Książki naukowe są złe? Skamielina sprzed 525 milionów lat wymyka się powszechnemu wyjaśnieniu ewolucji mózgu

Artystyczna wizja liczącej 525 milionów lat linii cardediction na płytkim dnie przybrzeżnego morza, wyłaniającej się z małego schroniska stromatolitu zbudowanego przez bakterie fotosyntetyzujące. Źródło: Nicholas Straussfeld/University of Arizona

Skamieliny maleńkiego stworzenia morskiego z delikatnie zachowanym układem nerwowym rozwiązują stuletnią debatę na temat ewolucji mózgu u stawonogów, najbogatszej gatunkowo grupy w królestwie zwierząt, wynika z nowych badań.

Skamieliny maleńkiego stworzenia morskiego, które zmarło ponad pół miliarda lat temu, mogą skłonić do ponownego napisania podręcznika naukowego na temat ewolucji mózgu.

Nowe badanie zawiera pierwszy szczegółowy opis katenulum sercaZwierzę podobne do robaka zachowane w skałach w prowincji Yunnan w południowych Chinach. Mierząca pół cala (mniej niż 1,5 cm) długość i po raz pierwszy odkryta w 1984 r., skamielina wciąż skrywa kluczową tajemnicę: delikatnie zachowany układ nerwowy, w tym mózg. Opublikowane w czasopiśmie Nauki 24 listopada badaniami kierowali Nicholas Strausfeld, Regent Professor na Wydziale Neuronauki na Uniwersytecie w Arizonie, oraz Frank Hirth, wykładowca Evolutionary Neuroscience w King’s College London.

„O ile nam wiadomo, jest to najstarszy skamieniały mózg, jaki znamy” – powiedział Straussfeld.

serce Należy do wymarłej grupy zwierząt znanej jako lobotomia, która była obfita na początku okresu znanego jako kambr, kiedy prawie wszystkie główne linie zwierząt pojawiły się w bardzo krótkim okresie między 540 a 500 milionami lat temu. Lobopodianie prawdopodobnie poruszali się po dnie morskim, używając wielu par miękkich, krótkich nóg, którym brakuje stawów ich potomków, euarthropodów — greckie słowo oznaczające „prawdziwie przegubową stopę”. Dzisiejsi najbliżsi żyjący krewniacy lobotomii to robaki aksamitne, które żyją głównie w Australii, Nowej Zelandii i Ameryce Południowej.

Skamieniała seria Cardiodictyon została odkryta w 1984 roku wśród różnych wymarłych stworzeń znanych jako fauna Chengjian w Yunnan w Chinach. Na tym zdjęciu głowa zwierzęcia znajduje się po prawej stronie. Źródło: Nicholas Straussfeld/University of Arizona

Debata sięgająca XIX wieku

skamieniałości serce Ujawnia zwierzę z segmentowanym tułowiem, w którym często występują układy struktur nerwowych zwanych zwojami. Stoi to w jaskrawym kontraście z jego głową i mózgiem, z których oba nie mają żadnych dowodów na segmentację.

„Ta anatomia była zupełnie nieoczekiwana, ponieważ głowy i mózgi współczesnych stawonogów oraz niektórych ich skamieniałych przodków przez ponad sto lat uważano za fragmentaryczne” – powiedział Strausfeld.

Zdaniem autorów odkrycie to rozwiązuje długą i gorącą debatę na temat pochodzenia i powstawania głowotułowia u stawonogów, najbogatszej gatunkowo grupy w królestwie zwierząt. Stawonogi obejmują owady, skorupiaki, pająki i inne pająki, a także niektóre inne linie rodowe, takie jak krocionogi i stonogi.

„Od lat 80. XIX wieku biolodzy zauważali wyraźnie podzielony na segmenty wygląd tułowia typowy dla stawonogów, ekstrapolując to głównie na głowę” – powiedział Heath. „W ten sposób badacze doszli do wniosku, że głowa jest przednim przedłużeniem podzielonego na segmenty tułowia”.

„Ale serce Pokazuje, że wczesna głowa nie była podzielona na segmenty, podobnie jak jej mózg, co wskazuje, że układ nerwowy mózgu i tułowia prawdopodobnie rozwinęły się oddzielnie” – powiedział Strausfeld.

