Künstlerische Darstellung eines einzelnen 525 Millionen Jahre alten Cardiodictyon Catenulum auf dem flachen Meeresboden der Küste, das aus dem Schutz eines kleinen Stromatolithen hervortritt, der von photosynthetischen Bakterien gebildet wurde. Bildnachweis: Nicholas Strausfeld/Universität von Arizona
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 eine Umschreibung eines wissenschaftlichen Lehrbuchs über die Entwicklung des Gehirns erforderlich machen.
Eine neue Studie liefert die erste detaillierte Beschreibung Cardiodiction catenulum, ein wurmartiges Tier, das in Felsen in der südlichen Provinz Yunnan in China konserviert ist. Das knapp einen halben Zoll (weniger als 1,5 Zentimeter) lange Fossil, das erstmals 1984 entdeckt wurde, hatte bis jetzt ein entscheidendes Geheimnis verborgen: ein sorgfältig erhaltenes Nervensystem, einschließlich eines Gehirns. Veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaft Am 24. November wurde die Forschung von Nicholas Strausfeld, einem Regents-Professor an der Abteilung für Neurowissenschaften der Universität von Arizona, und Frank Hirth, einem Dozenten für evolutionäre Neurowissenschaften am King’s College London, geleitet.
„Unseres Wissens nach ist dies das älteste versteinerte Gehirn, das wir bisher kennen“, sagte Strausfeld.
Cardiodiction gehörte zu einer ausgestorbenen Gruppe von Tieren, die als gepanzerte Lobopoden bekannt sind und die früh in einer Zeit, die als Kambrium bekannt ist, reichlich vorhanden waren, als praktisch alle wichtigen Tierlinien in einer extrem kurzen Zeit 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, der Euarthropoden, fehlten – griechisch für „echter Gelenkfuß“. Die heutigen nächsten lebenden Verwandten der Lobopoden sind Samtwürmer, die hauptsächlich in Australien, Neuseeland und Südamerika leben.
Das versteinerte Cardiodictyon catenulum wurde 1984 unter einer vielfältigen Ansammlung ausgestorbener Kreaturen entdeckt, die als Chengjian-Fauna in Yunnan, China, bekannt sind. Auf diesem Foto ist der Kopf des Tieres rechts. Bildnachweis: Nicholas Strausfeld/Universität von Arizona
Eine Debatte, die bis ins 19. Jahrhundert zurückreicht
Fossilien von Cardiodiction zeigen ein Tier mit einem segmentierten Rüssel, in dem es sich wiederholende Anordnungen von neuralen Strukturen gibt, die als Ganglien bekannt sind. Dies steht in starkem Kontrast 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 seit über hundert Jahren als segmentiert angesehen werden“, sagte Strausfeld.
Laut den Autoren löst der Fund eine lange und hitzige Debatte über die Herkunft und Zusammensetzung des Kopfes bei Arthropoden, der weltweit artenreichsten Gruppe im Tierreich. Arthropoden umfassen Insekten, Krebstiere, Spinnen und andere Spinnentiere sowie einige andere Abstammungslinien wie Tausendfüßler und Tausendfüßler.
„Seit den 1880er Jahren bemerkten Biologen das für Arthropoden typische, deutlich segmentierte Aussehen des Rüssels und übertrugen das im Wesentlichen auf den Kopf“, sagt Hirth. „So gelangte das Fachgebiet zu der Annahme, dass der Kopf eine vordere Verlängerung eines segmentierten Stammes ist.“
“Aber Cardiodiction zeigt, dass der frühe Kopf nicht segmentiert war, noch war es sein Gehirn, was darauf hindeutet, dass sich das Gehirn und das Rumpfnervensystem wahrscheinlich getrennt entwickelt haben“, sagte Strausfeld.
Versteinerter Kopf des Cardiodictyon catenulum (anterior ist rechts). Die magentafarbenen Ablagerungen markieren versteinerte Hirnstrukturen. Bildnachweis: Nikolaus Strausfeld
Gehirne versteinern
Cardiodiction war Teil der Chengjiang-Fauna, einer berühmten Fossilienlagerstätte in der Provinz Yunnan, die vom Paläontologen Xianguang Hou entdeckt wurde. Die weichen, zarten Körper von Lobopoden haben sich im Fossilienbestand gut erhalten, aber abgesehen davon Cardiodiction Keiner wurde auf seinen Kopf und sein Gehirn untersucht, möglicherweise weil Lobopoden im Allgemeinen klein sind. Die markantesten Teile von Cardiodiction waren eine Reihe dreieckiger, sattelförmiger Strukturen, die jedes Segment definierten und als Befestigungspunkte für Beinpaare dienten. Diese waren in noch älteren Gesteinen gefunden worden, die auf das Aufkommen des Kambriums zurückgehen.
