erhalten, sind schlanke Rohre erforderlich, deren Enden sorgfältig entgratet und abgeschrägt sind und die sanft gebogen werden, um sich sanft an die Strömung anzupassen. Ein größeres Modell und eine langsamere Strömungsgeschwindigkeit tragen wiederum dazu bei, die Dispersion des Farbstoffs zu minimieren. Es ist unnötig, aber hilfreich, die Dichte des Farbstoffs durch Zugabe von Alkohol und die Fließgeschwindigkeit anzupassen, was wir mit einer Mariotte-Flasche erreichen, die auch eine konstante Zufuhrrate aufrechterhält.
Es wird beobachtet, daß die Teile der Streifenlinien direkt stromaufwärts und an den Seiten der Kopfregion stabil sind. Sie können daher als Stromlinien interpretiert werden, deren Abstände die lokale Strömungsgeschwindigkeit anzeigen, wobei enger beieinander liegende Linien aufgrund der Massenerhaltung des inkompressiblen Fluids mit einer schnelleren Strömung einhergehen. Das Seitenansichtsbild zeigt schnellere Strömungen im Bereich des Halses des Löwen, da der Strom vom Kopf oben und den Pfoten unten eingeleitet wird. Das Draufsichtbild zeigt auch schnellere Strömungen in diesem Bereich, was in der horizontalen Ebene auf die Aufteilung und Umlenkung des einströmenden Stroms um den Hals zurückzuführen ist. Diese verstärkenden Effekte könnten die lokal hohe Scherbeanspruchung und die hohe Erosionsrate direkt unter dem Kopf erklären und damit erklären, warum starkes Schnitzen den Hals eingräbt und die Pfoten freilegt.
Das Laborsystem ist bestenfalls von Landformen inspiriert und hat einen qualitativen Bezug zu ihnen. Es wurden Objekte mit einer typischen Größe von 10 cm in Wasserströmungen mit einer typischen Geschwindigkeit von 10 cm/s untersucht und ergeben Re=O(104), die um Größenordnungen niedriger sind als die, die für natürliche Yardangs auftreten. Ton in fließendem Wasser gehorcht einem einfachen Gesetz, bei dem die Erosionsrate mit der lokalen Fluidscherspannung auf der festen Oberfläche variiert [7,8]. Im Gegensatz dazu umfassen die relevanten äolischen oder windgetriebenen Prozesse den Abrieb durch vom Wind getragene Körner und die Abreibung oder den Transport gelöster Körner durch turbulente Strömungen [9,10]. Dennoch sind möglicherweise einige allgemeine Aspekte des Problems der Formflussentwicklung robust gegenüber Systemdetails.
Die Forschungsergebnisse legen nahe, daß sich unter recht alltäglichen Bedingungen sphinxartige Strukturen bilden können. Diese Erkenntnisse lösen kaum die Geheimnisse hinter Yardangs und der Großen Sphinx, aber vielleicht regen sie uns zu der Frage an, auf welche beeindruckenden Landformen die alten Völker in den Wüsten Ägyptens gestoßen sein könnten und warum sie sich ein phantastisches Geschöpf vorgestellt haben könnten.
Wir danken R. Mehta und K. Long vom NASA Ames Research Center für Diskussionen über Streak-Line-Bildgebung und danken der National Science Foundation für ihre Unterstützung durch den Zuschuss Nr. DMS-2206573.
Referenzen 1 F. El-Baz, Desert builders knew a good thing when they saw it, Smithsonian 12, 116 (1981). 2 G. Gerster and F. El-Baz, Egypt’s desert of promise, National Geographic 161, 190 (1982). 3 A. S. Goudie, Mega-yardangs: A global analysis, Geography Compass 1, 65 (2007). 4 A. J. Parsons and A. D. Abrajams, Geomorphology of Desert Environments, 2nd ed. (Springer, Dordrecht, 2009). 5 K. L. Gauri, Geologic study of the sphinx, Newsletter of the American Research Centre In Egypt 127, 24 (1984). 6 K. Amin, J. M. Huang, K. J. Hu, J. Zhang, and L. Ristroph, The role of shape-dependent flight stability in the origin of oriented meteorites, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 16180 (2019). 7 M. N. J. Moore, L. Ristroph, S. Childress, J. Zhang, and M. J. Shelley, Self-similar evolution of a body eroding in a fluid flow, Phys. Fluids 25, 116602 (2013). 8 L. Ristroph, M. N. J. Moore, S. Childress, M. J. Shelley, and J. Zhang, Sculpting of an erodible body by flowing water, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 19606 (2012). 9 R. S. Anderson, Erosion profiles due to particles entrained by wind: Application of an eolian sediment-transport model, Geological Society of America Bulletin 97, 1270 (1986). 10 M. S. Yalin, Mechanics of Sediment Transport (Pergamon, Oxford, 1976).
Die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, bekannt als Hubble-Konstante, ist einer der grundlegenden Parameter für das Verständnis der Entwicklung und des endgültigen Schicksals des Kosmos. Es besteht jedoch ein anhaltender Unterschied, der als „Hubble-Spannung“ bezeichnet wird, zwischen dem Wert der Konstante, der mit einer Vielzahl unabhängiger Entfernungsindikatoren gemessen wird, und dem Wert, der aus dem Nachglühen des Urknalls vorhergesagt wird.
Kombinierte Beobachtungen der NIRCam (Near-Infrared Camera) der NASA und der WFC3 (Wide Field Camera 3) von Hubble zeigen die Spiralgalaxie NGC 5584, die 72 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Zu den leuchtenden Sternen von NGC 5584 gehören pulsierende Sterne, sogenannte Cepheid-Variablen, und Supernovae vom Typ Ia, eine besondere Klasse explodierender Sterne. Astronomen nutzen Cepheid-Variablen und Typ-Ia-Supernovae als zuverlässige Entfernungsmarker, um die Expansionsrate des Universums zu messen. Credit: NASA, ESA, CSA, and A. Riess (STScI).
Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA bietet neue Möglichkeiten, einige der stärksten Beobachtungsbeweise für diese Spannung zu untersuchen und zu verfeinern. Nobelpreisträger Adam Riess von der Johns Hopkins University und dem Space Telescope Science Institute stellt die jüngste Arbeit von ihm und seinen Kollegen vor, bei der er Webb-Beobachtungen nutzte, um die Präzision lokaler Messungen der Hubble-Konstante zu verbessern.
„Hatten Sie jemals Schwierigkeiten, ein Schild zu erkennen, das sich am Rande Ihres Sichtfelds befand? Was sagt es? Was bedeutet das? Selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen erscheinen die „Zeichen“, die Astronomen lesen wollen, so klein, dass auch wir Schwierigkeiten haben.
„Das Zeichen, das Kosmologen lesen wollen, ist ein kosmisches Geschwindigkeitsbegrenzungszeichen, das uns sagt, wie schnell sich das Universum ausdehnt – eine Zahl, die Hubble-Konstante genannt wird.“ Unser Zeichen ist in die Sterne entfernter Galaxien eingeschrieben. Die Helligkeiten bestimmter Sterne in diesen Galaxien verraten uns, wie weit sie entfernt sind und wie lange dieses Licht somit gereist ist, um uns zu erreichen, und die Rotverschiebungen der Galaxien verraten uns, wie stark sich das Universum in dieser Zeit ausgeweitet hat, und verraten uns damit die Expansionsrate. „Eine besondere Klasse von Sternen, die Cepheid-Variablen, liefert uns seit über einem Jahrhundert die genauesten Entfernungsmessungen, weil diese Sterne außerordentlich hell sind: Es handelt sich um Überriesensterne mit der hunderttausendfachen Leuchtkraft der Sonne.“ Darüber hinaus pulsieren sie über einen Zeitraum von Wochen (das heißt, sie vergrößern und verkleinern sich), was ihre relative Leuchtkraft anzeigt. Je länger die Periode, desto heller sind sie. Sie sind das Goldstandardwerkzeug zur Messung der Entfernungen von Galaxien, die hundert Millionen oder mehr Lichtjahre entfernt sind, ein entscheidender Schritt zur Bestimmung der Hubble-Konstante. Leider sind Sterne in Galaxien von unserem entfernten Standpunkt aus auf engstem Raum zusammengedrängt und daher fehlt uns oft die Auflösung, sie von ihren Nachbarn in der Sichtlinie zu trennen.
„Eine wichtige Begründung für den Bau des Hubble-Weltraumteleskops war die Lösung dieses Problems. Vor dem Hubble-Start im Jahr 1990 und den anschließenden Cepheid-Messungen war die Expansionsrate des Universums so ungewiss, dass die Astronomen nicht sicher waren, ob sich das Universum seit 10 oder 20 Milliarden Jahren ausdehnt. Das liegt daran, dass eine schnellere Expansionsrate zu einem jüngeren Alter des Universums führt und eine langsamere Expansionsrate zu einem höheren Alter des Universums. Hubble verfügt über eine bessere Auflösung im sichtbaren Wellenlängenbereich als jedes bodengestützte Teleskop, da es sich über den Unschärfeeffekten der Erdatmosphäre befindet. Dadurch kann es einzelne Cepheid-Variablen in Galaxien identifizieren, die mehr als hundert Millionen Lichtjahre entfernt sind, und das Zeitintervall messen, in dem sie ihre Helligkeit ändern.