Skamieniała głowa z serii Cardiodictyon (z przodu po prawej). Fioletowe osady wskazują na skamieniałe struktury mózgu. Źródło: Nicholas Straussfeld

Mózgi nie kostnieją

serce Była częścią Fauny Zhengjiang, słynnego złoża skamielin w prowincji Yunnan, odkrytego przez paleontologa Xianguang Hu. Miękkie, delikatne ciała lobotomii zostały dobrze zachowane w zapisie kopalnym, ale poza tym serce Żaden nie został zbadany pod kątem głowy i mózgu, być może dlatego, że zraziki są na ogół małe. Zaznacz części serce Były to serie trójkątnych struktur w kształcie siodeł, które definiowały każdy segment i działały jako punkty mocowania par nóg. Te znajdują się w starszych skałach datowanych na nadejście okresu kambru.

„To mówi nam, że opancerzone lobonogi były prawdopodobnie najstarszymi stawonogami” – powiedział Strausfeld, wyprzedzając nawet trylobity, kultową i zróżnicowaną grupę stawonogów morskich, które wymarły około 250 milionów lat temu.

„Do niedawna powszechnie uważano, że mózgi nie ulegają fosylizacji” – powiedział Heath. „Więc po pierwsze nie spodziewałbyś się znaleźć skamieliny z zachowanym mózgiem. Po drugie, to zwierzę jest tak małe, że nawet nie odważyłbyś się na nie spojrzeć w nadziei na znalezienie mózgu.”

Jednak praca w ciągu ostatnich 10 lat, z których większość wykonał Strausfeld, zidentyfikowała liczne przypadki zachowanych mózgów w różnych skamieniałych stawonogach.

Wspólny genetyczny plan piętra, aby zrobić mózg

W swoim nowym badaniu autorzy nie tylko zidentyfikowali mózg serce Ale porównaliśmy go również do znanych skamielin i żywych stawonogów, w tym pająków i stonóg. Łącząc szczegółowe badania anatomiczne skamieniałych lobopodów z analizami wzorców ekspresji genów u ich żyjących potomków, doszli do wniosku, że od okresu kambru do dziś zachował się wspólny schemat organizacji mózgu.

„Porównując znane wzorce ekspresji genów u żywych gatunków, zidentyfikowaliśmy wspólną sygnaturę dla wszystkich mózgów i sposób ich powstawania” – powiedział Heath.

w serceTrzy domeny mózgowe są związane z odrębną parą przydatków głowy i jednym z trzech odcinków przedniego przewodu pokarmowego.

Heath dodał: „Zdaliśmy sobie sprawę, że każdy obszar mózgu i odpowiadające mu cechy są określone przez tę samą kombinację genów, niezależnie od gatunku, na który patrzyliśmy”. „To sugerowało wspólny plan genetyczny do stworzenia mózgu”.

Lekcje dotyczące rozwoju mózgu kręgowców

Hirth i Straussfeld twierdzą, że zasady opisane w ich badaniu mogą mieć zastosowanie do innych organizmów poza stawonogami i ich najbliższymi krewnymi. Ma to istotne implikacje, powiedzieli, przy porównywaniu układu nerwowego stawonogów z układem nerwowym kręgowców, które wykazują podobnie charakterystyczną architekturę, w której przodomózgowie i śródmózgowie różnią się genetycznie i rozwojowo od rdzenia kręgowego.

Ich odkrycia dostarczają również komunikatu komunikacyjnego w czasie, gdy planeta zmienia się dramatycznie pod wpływem zmian klimatu, powiedział Strausfeld.

„W czasie, gdy wielkie wydarzenia geologiczne i klimatyczne zmieniały kształt planety, proste zwierzęta morskie, takie jak… serce Dało to początek najbardziej zróżnicowanej grupie organizmów na świecie – stawonogom – które ostatecznie rozprzestrzeniły się na wszystkie powstające siedliska na Ziemi, ale obecnie są zagrożone przez gatunki efemeryczne. „

Odniesienie: „Lobopodian dolny kambr serce Decides the Origin of Orthropod Brains” autorstwa Nicholasa J. Straussfelda, Xiangwang Hu, Marcela E. Sayre i Franka Hirtha, 24 listopada 2022 r., dostępne tutaj. Nauki.
DOI: 10.1126/science.abn6264

Współautorami artykułu są Xianguang Hou z Yunnan Key Laboratory of Paleontology na Uniwersytecie Yunnan w Kunming w Chinach oraz Marcel Sayer, który ma spotkania na Uniwersytecie w Lund w Lund w Szwecji oraz na Wydziale Nauk Biologicznych na Uniwersytecie Macquarie w Sydnej.

Ta praca została sfinansowana przez National Science Foundation, University of Arizona Regents Fund oraz brytyjską Radę ds. Badań nad Biotechnologią i Naukami Biologicznymi.