Wissenschaftsbücher falsch? 525 Millionen Jahre altes Fossil widersetzt sich allgemeiner Erklärung für die Evolution des Gehirns

Laut einer neuen Studie lösen Fossilien eines winzigen Meeresbewohners mit einem fein erhaltenen Nervensystem eine jahrhundertealte Debatte darüber, wie sich das Gehirn in Arthropoden, der artenreichsten Gruppe im Tierreich, entwickelt hat.

Fossilien eines winzigen Meereslebewesens, das vor mehr als einer halben Milliarde Jahren gestorben ist, könnten zu einer Neufassung des wissenschaftlichen Lehrbuchs über die Entwicklung des Gehirns führen.

Eine neue Studie liefert die erste detaillierte Beschreibung Catenulum des HerzensEin wurmähnliches Tier, das in Felsen in der südchinesischen Provinz Yunnan konserviert wurde. Das 1984 erstmals entdeckte Fossil ist weniger als 1,5 cm lang und birgt immer noch ein entscheidendes Geheimnis: ein fein erhaltenes Nervensystem, einschließlich des Gehirns. Veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaften Am 24. November wurde die Forschung von Nicholas Strausfeld, Regent Professor am Department of Neuroscience an der University of Arizona, und Frank Hirth, Reader of Evolutionary Neuroscience am King’s College London, geleitet.

„Soweit wir wissen, ist dies das älteste versteinerte Gehirn, das wir bisher kennen“, sagte Straussfeld.

das Herz Es gehört zu einer ausgestorbenen Gruppe von Tieren, die als Lobotomie bekannt ist und die schon früh in einer als Kambrium bekannten Zeit reichlich vorhanden war, als fast alle wichtigen Tierlinien in einem sehr kurzen Zeitraum zwischen 540 Millionen und 500 Millionen Jahren auftauchten. Lobopoden bewegten sich wahrscheinlich auf dem Meeresboden mit mehreren Paaren weicher, stumpfer Beine, denen die Gelenke ihrer Nachkommen, Euarthropoden, fehlen – ein griechisches Wort für „echten Gelenkfuß“. Die heute nächsten lebenden Verwandten der Lobotomie sind die Samtwürmer, die hauptsächlich in Australien, Neuseeland und Südamerika leben.

Die versteinerte Cardiodictyon-Serie wurde 1984 unter einer Vielzahl ausgestorbener Kreaturen entdeckt, die als Chengjian-Fauna in Yunnan, China, bekannt sind. Auf diesem Foto ist der Kopf des Tieres rechts. Bildnachweis: Nicholas Straussfeld/Universität von Arizona

Eine Debatte aus dem neunzehnten Jahrhundert

Fossilien das Herz Es zeigt ein Tier mit einem segmentierten Rumpf, in dem es häufige Anordnungen von Nervenstrukturen gibt, die als Ganglien bekannt sind. Dies steht in krassem Gegensatz zu seinem Kopf und Gehirn, die beide keinerlei Anzeichen einer Segmentierung aufweisen.

„Diese Anatomie war völlig unerwartet, da die Köpfe und Gehirne moderner Arthropoden und einiger ihrer versteinerten Vorfahren mehr als hundert Jahre lang als fragmentarisch galten“, sagte Strausfeld.

Laut den Autoren löst diese Entdeckung eine lange und hitzige Debatte über den Ursprung und die Bildung des Cephalothorax bei Arthropoden, der weltweit artenreichsten Gruppe im Tierreich. Arthropoden umfassen Insekten, Krebstiere, Spinnen und andere Spinnen sowie einige andere Abstammungslinien wie Tausendfüßler und Tausendfüßler.

„Seit den 1880er Jahren haben Biologen das für Arthropoden typische deutlich segmentierte Aussehen des Rumpfes festgestellt und dies hauptsächlich auf den Kopf extrapoliert“, sagte Heath. „So kam das Fachgebiet zu der Annahme, dass der Kopf eine vordere Verlängerung eines segmentierten Torsos ist.“

„Aber das Herz Es zeigt, dass der frühe Kopf nicht segmentiert war und sein Gehirn auch nicht, was darauf hindeutet, dass sich Gehirn und Nervenstamm getrennt entwickelt haben“, sagte Strausfeld.

Fossiler Kopf der Cardiodictyon-Serie (vorne rechts). Violette Ablagerungen weisen auf versteinerte Gehirnstrukturen hin. Bildnachweis: Nicholas Straussfeld

Gehirne verknöchern nicht

das Herz Es war Teil der Zhengjiang-Fauna, einer berühmten Fossilienlagerstätte in der Provinz Yunnan, die vom Paläontologen Xianguang Hu entdeckt wurde. Die weichen, zarten Körper der Lobotomie sind im Fossilienbestand gut erhalten, aber ansonsten das Herz Keiner wurde auf Kopf und Gehirn untersucht, vielleicht weil die Läppchen im Allgemeinen klein sind. Teile hervorheben das Herz Sie waren eine Reihe dreieckiger, sattelförmiger Strukturen, die jedes Segment definierten und als Befestigungspunkte für Beinpaare dienten. Diese befinden sich in älteren Gesteinen aus der Zeit des Kambriums.