„Allerdings müssen wir die Cepheiden auch im nahen Infrarotbereich des Spektrums beobachten, um das Licht zu sehen, das den dazwischenliegenden Staub unbeschadet durchdringt. (Staub absorbiert und streut blaues optisches Licht, lässt entfernte Objekte schwach erscheinen und täuscht uns vor, sie seien weiter entfernt als sie sind.) Leider ist Hubbles Rotlichtsicht nicht so scharf wie seine Blaulichtsicht, sodass das Licht der Cepheid-Sterne, das wir dort sehen, mit anderen Sternen in seinem Sichtfeld vermischt ist. Wir können die durchschnittliche Mischungsmenge statistisch auf die gleiche Weise erklären, wie ein Arzt Ihr Gewicht ermittelt, indem er das durchschnittliche Gewicht der Kleidung vom Messwert auf der Waage abzieht. Dies führt jedoch zu einer Verzerrung der Messungen. Die Kleidung einiger Menschen ist schwerer als die anderer.
„Die scharfe Infrarotsicht ist jedoch eine der Superkräfte des James-Webb-Weltraumteleskops. Mit seinem großen Spiegel und seiner empfindlichen Optik kann er das Licht der Cepheiden problemlos und mit geringer Überblendung von benachbarten Sternen trennen. Im ersten Jahr der Webb-Operationen mit unserem General Observers-Programm 1685 sammelten wir Beobachtungen von Cepheiden, die Hubble auf zwei Stufen entlang der sogenannten kosmischen Distanzleiter gefunden hatte. Der erste Schritt besteht darin, Cepheiden in einer Galaxie mit bekannter geometrischer Entfernung zu beobachten, die es uns ermöglicht, die wahre Leuchtkraft der Cepheiden zu kalibrieren. Für unser Programm ist diese Galaxie NGC 4258. Der zweite Schritt besteht darin, Cepheiden in den Wirtsgalaxien der jüngsten Supernovae vom Typ Ia zu beobachten. Die Kombination der ersten beiden Schritte überträgt Kenntnisse über die Entfernung zu den Supernovae, um ihre wahre Leuchtkraft zu kalibrieren. Schritt drei besteht darin, die weit entfernten Supernovae zu beobachten, bei denen die Expansion des Universums offensichtlich ist und durch Vergleich der Entfernungen gemessen werden kann, die aus ihrer Helligkeit und den Rotverschiebungen der Supernova-Wirtsgalaxien abgeleitet werden. Diese Abfolge von Schritten wird als Distanzleiter bezeichnet.
„Wir haben kürzlich unsere ersten Webb-Messungen aus den Schritten eins und zwei erhalten, die es uns ermöglichen, die Entfernungsleiter zu vervollständigen und mit den vorherigen Messungen mit Hubble zu vergleichen (siehe Abbildung). Webbs Messungen haben das Rauschen bei den Cepheid-Messungen aufgrund der Auflösung des Observatoriums drastisch reduziert.“ Wellenlängen im nahen Infrarotbereich. Von einer solchen Verbesserung träumen Astronomen! Auf den ersten beiden Stufen haben wir mehr als 320 Cepheiden beobachtet. Wir haben bestätigt, dass die früheren Messungen des Hubble-Weltraumteleskops genau waren, wenn auch mehr Rauschen. Wir haben mit Webb auch vier weitere Supernova-Kandidaten beobachtet und sehen ein ähnliches Ergebnis für die gesamte Stichprobe.
Bei Wang, Arabella H. Wan, Yu Xu, Ruo-Xin Zhang, Ben-Chi Zhao, Xin-Yuan Zhao, Yan-Chuan Shi, Xiaolei Zhang, Yongbo Xue, Yong Luo, Yinyue Deng, G. Gregory Neely, Guohui Wan & Qiao-Ping Wang
Abstrakt
Der „Todespilz“, Amanita phalloides, ist der giftigste Pilz der Welt und für 90 % der durch Pilze verursachten Todesfälle verantwortlich. Der tödlichste Bestandteil des Knollenblätterpilzes ist α-Amanitin. Trotz seiner tödlichen Wirkung bleiben die genauen Mechanismen, wie α-Amanitin den Menschen vergiftet, unklar, so daß kein spezifisches Gegenmittel für die Behandlung verfügbar ist. Hier wird gezeigr, daß STT3B für die α-Amanitin-Toxizität erforderlich ist und sein Inhibitor Indocyaningrün (ICG) als spezifisches Gegenmittel verwendet werden kann. Durch die Kombination eines genomweiten CRISPR-Screenings mit einem In-silico-Wirkstoffscreening und einer In-vivo-Funktionsvalidierung entdeckte das Forscherteam, daß der N-Glykan-Biosyntheseweg und seine Schlüsselkomponente STT3B eine entscheidende Rolle bei der α-Amanitin-Toxizität spielen und dass ICG ein STT3B Inhibitor ist.
Darüber hinaus zeigten die Ergebisse, daß ICG die toxische Wirkung von α-Amanitin in Zellen, Leberorganoiden und männlichen Mäusen wirksam blockiert, was zu einer Gesamtüberlebenssteigerung der Tiere führt. Durch die Kombination eines genomweiten CRISPR-Screenings auf α-Amanitin-Toxizität mit einem In-silico-Arzneimittelscreening und einer funktionellen Validierung in vivo hebt die Studie ICG als STT3B-Inhibitor gegen das Pilztoxin hervor.
Einführung
Pilzvergiftungen sind weltweit die Haupttodesursache bei Lebensmittelvergiftungen. Zwischen 2010 und 2020 wurden in China insgesamt 10.036 Expositionsereignisse gemeldet, die zu 38.676 Erkrankungen und 788 Todesfällen führten. Unter allen giftigen Pilzen sind Knollenblätterpilze (Amanita phalloides) für mehr als 90 % aller Todesfälle verantwortlich. Eine Amatoxinvergiftung ist häufig mit schlechten Ausgang verbunden, hauptsächlich aufgrund des irreparablen akuten Versagens der Leber oder der Niere.
α-Amanitin (AMA) ist eines der giftigsten Amatoxine. Es wird angenommen, daß die toxischen Wirkungen von AMA auf den Menschen mit der Hemmung der RNA-Polymerase II (RNAP II) verbunden sind, was zur Produktion von Tumornekrosefaktor-α (TNFα)8, oxidativem Stress9 und Apoptose führt. Traditionelle Therapien beschränken sich oft auf die unspezifische Neutralisierung von Toxinen sowie symptomatische und unterstützende Pflege.
In den letzten Jahrzehnten haben mehrere klinische Medikamente, darunter Silybin und Penicillin, eine starke therapeutische Wirksamkeit bei menschlichen Amatoxinvergiftungen gezeigt, obwohl die genauen Wirkmechanismen unklar bleiben. Darüber hinaus wurde gezeigt, daß Polymyxin B, das in einem virtuellen Docking als potenzieller RNAP-II-Inhibitor identifiziert wurde, die AMA-Toxizität bei Mäusen blockiert. Spezifische Gegenmittel, die auf bestimmte Proteine abzielen, die eine entscheidende Rolle bei der AMA-Toxizität spielen, sind jedoch nicht verfügbar, da ein vollständiges molekulares Verständnis der AMA-Zytotoxizität fehlt.
Kürzlich haben CRISPR-Screenings (Pooled Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats) das molekulare Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Zelltod steuern, beschleunigt. Diese Hochdurchsatz-CRISPR-Screenings wurden häufig zur Identifizierung von Genen oder Signalwegen eingesetzt, die an Arzneimittelresistenzen, Mechanismen von Bakterientoxinen oder Virusinfektionen beteiligt sind. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler diesen Ansatz genutzt, um die molekularen Mechanismen des tödlichen Quallengifts zu analysieren, was zu einem wirksamen Gegenmittel gegen die Quallentoxizität führte.
In dieser Studie soll ein systematischenr Rahmen für die Entwicklung von Gegenmitteln geschaffen werden, indem die Identifizierung neuer Wirkstoffziele mithilfe eines genomweiten CRISPR-Screenings und eines virtuellen Screenings von FDA-zugelassenen Medikamenten kombiniert wird. Die Wissenschaftler führten zunächst ein genomweites CRISPR-Funktionsverlust-Screening durch, um Gene und Signalwege zu identifizieren, die an der AMA-Zytotoxizität beteiligt sind. Sie fanden heraus, daß mehrere neuartige Wege, einschließlich der N-Glykan-Biosynthese und des Cholesterinstoffwechsels, am AMA-induzierten Zelltod beteiligt sind. Es wurde außerdem dargestellt, daß die N-Glykan-Biosynthese und sein katalytisches Enzym STT3B für die AMA-Toxizität erforderlich sind. Durch die Kombination dieser Daten mit einem In-silico-Screening von FDA-zugelassenen Arzneimitteln und einer anschließenden Funktionsvalidierung konnten die Forscher ICG erfolgreich als potenziellen STT3B-Inhibitor identifizieren. Sie haben außerdem gezeigt, daß ICG den AMA-induzierten Zelltod in vivo und in vitro blockieren kann, was darauf hindeutet, daß ICG bei der Behandlung von AMA/Todeskappenvergiftungen nützlich sein könnte.
Ergebnisse
Ein Hochdurchsatz-CRISPR-Screening zur Identifizierung von Genen und Signalwegen, die für den AMA-induzierten Zelltod erforderlich sind
Amanita phalloides ist eine häufige Todesursache bei Lebensmittelvergiftungen, vor allem aufgrund der Produktion von AMA26 (Abb. 1a). Um die Schlüsselgene und -wege zu identifizieren, die für den AMA-induzierten Zelltod erforderlich sind, führte das Forscherteam unter Verwendung der gepoolten menschlichen CRISPR-Knockout-Bibliothek (Brunello) ein genomweites Funktionsverlust-Screening durch, das auf insgesamt 19.114 Gene abzielt. Sie haben ihr Screening mit der haploiden Zelllinie HAP1 durchgeführt, die ausgiebig zur Untersuchung der Mechanismen der Arzneimittelresistenz, der Toxikologie, der synthetischen Letalität und der Virusinfektion eingesetzt wurde. Vor dem Screening haben sie zunächst die 50-prozentige Hemmkonzentration (IC50) von AMA bestimmt HAP1-Zellen (Abb. 1b).