„Das sagt uns, dass gepanzerte Lobopoden die frühesten Arthropoden gewesen sein könnten“, sagte Strausfeld, der sogar vor Trilobiten stand, einer ikonischen und vielfältigen Gruppe von Meeresarthropoden, die vor etwa 250 Millionen Jahren ausstarb.
„Bis vor kurzem war das allgemeine Verständnis, dass ‚Gehirne nicht versteinern’“, sagte Hirth. „Also würde man von vornherein nicht erwarten, ein Fossil mit einem konservierten Gehirn zu finden. Und zweitens ist dieses Tier so klein, dass Sie es nicht einmal wagen würden, es anzusehen, in der Hoffnung, ein Gehirn zu finden.“
Allerdings hat die Arbeit der letzten 10 Jahre, größtenteils von Strausfeld, mehrere Fälle von konservierten Gehirnen in einer Vielzahl von versteinerten Arthropoden identifiziert.
Ein gemeinsamer genetischer Bauplan für die Herstellung eines Gehirns
In ihrer neuen Studie identifizierten die Autoren nicht nur das Gehirn von Cardiodiction sondern auch mit denen bekannter Fossilien und lebender Arthropoden, einschließlich Spinnen und Tausendfüßler, verglichen. Durch die Kombination detaillierter anatomischer Studien der Lobopoden-Fossilien mit Analysen der Genexpressionsmuster ihrer lebenden Nachkommen kommen sie zu dem Schluss, dass eine gemeinsame Blaupause der Gehirnorganisation vom Kambrium bis heute beibehalten wurde.
“Durch den Vergleich bekannter Genexpressionsmuster in lebenden Arten”, sagte Hirth, “identifizierten wir eine gemeinsame Signatur aller Gehirne und wie sie gebildet werden.”
Im Cardiodictionsind drei Hirndomänen jeweils einem charakteristischen Kopfanhangspaar und einem der drei Teile des vorderen Verdauungssystems zugeordnet.
„Uns ist aufgefallen, dass jede Hirndomäne und ihre entsprechenden Merkmale durch dieselben Kombinationsgene spezifiziert sind, unabhängig von der Art, die wir untersucht haben“, fügt Hirth hinzu. “Dies deutete auf einen gemeinsamen genetischen Grundplan für die Herstellung eines Gehirns hin.”
Lektionen für die Evolution des Gehirns von Wirbeltieren
Hirth und Strausfeld sagen, dass die in ihrer Studie beschriebenen Prinzipien wahrscheinlich auch für andere Lebewesen außerhalb der Arthropoden und ihrer unmittelbaren Verwandten gelten. Dies hat wichtige Auswirkungen, wenn man das Nervensystem von Arthropoden mit dem von Wirbeltieren vergleicht, die eine ähnlich unterschiedliche Architektur aufweisen, in der das Vorderhirn und das Mittelhirn genetisch und entwicklungsbedingt vom Rückenmark verschieden sind, sagten sie.
Strausfeld sagte, ihre Ergebnisse bieten auch eine Botschaft der Kontinuität in einer Zeit, in der sich der Planet unter dem Einfluss klimatischer Veränderungen dramatisch verändert.
„Zu einer Zeit, als große geologische und klimatische Ereignisse den Planeten umgestalteten, wurden einfache Meerestiere wie z Cardiodiction führte zur weltweit vielfältigsten Gruppe von Organismen – den Euarthropoden – die sich schließlich in jedem neu entstehenden Lebensraum auf der Erde ausbreiteten, aber jetzt von unseren eigenen vergänglichen Arten bedroht werden.“
Referenz: „Das untere Kambrium Lobopodian Cardiodiction Resolves the Origin of Euarthropod Brains“ von Nicholas J. Strausfeld, Xianguang Hou, Marcel E. Sayre und Frank Hirth, 24. November 2022, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abn6264
Das Papier wurde von Xianguang Hou am Yunnan Key Laboratory for Paleontology an der Yunnan University in Kunming, China, und Marcel Sayre, der Ernennungen an der Lund University in Lund, Schweden, und am Department of Biological Sciences der Macquarie University in China hat, mitverfasst Sydney.
Finanziert wurde diese Arbeit von der National Science Foundation, dem University of Arizona Regents Fund und dem UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council.