„Dies sagt uns, dass die gepanzerten Lobopoden wahrscheinlich die ältesten Arthropoden waren“, sagte Strausfeld, der sogar noch vor den Trilobiten datierte, einer ikonischen und vielfältigen Gruppe von Meeresarthropoden, die vor etwa 250 Millionen Jahren ausstarb.

„Bis vor kurzem war die allgemeine Auffassung, dass Gehirne nicht versteinern“, sagte Heath. „Man würde also erstens nicht erwarten, ein Fossil mit einem konservierten Gehirn zu finden. Und zweitens ist dieses Tier so klein, dass man es nicht einmal wagen würde, es anzusehen, in der Hoffnung, ein Gehirn zu finden.“

Allerdings hat die Arbeit der letzten 10 Jahre, von denen viele Strausfeld geleistet hat, zahlreiche Fälle von Gehirnen identifiziert, die in einer Vielzahl von versteinerten Arthropoden konserviert wurden.

Gemeinsamer genetischer Grundriss, um ein Gehirn zu machen

In ihrer neuen Studie identifizierten die Autoren nicht nur ein Gehirn das Herz Aber wir haben es auch mit bekannten Fossilien und lebenden Arthropoden verglichen, darunter Spinnen und Tausendfüßler. Durch die Kombination detaillierter anatomischer Studien der fossilen Lobopoden mit Analysen der Genexpressionsmuster ihrer lebenden Nachkommen kamen sie zu dem Schluss, dass ein gemeinsamer Bauplan für die Gehirnorganisation vom Kambrium bis heute erhalten geblieben ist.

„Durch den Vergleich bekannter Genexpressionsmuster in lebenden Arten haben wir eine gemeinsame Signatur für alle Gehirne und ihre Bildung identifiziert“, sagte Heath.

in das HerzDrei zerebrale Domänen sind mit einem bestimmten Paar von Kopfanhängseln und mit einem der drei Segmente des vorderen Verdauungstrakts verbunden.

Heath fügte hinzu: „Wir haben festgestellt, dass jeder Bereich des Gehirns und seine entsprechenden Merkmale von denselben Kombinationsgenen bestimmt werden, unabhängig davon, welche Spezies wir untersucht haben.“ „Dies deutete auf einen gemeinsamen genetischen Grundriss für die Herstellung eines Gehirns hin.“

Lektionen für die Gehirnentwicklung von Wirbeltieren

Hirth und Straussfeld sagen, dass die in ihrer Studie beschriebenen Prinzipien auf andere Organismen außerhalb der Arthropoden und ihrer unmittelbaren Verwandten anwendbar sein könnten. Dies habe wichtige Auswirkungen, sagten sie, wenn man das Nervensystem von Arthropoden mit dem von Wirbeltieren vergleiche, die eine ähnlich charakteristische Architektur aufweisen, in der Vorder- und Mittelhirn sich genetisch und entwicklungsbedingt vom Rückenmark unterscheiden.

Ihre Ergebnisse liefern auch eine Kommunikationsbotschaft in einer Zeit, in der sich der Planet unter dem Einfluss von Klimaveränderungen dramatisch verändert, sagte Strausfeld.

„Zu einer Zeit, als große geologische und klimatische Ereignisse den Planeten umgestalteten, wurden einfache Meerestiere wie… das Herz Daraus entstand die vielfältigste Gruppe von Organismen der Welt – die Euarthropoden – die sich schließlich in jeden neu entstehenden Lebensraum auf der Erde ausbreiteten, aber jetzt von kurzlebigen Arten bedroht sind. „

Referenz: „Lobopodian Lower Cambrian das Herz Entscheidet über den Ursprung von Orthropodengehirnen“ von Nicholas J. Straussfeld, Xiangwang Hu, Marcel E. Sayre und Frank Hirth, 24. November 2022, hier verfügbar. Wissenschaften.
DOI: 10.1126/science.abn6264

Das Papier wurde von Xianguang Hou am Yunnan Key Laboratory of Paleontology an der Yunnan University in Kunming, China, und Marcel Sayer, der Ernennungen an der Lund University in Lund, Schweden, und am Department of Biological Sciences der Macquarie University in China hat, mitverfasst Sydney.

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation, dem University of Arizona Regents Fund und dem UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council finanziert.