Anschließend haben sie HAP1-Zellen mit der Brunello-Bibliothek bei einer niedrigen Infektionsmultiplizität (MOI ≈ 0,3) transduziert, um sicherzustellen, dass die meisten HAP1-Zellen nur eine genetische Störung erfahren (Abb. 1c). Mittlerweile wurde die Abdeckung von >500 Zellen sichergestellt, die jeweils 77.441 sgRNA exprimieren. Transfizierte Zellen wurden dann 7 Tage lang mit 1 μg/ml Puromycin selektiert. Anschließend wurden mutierte Zellpools 7 Tage lang einer Dosis von 1,5 μM AMA ausgesetzt und die genomische DNA wurde aus den überlebenden Zellen zur Tiefensequenzierung extrahiert.
Nach einer modellbasierten Analyse der genomweiten CRISPR/Cas9-Knockout-Analyse (MAGeCK) haben sie Hunderte von Genen identifiziert, die mit dem AMA-induzierten Zelltod assoziiert sind (Abb. 2a, b, Ergänzende Daten 1). Eine Untergruppe von sgRNAs, die auf 559 Gene abzielen, war in den mit AMA behandelten Zellen im Vergleich zu den unbehandelten Kontrollen signifikant verändert (p < 0,05 und |LFC | > 1), was darauf hinweist, daß diese Gene an der AMA-Toxizität beteiligt waren (Abb. 2c).
Die Forscher haben zunächst die bioinformatischen Analysen der Genontologie (GO) und KEGG an diesen veränderten Genen durchgeführt. Wie erwartet war „Regulation der Transkription vom RNA-Polymerase-II-Promotor“ am stärksten im biologischen Prozess angereichert (Abb. 2d), und „RNA-Polymerase-II-Transkriptionsfaktor-Aktivitätssequenzspezifische DNA-Bindung“ war auch am stärksten in der molekularen Funktion angereichert Klassifikator (Abb. 2e). Dies steht im Einklang mit dem bisherigen Verständnis, daß AMA durch Hemmung der RNA-Polymerase II31 wirkt. Mehrere KEGG-Wege, einschließlich Apoptose, N-Glykan-Biosynthese und Cholesterinstoffwechsel, wurden ebenfalls durch AMA-induzierten Zelltod angereichert (Abb. 2f).
Das Forscherteam verwendete außerdem einen Netzwerkausbreitungsansatz, um das Gennetzwerk zwischen diesen angereicherten KEGG-Pfaden besser zu verstehen (Abb. 2g). Unter diesen angereicherten Prozessen oder Signalwegen wurden die Transkription und Apoptose der RNA-Polymerase II und die Apoptose10,32 mit der AMA-Toxizität in Verbindung gebracht, über die N-Glykan-Biosynthese und den Cholesterinstoffwechsel wurde jedoch noch nicht berichtet, was darauf hindeutet, daß diese beiden Signalwege eine entscheidende Rolle bei der AMA-Toxizität spielen könnten. Gemeinsam hat das Screening neue Wege identifiziert, die für den AMA-induzierten Zelltod erforderlich sind.
Für den AMA-induzierten Zelltod ist die N-Glykan-Biosynthese erforderlich
Der N-Glykan-Biosyntheseweg ist von besonderem Interesse, da seine Schlüsselkomponenten STT3B und MGAT1 in den Top-10-Genen angereichert waren. N-Glykane auf Glykoproteinen dienen als eine der wichtigsten ko- und posttranslationalen Proteinmodifikationen in eukaryotischen Zellen33 und haben mehrere biologische Funktionen, wie Zelladhäsion, intrazelluläre Signalübertragung, Homöostase und Entzündung34,35. Die N-Glykan-Biosynthese findet im endoplasmatischen Retikulum (ER) und im Golgi-Apparat statt und erfordert eine Reihe von Prozessen, die durch mehrere Enzyme katalysiert werden, darunter ALG10, STT3A/3B, MAN1, MGAT1, MAN2 und MGAT2 (Abb. 3a)36. Wir fanden heraus, daß die Zählungen für sgRNA, die auf ALG10, STT3A/3B, RPN2 und MGAT1 abzielen, in AMA-behandelten Zellen angereichert waren (ergänzende Abbildung 1a – e) und dass STT3B und MGAT1 in den Top-10-Treffern angereichert waren.
Um die Rolle der N-Glykan-Biosynthese beim AMA-induzierten Zelltod zu validieren, verwendeten die Wissenschaftler zunächst Kifunensin (KIF), einen wirksamen Inhibitor kleiner Alkaloide, um die MAN1-Aktivität pharmakologisch zu hemmen und so die Synthese von N-Glykanen zu blockieren37,38. Wie erwartet zeigten KIF-behandelte Zellen eine Resistenz gegen den AMA-induzierten Tod in HAP1-Zellen (Abb. 3b). Wichtig ist, dass KIF auch den Zelltod in HAP1-Zellen hemmte, die 6 Stunden lang mit AMA vorbehandelt wurden (Abb. 3c).
STT3B ist eine vorgelagerte Komponente des N-Glykan-Biosynthesewegs39. STT3B und STT3A bilden den Oligosaccharyltransferase (OST)-Komplex, der die posttranslationale Glykosylierung in ER40,41 katalysiert. Um die Rolle von STT3B bei der AMA-Toxizität weiter zu bestätigen, haben wir mithilfe der CRISPR-Cas9-Technologie STT3B-Knockout-HAP1- und HepG2-Zelllinien generiert. Dementsprechend war die STT3B-mRNA-Expression in beiden Zellen stark reduziert (ergänzende Abbildung 2a, b). Die Abreicherung von STT3B führte zu einer erhöhten Resistenz gegen AMA-induzierten Zelltod in HAP1-Zellen (Abb. 3d) und HepG2-Zellen (Abb. 3e).
Das Forscherteam hat diese Ergebnisse in HepG2-Zellen mit STT3B-Knockdown unter Verwendung von Short-Hairpin-RNA (shRNA) weiter bestätigt (ergänzende Abbildung 2c). Da STT3B bei der Proteinglykosylierung mit STT3A zusammenarbeitet, fragten sie sich, ob die Abreicherung von STT3A in STT3B-Knockout-Zellen zu einer stärkeren Resistenz gegen AMA-Zytotoxizität führen könnte. Als STT3A in STT3B-Knockout-HepG2-Zellen ausgeschaltet wurde, erlangten diese Zellen eine nahezu vollständige Resistenz gegen den AMA-induzierten Zelltod (ergänzende Abbildung 2d-e), was darauf hindeutet, dass die teilweise Resistenz von STT3B-Knockout-HepG2 gegen AMA auf die Expression von STT3A zurückzuführen war OST-Komplex, der funktionell redundant zum STT3B OST-Komplex40 ist.
Darüber hinaus verwendeten sie einen niedermolekularen N-verknüpften Glykosylierungsinhibitor 1 (NGI-1), um die Aktivität von OST42,43 zu blockieren. NGI-1 kann den AMA-induzierten Zelltod bei 2,5 μM hemmen. NGI-1 selbst war jedoch bei 5–20 μM toxisch für Zellen (ergänzende Abbildung 2f), was darauf hindeutet, dass NGI-1 nicht als Gegenmittel zur AMA-Toxizität verwendet werden konnte . Als nächstes fragten sie sich, ob die Glykanbiosynthese den Eintritt von AMA in Zellen beeinflusst. Der intrazelluläre AMA-Gehalt wurde mit einem etablierten Hochleistungsflüssigkeitschromatographietest (HPLC) quantifiziert (ergänzende Abbildung 3). Die Abreicherung von STT3B verringerte den Eintritt von AMA in HAP1-Zellen (Abb. 3f) und HepG2-Zellen (Abb. 3g) signifikant.
Unterdessen hat STT3B-Knockout keinen Einfluss auf die Expression von OATP1B3 und NTCP, die AMA-Transporter in diesen Zellen sind (Abb. 3h, i). Die Hemmung der Glykosylierung kann Stressreaktionen im Endoplasmatischen Reticulum und im Golgi-Apparat auslösen 44, 45, 46. Der STT3B-Knockout löste jedoch weder im ER noch im Golgi Stressreaktionen aus (ergänzende Abbildung 4). Zusammengenommen deuten alle Daten darauf hin, daß STT3B für den AMA-induzierten Zelltod erforderlich ist und den Eintritt von AMA in Zellen beeinflusst. In-silico-Screening von FDA-zugelassenen Molekülen für den STT3B-Inhibitor: Da die Blockierung der N-Glykan-Biosynthese den AMA-induzierten Zelltod verhindern kann, wären die STT3B-Inhibitoren potenzielle Gegenmittel zur Behandlung der AMA-Toxizität. Bisher wurde über kein von der FDA zugelassenes Molekül berichtet, das STT3B spezifisch hemmt. Daher führten die Wissenschaftlerr ein In-silico-Screening von von der FDA zugelassenen Molekülen durch, um nach potenziellen STT3B-Inhibitoren zu suchen.
Für das virtuelle Screening auf STT3B-Inhibitoren wurden die FDA-Molekülbibliotheken (ZINC und Drugbank) mit insgesamt 3201 Verbindungen verwendet. In STT3B gab es zwei mutmaßliche Bindungstaschen. Nach dem In-silico-Screening wurden insgesamt die 34 besten Verbindungen für die zelluläre In-vitro-Validierung ausgewählt (Abb. 4a, Zusatzdaten 2). Aufgrund der Nichtverfügbarkeit einiger Verbindungen wurden nur 24 Verbindungen auf ihren zellulären Schutz gegen AMA-Toxizität getestet. Von allen getesteten Medikamenten konnten ICG und Posaconazol den Zelltod in HAP1-Zellen signifikant verhindern (Abb. 4b), ohne dass die Zellen zusätzlich zytotoxisch wirkten (Abb. 4c). ICG bot nahezu vollständigen Schutz gegen die AMA-Zytotoxizität.
Beim molekularen Andocken bindet ICG an STT3B und blockiert möglicherweise die katalytische Aktivität. ICG hat mehrere Kontakte mit STT3B (Abb. 4d, e), einschließlich der drei Sauerstoffatome von zwei Sulfobutyleinheiten, die drei Wasserstoffbrückenbindungen mit Seitenketten von Ser319, Trp380 und Ser449 gebildet haben. Darüber hinaus beteiligte sich der Benzolring der Benzoindolyleinheit in ICG an einem versetzten Face-to-Face-Pi-Stapel mit der Seitenkette von Trp380 in STT3B. Die hemmende Wirkung von ICG wird durch die Besetzung des Eingangs der STT3B-Substratbindungstasche vermittelt.
ICG lindert die AMA-Toxizität in Zellen und Leberorganoiden
ICG, ein fluoreszierender Jodidfarbstoff, ist seit 1956 von der FDA als diagnostisches Reagenz beim Menschen zugelassen und wird heute häufig in der Augenangiographie und der Beurteilung der Leberfunktion eingesetzt47. ICG kann schnell von Hepatozyten abgebaut werden47 und ICG hat bei einer Standard-Einzeldosis von 0,5 mg/kg keine offensichtlichen Nebenwirkungen (50 % tödliche Dosis beträgt 60-80 mg/kg für Mäuse)48. Daher haben die Forscher die therapeutische Wirkung von ICG auf die AMA-Toxizität weiter untersucht.
Die ICG-Vorbehandlung führte zu einer dosisabhängigen Verringerung des Zelltods sowohl in HAP1-Zellen (Abb. 4f) als auch in HepG2-Zellen (Abb. 4g). Darüber hinaus hemmten ICG-Behandlungen auch den Zelltod in AMA-vorbehandelten HAP1-Zellen (Abb. 4h) und HepG2-Zellen (Abb. 4i) signifikant. Um weiter zu bestätigen, daß ICG die AMA-Toxizität blockieren kann, überwachte das Forscherteam den Zelltod mithilfe der Calcein/Propidiumiodid (PI)-Färbung und stellte erneut fest, daß mit ICG vorbehandelte Zellen viel resistenter gegen den AMA-induzierten Zelltod waren (Abb. 4j, k).
Darüber hinaus haben sie ein Mausleber-Organoidmodell zur weiteren Bewertung der therapeutischen Wirkung von ICG erstellt. In Übereinstimmung mit ihren Beobachtungen in HAP1- und HepG2-Zellen könnte ICG die zytotoxische Wirkung von AMA auf diese Leberorganoide wirksam blockieren.
Mit ICG behandelte Organoide waren enger verbunden und größer als die mit Vehikel behandelten Organoide (Abb. 5a, b). Wir beobachteten auch, dass die ICG-Behandlung den AMA-induzierten Zelltod durch den Calcein/PI-Färbetest signifikant verhinderte (Abb. 5c). Der ICG-Behandlungseffekt wurde auch durch Hämatoxylin- und Eosin-Färbung (H&E) beobachtet und ICG blockierte die AMA-Toxizität auf Organoiden (Abb. 5d). Zusammengenommen ist die Kombination des funktionellen CRISPR-Screenings mit der In-silico-Arzneimittelvorhersage eine praktikable Pipeline zur schnellen Identifizierung neuer Toxin-Gegenmittel. Hier zeigen die Forscher, daß ICG ein potenzieller STT3B-Inhibitor ist, der den AMA-induzierten Zelltod verhindern kann.
ICG verhindert den AMA-induzierten Zelltod, indem es die STT3B-Aktivität hemmt Um zu testen, ob ICG mit STT3B in Zellen interagieren kann, wurde die intrazelluläre Lokalisierung von ICG nachgewiesen. ICG kann grüne Fluoreszenz erzeugen. Es wurde heraus gefunden, daß ICG in HAP1-Zellen zusammen mit ER lokalisiert war, und diese Kolokalisation wurde in HepG2-Zellen bestätigt (Abb. 6a), was darauf hindeutet, daß ICG im ER wirkt, wo auch STT3B lokalisiert ist.
Um weiter zu testen, ob ICG die STT3B-Aktivität hemmen kann, verwendete das Wissenschaftsteam einen Biolumineszenz-Reporter, nämlich ER-LucT, um die STT3B-Aktivität durch ein ER-LucT-Reportersystem zu bewerten42,43. Dieses System besteht aus einer modifizierten Luciferase (Luc) mit einer ER-Translationssequenz und drei (T) potenziellen Glykosylierungsstellen49. Die N-Glykosylierung der modifizierten Luciferase hemmt deren Aktivität und reduziert die Biolumineszenz (Abb. 6b).
Das ER-LucT-Reportersystem wurde zunächst in HAP1-Zellen getestet. Die Lumineszenz war in Zellen mit ER-LucT signifikant verringert, was darauf hindeutet, daß die Luciferase-Aktivität gehemmt war (Abb. 6c). Wie erwartet erhöhte ICG im Einklang mit NGI-1 (ergänzende Abbildung 5a) die Aktivität von ER-LucT, indem es die durch STT3B vermittelte N-Glykosylierung verringerte (Abb. 6d). Ähnliche Ergebnisse wurden auch in HepG2-Zellen beobachtet (Abb. 6e, f, ergänzende Abb. 5b). Zusammen verhindert ICG den AMA-induzierten Zelltod der Zellen, indem es die STT3B-Aktivität hemmt.
ICG ist ein wirksames Gegenmittel zur Behandlung der AMA-Toxizität bei Mäusen Als nächstes testeten die Forscher die Wirksamkeit von ICG als AMA-Gegenmittel an Tieren. Um die tatsächliche AMA-Toxizität beim Menschen nachzuahmen50,51, wurde ICG Mäusen verabreicht, die wie zuvor berichtet 4 Stunden lang mit intraperitonealem (i.p.) AMA mit 0,33 mg/kg vorbehandelt wurden5,52.
Drei aufeinanderfolgende Verabreichungen von ICG in einer Menge von 5 mg/kg, was etwa 0,5 mg/kg beim Menschen entspricht53, wurden Mäusen im Abstand von 4 Stunden intravenös (iv) injiziert (Abb. 7a). Die ICG-Verteilung wurde durch Nahinfrarot (NIR)54 überwacht. Nach der Injektion verteilte sich ICG schnell im ganzen Körper und konzentrierte sich nach 2 Stunden hauptsächlich in der Leber (Abb. 7b), was mit früheren Beobachtungen übereinstimmt, daß ICG schnell aus dem Plasma entfernt und selektiv von der Leber aufgenommen wird55.
Da Leber und Niere die wichtigsten AMA-Zielorgane sind, wurde die schützende Wirkung von ICG auf die AMA-exponierte Leber und Niere untersucht. Die Schäden in Leber und Niere wurden durch Messung von Plasma-Biomarkern und histopathologischen Analysen bewertet. Nach der AMA-Behandlung waren die Leberbiomarker Aspartataminotransferase (AST), Alaninaminotransferase (ALT) und alkalische Phosphatase (ALP) signifikant erhöht (Abb. 7c, d, f) und das AST/ALT-Verhältnis war deutlich verringert (Abb. 7e).
Dies deutet darauf hin, daß die Leber durch AMA schwer geschädigt wurde. Wichtig ist, daß die ICG-Behandlung die AST-, ALT- und ALP-Spiegel deutlich senkte, was darauf hindeutet, daß ICG den durch AMA verursachten Leberschaden blockieren kann (Abb. 7c–f). Ähnliche Ergebnisse wurden für die Nieren beobachtet, wobei die ICG-Behandlung die renalen Biomarker Blut-Harnstoff-Stickstoff (BUN) und Kreatinin (Cre) bei den mit AMA behandelten Mäusen signifikant reduzierte (Abb. 7g, h).
Die ICG-Behandlung reduzierte auch die Infiltration entzündlicher Zellen und die Nekrose in der Leber von AMA-behandelten Mäusen erheblich (Abb. 7i). Diese Daten wurden quantifiziert und histologische Ergebnisse bestätigten, dass ICG die AMA-induzierte Lebernekrose unterdrücken kann (Abb. 7j), und ähnliche Ergebnisse wurden für mit AMA und ICG behandelte Nieren beobachtet (Abb. 7i, k).
Darüber hinaus führten die Wissenschaftler einen Langzeitüberlebenstest (30 Tage) durch, um zu bewerten, ob ICG auch vor dem durch AMA verursachten Tod schützen kann. Dabei stellten sie fest, daß die ICG-Behandlung das Überleben von mit AMA behandelten Mäusen signifikant verbesserte (Abb. 7l). Darüber hinaus beobachteten sie weder in Kurz- noch in Langzeitstudien offensichtliche Nebenwirkungen bei Mäusen, die nur ICG erhielten, was zeigt, daß diese ICG-Dosis für die Behandlung einer AMA-Vergiftung bei Mäusen sicher ist.
Es wuden auch längere Zeitintervalle (bis zu 12 Stunden) zwischen der AMA-Injektion und der ICG-Behandlung in einem Mausmodell untersucht. Die Ergebnisse zeigten, daß die Zeitintervalle zwischen der AMA-Injektion und der ICG-Verabreichung wichtig für den ICG-Behandlungseffekt waren. Die Intervalle von 8 h und 12 h begrenzten den ICG-Behandlungseffekt, und Intervalle von 1 h und 4 h hatten eine bessere therapeutische Wirksamkeit (ergänzende Abbildung 6). Dies weist darauf hin, daß ICG so früh wie möglich verabreicht werden muss, wenn eine AMA-Vergiftung auftritt.
Um die hemmende Wirkung von ICG auf die Proteinglycansynthese bei Tieren zu testen, führte das Team eine Lektinfärbung durch, um die In-vivo-Glykation zu beurteilen. Sie verwendeten Fluorescein-Sambucus-Nigra-Agglutinin (SNA) und Fluorescein-Phaseolus-vulgaris-Leukoagglutinin (PHA-L), um sialylierte Glykane bzw. komplexe Glykane anzufärben, wie bereits berichtet56. Wie erwartet können SNA und PHA-L die glykierten Proteine markieren, die sich auf der Plasmamembran von Leberzellen befinden.
ICG könnte die Fluoreszenzen der SNA- (Abb. 8a, b) und PHA-L-Färbung (Abb. 8c, d) im Vergleich zum Vehikel deutlich reduzieren, was darauf hindeutet, daß ICG die Glykation in vivo effektiv stören könnte. Zusammengenommen zeigen diese Daten, daß ICG ein wirksames Gegenmittel zur Behandlung der AMA-Toxizität bei Mäusen ist.
Diskussion
Unser unvoreingenommenes genomweites CRISPR-Screening hat ergeben, daß sowohl STT3B- als auch die N-Glykan-Biosynthesewege für die AMA-Toxizität erforderlich sind, und diese Daten wurden sowohl genetisch als auch pharmakologisch validiert. Darüber hinaus haben die Forscher durch die Kombination unseres CRISPR-Screenings mit dem In-silico-Screening arzneimittelfähiger Ziele eine von der FDA zugelassene Verbindung ICG entdeckt, die als neuartiges potenzielles Gegenmittel zur Linderung der AMA-Toxizität sowohl in Zellen als auch bei Tieren dienen könnte (Abb. 9). Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, daß ein kombinierter Ansatz aus genomweitem CRISPR-Screening in Verbindung mit der In-silico-Arzneimittelvorhersage dabei helfen kann, schnell neue Gegenmittel für medizinisch relevante menschliche Gifte zu identifizieren.
Da der Verzehr von Knollenblätterpilz (Amanita phalloides) zu einer hohen Sterblichkeitsrate führt, besteht ein dringender Bedarf, die molekulare Toxikologie seines wichtigsten toxischen Bestandteils AMA besser zu verstehen. Dies erleichtert somit die Entdeckung wirksamer Gegenmittel zur Behandlung von Pilzvergiftungen.
Mithilfe eines genomweiten CRISPR-Cas9-Screenings haben wir mehrere wichtige Gene und Signalwege identifiziert, die am AMA-induzierten Zelltod beteiligt sind. Um die Fähigkeit des Screenings zur Identifizierung von Schlüsselfaktoren zu unterstützen, gehörten einige der bekannten Mechanismen, die an der AMA-Toxizität beteiligt sind, wie Apoptose und RNA-Polymerase-II-Hemmung, zu den Signalwegen und GO-Begriffen. Einer unserer wichtigsten Wege, die N-Glykan-Biosynthese, wurde sowohl pharmakologisch als auch genetisch validiert. Die N-verknüpfte Glykosylierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Proteinfaltung und dem Proteintransport, die an einer Vielzahl biologischer Erkennungsereignisse beteiligt sind34.
Es wurde berichtet, daß bakterielle Toxine37,57 und Viren23,58 N-Glykane binden und diese Wechselwirkung den Eintritt in Zielzellen erleichtert. In diesem Fall stellten wir die Hypothese auf, dass die Blockierung von N-Glykanen von AMA-Transportern die Erkennung von AMA behindern könnte, was zur Resistenz beiträgt. STT3B ist ein Schlüsselenzym für die N-Glykan-Biosynthese und gilt als therapeutisches Ziel für die Behandlung von Krebserkrankungen42. Es wurde jedoch keine von der FDA zugelassene Verbindung zur Hemmung der N-Glykan-Biosynthese oder von STT3B identifiziert. Durch In-silico-Screening von FDA-zugelassenen Molekülen konnten die Forscher erfolgreich nachweisen, daß ICG ein potenzieller STT3B-Inhibitor zur Hemmung der N-Glykan-Biosynthese ist. ICG ist ein wasserlöslicher Nahinfrarot-Fluoreszenzfarbstoff, der seit Jahrzehnten häufig als Diagnosemittel zur Messung der Leberfunktion, des Herzzeitvolumens und der Augenangiographie beim Menschen eingesetzt wird59,60.
Es hat sich herausgestellt, daß ICG den AMA-induzierten Zelltod wirksam verhindern und die Resistenz gegen AMA in vitro erhöhen kann. Der enterohepatische Zyklus von AMA könnte den klinischen Verlauf einer Amatoxinvergiftung bei Menschen und Tieren erheblich beeinflussen61. Die Unterbrechung des enterohepatischen Kreislaufs wie die Gallendrainage ist zu einer alternativen Entgiftungsmethode geworden62. Da ICG den Eintritt von AMA verhindern kann, kann ICG die AMA-Rezirkulation blockieren und die AMA-Toxizität verhindern, was teilweise die therapeutische Wirkung von ICG erklärt.
HepG2-Zellen wurden zur Untersuchung der Hepatotoxizität63 und der molekularen Mechanismen der AMA-Zytotoxizität7 verwendet. HepG2-Zellen zeigen eine relativ geringe Expression von OATP1B364 und exprimieren kein NTCP65, während diese beiden Proteine als Haupttransporter für die AMA-Aufnahme gelten. Daher weisen HepG2-Zellen im Vergleich zu anderen gängigen Laborzelllinien oder primären Hepatozyten eine geringere Empfindlichkeit gegenüber AMA-Zytotoxizität auf66. Dennoch können in unserer Studie HepG2-Zellen immer noch durch AMA abgetötet und durch ICG gerettet werden, was darauf hindeutet, daß es unbekannte Transporter gibt, die für den AMA-Transport in Zellen verantwortlich sind.
Interessanterweise wurde ICG auch durch OATP1B3 und NTCP67 in Zellen transportiert. Unsere Ergebnisse schließen die Möglichkeit aus, dass ICG hauptsächlich durch kompetitive Bindung mit OATP1B3 und NTCP wirkt, um die Toxizität von AMA zu blockieren. Darüber hinaus zeigte unsere Studie, dass ICG ähnliche Schutzwirkungen in AMA-behandelten primären Hepatozyten-Organoiden hat. In dieser Studie haben die Wissenschaftler sich auf das 4-Stunden-Intervall zwischen der AMA-Injektion und der ICG-Behandlung konzentriert, da dieses 4-Stunden-Intervall das gleiche war wie das, das in früheren Studien verwendet wurde, um tatsächliche Vergiftungs- und Behandlungsszenarien beim Menschen nachzuahmen5,52,68.
Dies wird es zukünftig erleichtern, die gewonnenen Ergebnisse mit denen anderer hinsichtlich der Wirksamkeit von ICG bei der Behandlung von AMA-Toxizität zu vergleichen. ICG hat ein großes Potenzial für die Behandlung von AMA-Vergiftungen bei Mäusen gezeigt und die ICG-Behandlung kann AMA-induzierte Schäden in Leber und Niere, den beiden wichtigsten AMA-Zielorganen, erheblich abschwächen, was zu einer Verbesserung des Überlebens führt. Darüber hinaus wurde beobachtet, daß ICG seine Behandlungswirkung auf die AMA-Toxizität verliert, wenn es 8 und 12 Stunden nach der AMA-Injektion verabreicht wird.
Dies kann daran liegen, daß AMA in den ersten Stunden der Zytotoxizität irreversible Schäden verursacht hat, die durch eine ICG-Behandlung nicht behoben werden können. Dies legt nahe, daß ICG so früh wie möglich während der Behandlung verabreicht werden sollte. Insgesamt zeigte sich, daß durch die Kopplung der funktionellen genomischen Charakterisierung des gesamten Genoms mit der In-silico-Arzneimittelvorhersage schnell medizinisch relevante Prozesse definieren lassen und dann gezielt darauf abzielen können.
Ethische Aussage
Alle Tierversuche wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUS) der Sun Yat-Sen-Universität genehmigt (Genehmigungsnummer: SYSU-IACUC-2022-000469).
Zelllinien und Zellkultur
HAP1-Zellen wurden von Horizon Discovery erhalten. HEK293T- und HepG2-Zelllinien wurden von der American Type Culture Collection (ATCC) erhalten. Alle Zelllinien wurden routinemäßig mit dem Mycoplasma Stain Assay Kit (#C0296, Beyotime) mykoplasmenfrei getestet und durch Short Tandem Repeat (STR)-Profiling authentifiziert. HAP1-Zellen wurden in Iscoves modifiziertem Dulbecco-Medium (IMDM; Gibco), ergänzt mit 10 % fötalem Rinderserum (FBS; NEWZERUM) und 1 % Penicillin-Streptomycin (Hyclone), kultiviert. HEK293T- und HepG2-Zellen wurden in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (DMEM, Gibco), ergänzt mit 10 % FBS und 1 % Penicillin-Streptomycin, kultiviert.
Zelllebensfähigkeitstest
Trypsinisierte Zellen (1,5 × 104) wurden in jede Vertiefung einer Platte mit 96 Vertiefungen ausgesät. Nach 24 Stunden wurden verschiedene Konzentrationen der Verbindungen hinzugefügt und die Zellen wurden weitere 48 oder 72 Stunden lang inkubiert. KIF (#K919109) und NGI-1 (#N873007) wurden von Macklin erhalten. Nach der Inkubation wurde das Medium aus jeder Vertiefung abgesaugt und 100 μl frisches Medium, das ein 10 %iges Cell Counting Kit-8 (CCK8, #K1018, APExBIO) enthielt, in die Vertiefungen gegeben und 2 Stunden lang bei 37 °C inkubiert.
Die Absorption wurde bei 450 nm mit einem Mikroplatten-Spektrophotometer (BioTek) gemessen. Die Zellüberlebensdaten jeder medikamentös behandelten Gruppe wurden auf die Vehikelgruppe normalisiert und die Überlebensdaten als „relative Zelllebensfähigkeit“ ausgedrückt. Die Lebensfähigkeit von Calcein/PI-Zellen wurde gemäß dem Protokoll des Herstellers (#C2015M, Beyotime) bewertet und unter Fluoreszenzmikroskopie (Nikon) beobachtet.
Lentivirus-Produktion
Um Lentivirus zu erzeugen, wurde die Brunello-Bibliothek (#73179, Addgene) mit den Verpackungsplasmiden pMD2.G (#12259, Addgene) und psPAX2 (#12260, Addgene) co-transfiziert. Kurz gesagt wurde ein T75-Kolben mit 80 % konfluenten HEK293T-Zellen in Opti-MEM (#31985070, Gibco) unter Verwendung von 8,8 μg der lentiCRISPRv2-Plasmidbibliothek, 4,4 μg pMD2.G, 6,7 μg psPAX2 und 32 μL Lipo8000TM (#C0) transfiziert 533 , Beyotime). Die Zellen wurden 8 Stunden lang inkubiert und dann wurde das Medium durch DMEM mit 10 % FBS und 1 % Penicillin-Streptomycin ersetzt. Das Virus wurde 48 Stunden nach der Transfektion geerntet, das Medium wurde aufgefüllt und eine zweite Ernte erfolgte 72 Stunden nach der Transfektion. Virusüberstände wurden gesammelt und durch einen 0,45-μm-Filter mit extrem geringer Proteinbindung (Merck Millipore) filtriert. Aliquote wurden bei –80 °C gelagert.
Zelltransduktion mithilfe der Brunello-Bibliothek
Infektionen wurden in einer 12-Well-Platte mit 2,0 × 106 Zellen pro Well durchgeführt. In jede Vertiefung wurden unterschiedliche Virenmengen gegeben. Nach 24 Stunden wurden die Zellen trypsiniert und jede Vertiefung in zwei Vertiefungen aufgeteilt. Und ein Replikat wurde 3 Tage lang mit 1 μg/ml Puromycin (#P8230, Solarbio) behandelt, bis unter Bedingungen ohne Virus keine lebensfähigen Zellen mehr vorhanden waren. Abschließend wurde die Lebensfähigkeit der Zellen für jede Bedingung mithilfe eines CCK8-Assays quantifiziert. Das Virusvolumen mit einem MOI von etwa 0,3 wurde für das nächste groß angelegte Screening verwendet.
HAP1-Zellen-AMA-Resistenztest
Um die Abdeckung von >500 Zellen sicherzustellen, die jeweils 77.441 sgRNA mit einer MOI ≈ 0,3 exprimieren, wurden 1,3 × 108 HAP1-Zellen wie oben beschrieben unter Verwendung von 12-Well-Platten mit 2 × 106 Zellen pro Well transduziert. Puromycin wurde den Zellen 24 Stunden nach der Transduktion zugesetzt und 7 Tage lang beibehalten. Die Zellen wurden nach 3-tägiger Inkubation mit Puromycin in größeren Flaschen zusammengefasst. Am 7. Tag wurden die Zellen in zweifacher Ausführung in die Behandlungsbedingungen aufgeteilt, mit einem Minimum von 4 × 107 Zellen pro Wiederholung. Zwei Replikate wurden in einem Komplettmedium mit 1,5 μM AMA (#A4548, APExBIO) kultiviert, und zwei weitere Replikate wurden in einem regulären Komplettmedium kultiviert. Es wurden entweder Replikate durchgeführt oder alle 2–3 Tage wurde frisches Medium hinzugefügt. Die mutierten Zellpools wurden 7 Tage lang mit AMA behandelt und die überlebenden Zellen wurden gewonnen und für die genomische DNA-Analyse geerntet.
Genomische DNA-Sequenzierung
Genomische DNA (gDNA) wurde mit TIANamp Genomic DNA Kits (#DP304, TIANGEN) gemäß dem Protokoll des Herstellers isoliert. Die sgRNA-Sequenzen wurden mit High-Fidelity 2X PCR Master Mix (#M0541L, NEB) amplifiziert. PCR-Produkte wurden mit Illumina (PE150) von Novogene Technology (Peking, China) gelextrahiert, quantifiziert, gemischt und sequenziert. Die Anreicherung von sgRNAs und Genen wurde mit MAGeCK (Version 0.5.9.2)69 analysiert, indem die Lesezahlen von Zellen nach der AMA-Selektion mit den Zahlen aus passenden, nicht ausgewählten Zellpopulationen verglichen wurden.
Genontologie (GO) und Signalweganreicherungsanalyse
sgRNAs aus der Elternbibliothek wurden in pLentiCRISPRv2 (# 52961, Addgene) kloniert. Die Kontroll-sgRNA wurde aus der Elternbibliothek verwendet (Ergänzungstabelle 1). Lentiviren wurden wie oben beschrieben hergestellt und transduzierte HAP1- oder HepG2-Zellen wurden 24 Stunden nach der Infektion mit Puromycin selektiert. Nach 7 Tagen wurde Puromycin entfernt und die Zellen konnten sich vor der Analyse drei weitere Tage lang erholen.
RNA-Extraktion und quantitative Echtzeit-PCR-Analyse
Die Gesamt-RNA wurde mit einem RNA Quick Purification Kit (#RN001, YIBIN) extrahiert. Die cDNA wurde aus 500 ng Gesamt-RNA mit PrimeScript RT Master Mix (#RR037A, Takara) gemäß den Anweisungen des Herstellers synthetisiert. Quantitative PCR (qPCR) wurde mit TB Green (#RR820A, Takara) gemäß dem Protokoll des Herstellers mit LightCycler96 (Roche) durchgeführt.
Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)
Die HPLC-Analyse wurde mit SHIMADZU LC-20AT und einer 250 mm × 4,6 mm Flüssigkeitschromatographiesäule (5 μm, Phenomenex) durchgeführt. Ammoniumacetat (50 mM Essigsäure, pH 5,5), Acetonitril und Methanol (80/10/10; v/v/v) wurden nach einer früheren Studie als mobile Phase verwendet70. Eine isokratische Elution wurde mit einer Flussrate von 1,0 ml/min und einer Säulentemperatur von 35 °C durchgeführt. Insgesamt wurden 2 × 107 Zellen, die 8 h lang mit AMA behandelt wurden, gesammelt und dann durch Ultraschallbehandlung bei 200 W (3 s Arbeit/3 s Pause) für 1 min auf Eiswasser aufgebrochen. Diese Mischung wurde 30 Minuten lang bei 15.000 g zentrifugiert. Der Überstand wurde gesammelt und durch einen 0,22-μm-Filter (Merck Millipore) filtriert. Insgesamt wurden 10 μL Probe in das HPLC-System injiziert. Für quantitative Analysen wurden Chromatogramme bei 303 nm integriert. Die Peakfläche wurde mit der LabSolutions-Software (Version 1.26) analysiert.
Western-Blot-Analyse
Die Zellen wurden in einem Lysepuffer (#FD009, Fdbio) geerntet, der einen Proteaseinhibitor-Cocktail (Roche) enthielt. Die gesamten Zelllysate wurden 10 Minuten lang bei 4 °C und 15.000 g zentrifugiert, um Zelltrümmer zu entfernen. Die Proteinkonzentrationen wurden mit dem BCA Protein Assay (#P0010, Beyotime) bestimmt. Die Proteinüberstände wurden mit 5×Ladepuffer (FD006, Fdbio) gemischt und 10 Minuten lang auf 100 °C erhitzt. Die Proteine (20 μg) wurden auf 10 % SDS-Polyacrylamidgelen elektrophoretisch aufgetrennt, auf PVDF-Membranen übertragen und über Nacht bei 4 °C mit spezifischen Primärantikörpern inkubiert. Nach dem Waschen wurden die Membranen 1 Stunde lang mit Meerrettichperoxidase (HRP)-konjugierten Sekundärantikörpern inkubiert. Immunoblots wurden mit dem ChemiDocTM-Bildgebungssystem (Bio-Rad, Version 2.4.0.03) unter Verwendung des verbesserten Chemilumineszenzsubstrats (FD8000, Fdbio) sichtbar gemacht.
Für den Proteinnachweis wurden die folgenden Antikörper verwendet: monoklonaler Maus-Antikörper, der OATP1B3 erkennt (#66381-1-Ig, 1:5000, Klon-Nr. 1D9A4), monoklonaler Maus-Antikörper, der GRP78 erkennt (#66574-1-Ig, 1:5000, Klon-Nr .1D6F7), polyklonaler Kaninchen-Antikörper, der IRE1 erkennt (#27528-1-AP, 1:1000), monoklonaler Maus-Antikörper, der GM130 erkennt (#66662-1-Ig, 1:5000, CloneNo.2A4F11), polyklonaler Kaninchen-Antikörper, der ARF4 erkennt( #11673-1-AP, 1:1000) wurden von Proteintech erworben. Der polyklonale Kaninchen-Antikörper, der NTCP erkennt (#ABP53103, 1:1000), wurde von Abbkine erworben. Der Mausantikörper, der β-Tubulin erkennt (#FD0064, 1:5000), wurde von Fdbio erworben. Ziegen-Anti-Maus-IgG(H + L)-HRP (#BS12478, 1:5000) und Ziegen-Anti-Kaninchen-IgG(H + L)-HRP (#BS13278, 1:5000) wurden von Bioworld gekauft.
In-silico-Screening von FDA-zugelassenen Medikamenten
Die beiden Bibliotheken von FDA-zugelassenen Verbindungen wurden von ZINC (1615 Liganden) bzw. Drugbank (1586 Liganden) heruntergeladen. Die chemische Datenbank wurde mithilfe des MMFF94-Kraftfelds (steilster Abstieg) im Open-Source-Softwarepaket OpenBabel (http://openbabel.org/) energieminimiert und im mol2-Format gespeichert. Die Verbindungsbibliothek wird dann vorverarbeitet und im pdbqt-Format mit Prepare_ligand4.py aus den AutoDock-Tools (https://ccsb.scripps.edu/mgltools/) gespeichert.
Die Kristallstruktur von STT3B wurde aus RCSB PDB (PDB-ID: 6S7T)71 erhalten. Das STT3B wurde von PyMol (http://pymol.org/2/) vorverarbeitet, um Wasser und Liganden zu entfernen, und von AutoDock-Tools, um polare Wasserstoffe und Kollman-Ladung hinzuzufügen. Nach diesen Vorgängen wurde STT3B dann im pdbqt-Format gespeichert. Im STT3B gibt es zwei Bindungstaschen. Das Rasterfeld der Bindungsstelle wurde mithilfe der Rastereinstellungsfunktion der AutoDock-Tools visuell definiert. Die Gitterbox aus zwei Bindungstaschen wurde durch gebundenes Peptid und gebundenes Dolichylphosphat in 6S7T definiert. Für die STT3B-Tasche 1 betrugen die Gittergrößenabmessungen 23,25 × 22,5 × 24, wobei der Punkt (173,747, 153,363, 152,254) als Mittelpunktskoordinaten festgelegt wurde; Für die STT3B-Tasche 2 betrugen die Gittergrößenabmessungen 23,25 × 24,75 × 24,75, wobei der Punkt (159,012, 143,831, 166,532) als Mittelpunktkoordinaten festgelegt wurde.
Der Andockvorgang wurde mit Smina (einem Zweig von AutoDock Vina, https://vina.scripps.edu/)72 durchgeführt. Molekulare Docking-Parameter werden wie folgt verwendet: Vollständigkeit = 8, num_modes = 10, Energiebereich = 3, min_rmsd_filter = 1. Es wurde ein schrittweises Screening von FDA-zugelassenen Arzneimitteln in den ZINC- und Drugbank-Datenbanken durchgeführt. Zunächst wurden die Verbindungen jeweils an die beiden Bindungstaschen von STT3B angedockt. Dann wurden die Verbindungen nach ihrer minimierten Affinität eingestuft. Es wurden die 100 besten Liganden mit minimierter Affinität erhalten. Anschließend wurde der vorhergesagte IC50-Wert der Verbindungen mit der auf einem neuronalen Netzwerk basierenden Bewertungsfunktion (NNScore2)73 berechnet. Am Ende wurden die 34 besten Verbindungen für die In-vitro-Validierung ausgewählt. Aufgrund der Nichtverfügbarkeit einiger Verbindungen wurden nur 24 Verbindungen auf ihren zellulären Schutz gegen AMA-Toxizität getestet.
Organoidkultur
Die Leberorganoide der Mäuse wurden gemäß zuvor beschriebenen Protokollen mit einigen Modifikationen erzeugt74,75. Kurz gesagt, die Lebern von CD-1-Mäusen (20–30 g) wurden in Würfel von 1–2 mm3 zerlegt und zweimal in PBS gewaschen. Die Gewebefragmente wurden in Verdauungspuffer (1 mg/ml Kollagenase I, 0,1 mg/ml Hyaluronidase, 0,1 mg/ml DNase I) 1,5 h lang bei 37 °C inkubiert. Nach der Verdauung wurde die Gewebesuspension mit einem 40-μm-Zellsieb filtriert, anschließend zentrifugiert und mit PBS resuspendiert. Einzelzellsuspensionen wurden zunächst mit hoher Dichte ausgesät und nach etwa einer Woche in vollständigem Organoidmedium (DMEM/F12 mit 5 µg/ml Insulin, 250 µg/ml Amphotericin B, 10 µg/ml Gentamicin, 0,125 µg) mit niedrigerer Dichte erneut ausgesät /ml EGF, 25 ng/ml Hydrocortison und 10 μm Y-27632).
Intrazelluläre Lokalisierungsanalyse
HAP1- und HepG2-Zellen wurden bis zu einer Konfluenz von ~50 % in die Kulturschale ausplattiert und 12 Stunden lang mit ICG (#H20055881, Dandong Pharmaceutical Company) inkubiert. Die Zellen wurden dreimal mit PBS gewaschen und ER wurde gemäß dem Protokoll des Herstellers (#C1042S, Beyotime) mit ER-Tracker-Grün markiert, und der Zellkern wurde mit 4′,6-Diamidino-2-phenylindol (DAPI) blau gefärbt. Fluoreszenzbilder wurden durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie erhalten.
Luciferase-Reporter-Assay
Die ER-LucT-Sequenz und die LucT-Sequenz aus einer früheren Studie49 wurden von Kidan Bio Co. Ltd. synthetisiert und in pcDNA3.1(+) kloniert. Plasmidtransfektionen wurden mit Lipo8000TM durchgeführt. Nach 48 Stunden wurde ICG zu den transfizierten HAP1- und HepG2-Zellen gegeben. Luciferase-Aktivitätstests wurden mit dem Firefly Luciferase Reporter Gene Assay Kit gemäß dem Protokoll des Herstellers (#RG005, Beyotime) mit dem Lumineszenz Quick Read (Promega) durchgeführt.
Mäuse
Alle Mäuse waren männliche CD-1-Mäuse mit einem Gewicht von 20–30 g (4–5 Wochen alt) und wurden vom Laboratory Animal Center der Sun Yat-Sen-Universität gekauft. Die Mäuse wurden in einer speziellen pathogenfreien Einrichtung mit kontrollierter Temperatur (23 ± 2 °C), Luftfeuchtigkeit (50–65 %) und einem Hell-Dunkel-Zyklus von 12 Std./12 Std. gehalten. Mäuse hatten freien Zugang zu Futter und Wasser.
Körpergewicht, motorische Aktivität, Atemnot und das allgemeine Wohlbefinden der Tiere wurden täglich beobachtet. Die Mäuse wurden gemäß den von der IACUC zugelassenen Anästhesiemethoden mit 1 % Pentobarbital-Natrium und anschließender Zervixluxation eingeschläfert.
Kurzzeitstudie an Mäusen (24 h)
Die Mäuse wurden zufällig in 4 Gruppen verteilt (n = 6) und wie folgt behandelt: (i) Kontrollgruppe (0,9 % NaCl, i.p. bei 0, 4, 8 und 12 Stunden); (ii) ICG-Gruppe (0,9 % NaCl, i.p. bei 0 h; 5 mg/kg ICG, i.v. bei 4, 8 und 12 h); (ii) AMA-Gruppe (0,33 mg/kg AMA i.p. bei 0 h; 0,9 % NaCl, i.v. bei 4, 8 und 12 h); (iii) AMA + ICG-Gruppe, (0,33 mg/kg AMA i.p. bei 0 h; 5 mg/kg ICG i.p. bei 4, 8 und 12 h).
Langzeitstudie an Mäusen (30 Tage)
Die Mäuse wurden zufällig in 4 Gruppen eingeteilt (n = 6) und demselben Verabreichungsprotokoll wie in der Kurzzeitstudie unterzogen. Körpergewicht, motorische Aktivität, Atemnot und allgemeines Wohlbefinden der Tiere wurden 30 Tage lang täglich beobachtet.
In-vivo-Fluoreszenzbildgebung
Insgesamt wurden 5 mg/kg ICG intravenös injiziert und Bilder wurden 0, 10, 20, 40, 60 und 120 Minuten nach der Injektion mit einem In-vivo-Bildgebungssystem (PerkinElmer) aufgenommen.
Blutbiomarker
24 Stunden nach der AMA-Injektion wurden alle Tiere betäubt und eingeschläfert. Das Blut wurde in EDTA-haltige Röhrchen entnommen und sofort 10 Minuten lang bei 3000 g (4 °C) zentrifugiert. Der Plasmaüberstand wurde in Röhrchen gesammelt und bis zur Bestimmung bei –80 °C gelagert. AST, ALT, ALP, BUN und Cre wurden vom Guangdong Engineering & Technology Research Center for Disease-Model Animals der Sun Yat-sen University gemessen.
Histologische Analyse von Leber und Niere
Nach der Blutentnahme wurden Leber und Nieren entnommen und gewogen. Leber- und Nierensegmente wurden zur H&E-Färbung durch Servicebio-Technologie in 4 % Paraformaldehyd gelegt. Der Grad der Entzündung und der Nekrose der Objektträger wurde blind anhand des folgenden Kriteriums halbquantifiziert: Grad 0 = keine Veränderung gegenüber dem Normalwert; Grad 1 = sehr mild (die Veränderungen liegen knapp außerhalb des normalen Bereichs); Grad 2 = leicht (Läsionen können beobachtet werden, sind aber nicht schwerwiegend); Grad 3 = mittel (Die Läsionen sind offensichtlich und wahrscheinlich schwerwiegender) und Grad 4 = schwer (die Läsion hat das gesamte Gewebe und Organ besetzt).
Lektinfärbung
Leberschnitte aus verschiedenen Mäusegruppen wurden geschnitten, entparaffiniert und 30 Minuten lang bei Raumtemperatur mit verdünnten Lektinen gefärbt. Fluorescein-SNA (bindet Sialinsäure, FL-1301-2, 1:200) und Fluorescein-PHA-L (bindet komplexe Glykane, #FL-1111-2, 1:200) wurden von Vector Laboratories erworben. Die Objektträger wurden dann mit DAPI gefärbt und zweimal in PBST (phosphatgepufferte Kochsalzlösung mit Triton X-100) gewaschen und mittels Fluoreszenzmikroskopie (Nikon) abgebildet.
Statistik und Reproduzierbarkeit
Zur Vorbestimmung der Stichprobengröße wurde keine statistische Methode verwendet. Es wurden keine Daten von den Analysen ausgeschlossen. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (S.D.) dargestellt. Statistische Analysen wurden mit der GraphPad Prism 9-Software (Version 9.0.0) durchgeführt. p < 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen. *p < 0,05; **p < 0,01; ***p < 0,001; ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant. In den Legenden wurden biologische Replikate und die Anzahl unabhängiger Experimente angegeben. Alle Experimente, die als repräsentative mikroskopische Aufnahmen oder Gele präsentiert wurden, wurden mindestens dreimal mit ähnlichen Ergebnissen wiederholt.
Zusammenfassung der Berichterstattung
Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.
Datenverfügbarkeit
Die in dieser Studie generierten DNA-Sequenzierungsdaten wurden in der Gene Expression Omnibus (GEO)-Datenbank unter dem Zugangscode GSE226447 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE226447) hinterlegt. . ZINC (https://zinc20.docking.org/) und Drugbank (https://go.drugbank.com/) sind öffentlich verfügbare Datensätze. Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind im Artikel und in der Datei mit ergänzenden Informationen verfügbar. Quelldaten werden in diesem Dokument bereitgestellt. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.
Die Wissenschaftler berichten in diesem Artikel über die Muographie einer archäologischen Stätte im dicht besiedelten Viertel „Sanità“ im Zentrum von Neapel, zehn Meter unter dem aktuellen Straßenniveau. Mehrere Detektoren, die Myonen – hochenergetische geladene Teilchen, die durch kosmische Strahlung in den oberen Schichten der Atmosphäre erzeugt werden – erkennen können, wurden unterirdisch in einer Tiefe von 18 m installiert, um den Myonenfluß über mehrere Wochen zu messen. Durch die Messung des Differenzflusses mit den aufgestellten Detektoren in einem weiten Winkelbereich haben sie ein Durchstrahlungsbild der oberen Schichten erstellt. Trotz der architektonischen Komplexität des Geländes haben die Forscher die bekannten Strukturen sowie einige unbekannte gut beobachtet. Eine der beobachteten neuen Strukturen ist mit der Existenz einer verborgenen, derzeit nicht zugänglichen Grabkammer vereinbar.
Überreste der antiken Neapolis mit ihren Gebäuden, Straßen, Aquädukten und Nekropolen, die von den Griechen ab der zweiten Hälfte des ersten Jahrtausends v. Chr. errichtet wurden, sind etwa zehn Meter unter dem heutigen Straßenniveau der Stadt Neapel begraben. Ein kleiner Teil dieses archäologischen Schatzes ist zugänglich, dank der unterirdischen Strukturen wie Wasserzisternen, die seit dem 16. Jahrhundert gebaut wurden, oder Luftschutzbunker, die während des Zweiten Weltkriegs gebaut wurden und versehentlich alte Kulturschichten durchqueren. Systematische archäologische Ausgrabungen sind in Neapel nicht immer möglich, hauptsächlich wegen Sicherheitsbedenken für Gebäude und Straßen in den dicht besiedelten Stadtteilen. Die Ipogei dei Togati und die Ipogei dei Melograni, in Abb. 1 als Kammern 1 bzw. 4 bezeichnet, sind zwei bekannte griechische Grabkammern, die unterhalb des Sanità-Viertels von Neapel gefunden wurden. Die Gräber sind Teil der antiken Nekropole, die in diesem Gebiet im 6.–3. Jahrhundert v. Chr. angelegt wurde. Wunderschöne Fresken und Altreliefs wurden in diesen antiken Denkmälern gefunden, die von wohlhabenden hellenistischen Familien geschaffen wurden, wie in Abb. 2 gezeigt.
In diesem Gebiet, das später von einer dicken alluvialen Schicht bedeckt wurde, die alle Erinnerungen an die antike Präexistenz verbarg, war eine schnell wachsende Urbanisierung Entwicklung seit dem 16. Jahrhundert. Die neuen Konstruktionen, während sie die alten Denkmäler durchschneiden, haben sie oft eingebaut oder teilweise zerstört. Trotz der tiefgreifenden Veränderungen dieses Gebiets im Laufe der Zeit haben neuere Studien ermöglicht, die ursprüngliche Morphologie der antiken Nekropolenlandschaft mit Grabkammern herauszufinden, die sich entlang der Straße entwickelt hat, die vom Nordtor von Neapolis ausgeht.
Die Untersuchung der integrierten Standorttopologie mit 3D-Vermessungen führte zu der Hypothese eines möglichen Vorhandenseins zusätzlicher Bestattungshypogäen als Teil der hellenistischen Nekropole, wie in Abb. 1 dargestellt. Um diese Hypothese zu untersuchen, haben wir in dieser Arbeit die untersucht Ort mit der Myonen-Radiographie-Technik. Diese moderne Technik besteht aus der Messung des differentiellen Flusses von Myonen, Elementarteilchen, die natürlicherweise in den oberen Schichten der Erdatmosphäre produziert werden.
Das Winkel- und Impulsspektrum von Myonen, ihr Fluss sowie ihre Ausbreitungslänge durch verschiedene Materialien sind gut bekannt. Daher kann dieser ewige Myonenregen auf der Erdoberfläche für die Radiographie, daher die sogenannte Muographie, von massiven Zielen wie Vulkanen 1,2,3,4, unterirdischen Hohlräumen 5,6,7 und ägyptischen Pyramiden 8 verwendet werden. 9. Aufgrund ihrer nicht-invasiven Natur eignet sich diese Technik besonders für städtische Umgebungen, in denen die Anwendung aktiver Inspektionsmethoden wie seismischen Wellen oder Bohrlöchern nicht denkbar ist.
Das Forscherteam hat einen auf der Kernemulsionstechnologie 10 basierenden Detektor verwendet, der die höchste räumliche Auflösung bei der Messung ionisierender Teilchenspuren aufweist. Die Kernemulsion besteht aus winzigen Silberbromidkristallen, die in ein Gelatinebindemittel eingetaucht sind. Die Kristalle wirken als Sensoren, die durch den Ionisationsverlust eines hindurchgehenden geladenen Teilchens aktiviert werden. Der aktivierte Zustand der Kristalle bleibt bis zur chemischen Entwicklung des Emulsionsfilms erhalten. So wird eine Partikelspur aufgezeichnet, zunächst als Abfolge von aktivierten Kristallen, die später nach der Entwicklung zu einer Abfolge von Silberkörnern wird. Die gebildeten Spuren sind an vollautomatischen optischen Mikroskopen sichtbar, wo ihre Position und Richtung gemessen werden.
Emulsionsdetektoren sind einfach, äußerst kompakt und benötigen im Gegensatz zu elektronischen Detektoren keine Stromversorgung 10 oder Gaszuführung. Dadurch eignen sie sich besonders in rauer Umgebung wie in unterirdischen Anlagen oder auf Vulkanen. Es wurden haben zwei Detektormodule verwendet, die in Fig. 3 gezeigt und mit der gleichen Struktur zusammengesetzt wurden, bestehend aus einem Stapel von vier Filmen, 25 × 30 cmbreit und etwa 300 μm dick.
Jeder Emulsionsfilm wurde zur Licht- und Feuchtigkeitsundurchlässigkeit in einer Hülle versiegelt. Die Filmstapel wurden zwischen zwei flache Aluminiumplatten gelegt, die sowohl als Schutzschichten als auch als mechanischer Rahmen des Detektors dienten. Zwischen Deckplatte und Emulsionsfolie wurde eine dünne Weichgummischicht eingebracht, um den Druck gleichmäßig zu verteilen und empfindliche Schichten vor mechanischer Beanspruchung zu schützen.
Die Module wurden im Zeitraum vom 10. März bis 7. April 2018 horizontal für 28 Tage im sogenannten unterirdischen Raum „Chianca“ aufbewahrt, einem Keller, der etwa 18 m unter dem Straßenniveau liegt. Am Ende der Belichtung wurden die Stapel zerlegt und die Filme während des Transports in einer anderen Reihenfolge aufbewahrt. Emulsionsfilme registrieren alle geladenen Teilchen, die die empfindlichen Schichten passieren, bis sie entwickelt werden. In einer einzelnen Emulsionsplatte können während der Belichtungszeit aufgezeichnete Spuren nicht von den anderswo integrierten Spuren unterschieden werden. Um diese Mehrdeutigkeit zu lösen, verwenden wir normalerweise einen Stapel von zwei oder mehr Emulsionsfilmen, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, und das Mustervergleichsverfahren, um diese während der Belichtung integrierten Spuren zu identifizieren. Dieses Verfahren zeigt eine Reinheit von mehr als 95 %.
Alle Emulsionen wurden am nächsten Tag nach der Detektorextraktion in Neapel entwickelt.
Normalerweise reichen zwei aufeinanderfolgende Platten für eine eindeutige Rekonstruktion aus. In diesem Experiment wurden Stapel von vier Filmen in zwei Dubletten geteilt. Jede Dublette wurde unabhängig in einem der beiden mit Hochleistungsscansystemen ausgestatteten Scanlabors analysiert: Neapel (Italien) und Nagoya (Japan). Sowohl die Scan- als auch die Analyseketten, die in zwei Labors angewendet wurden, waren unabhängig. Die Endergebnisse sind vollständig kompatibel, was die hohe Qualität beider Verarbeitungen bestätigt.
