Frühe Einblicke in die Evolution des Gehirns

Arthropoden wie Insekten, Spinnen und Tausendfüßler sind die vielfältigsten Arten im Tierreich. Aber wie sich ihre Gehirne entwickelt haben, ist in der Wissenschaft immer noch umstritten. Eine neue Studie macht es jetzt deutlich. Darin beschreiben Forscher das älteste versteinerte Gehirn der Welt, das in einem 525 Millionen Jahre alten versteinerten Knochen eines wurmartigen Meerestiers, eines der ältesten Arthropoden, aufbewahrt wird. Die “moderne” dreiteilige Struktur des Gehirns legt nahe, dass es sich unabhängig vom segmentierten Nervensystem des restlichen Körpers entwickelt hat.

Vor etwa 540-500 Millionen Jahren entstanden fast alle heute lebenden Tiergruppen während der kambrischen Artenexplosion. Zu Beginn dieser Phase erschienen gepanzerte Kreaturen namens Gürteltiere, die sich wahrscheinlich mit mehreren Paaren weicher, ungeschickter Beine über den Meeresboden bewegten. Zahlreiche Fossilien dieser heute ausgestorbenen Arthropoden sind beispielsweise im Fossilienbestand der Provinz Yunnan in Südchina erhalten geblieben. Unter ihnen ist das 1,5 cm lange Fossil von Cardiodictyon catenulum, das 1984 entdeckt wurde. Das Besondere an diesem Exemplar: Sein Nervensystem samt Gehirn ist in seiner feinen Struktur erhalten.

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Wiederaufbau
Rekonstruktion des Cardiodictyon catenulum. © Nicholas Strausfeld / Universität von Arizona

Das älteste versteinerte Gehirn der Welt

„Soweit wir wissen, ist dies das älteste bekannte fossile Gehirn“, sagte Nicholas Strausfeld von der University of Arizona in Tucson. Nun haben er und sein Team die ungewöhnlichen Fossilien im Detail untersucht. Die Forscher fanden heraus, dass sich der Rumpf und die darin enthaltenen Neuronen wie erwartet segmentierten, Kopf und Gehirn jedoch keine Anzeichen einer Segmentierung zeigten. „Diese Anatomie war völlig unerwartet, da man seit über einem Jahrhundert annimmt, dass der Kopf und das Gehirn moderner Arthropoden und einiger fossiler Vorfahren segmentiert sind“, sagte Strausfeld.

Co-Autor Frank Hirt vom King’s College London erklärt: „Seit den 1880er Jahren haben Biologen eine deutliche Segmentierung des typischen Körpers von Arthropoden festgestellt, die weitgehend auf den Kopf übertragen wurde. Dies hat zu der Hypothese geführt, dass der Kopf es ist eine vordere Verlängerung des segmentierten Körpers.” Wie es für Arthropoden typisch ist, besteht das periphere Nervensystem von Cardiodiction aus mehreren Ganglien von Neuronen, Ganglien genannt, die von Segment zu Segment verbunden sind.Bisher dachte man, dass sich das Gehirn aus einer sehr großen Ansammlung von miteinander verbundenen Ganglien entwickelt hat Kopf und Gehirn eines alten Vertreters wie Cardiodiction sollten eine klare Segmentierung aufweisen.„Allerdings zeigt Cardiodiction, dass der frühe Kopf und das Gehirn überhaupt nicht segmentiert waren, was darauf hindeutet, dass sich Gehirn und Rumpfnervensystem getrennt entwickelt haben könnten“, sagte Strausfeld.

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Eine gemeinsame genetische Signatur

Um diese These weiter zu überprüfen, verglichen Strausfeld und seine Kollegen das neu identifizierte antike Gehirn mit anderen bekannten Fossilien und Gehirnen von lebenden Arthropoden, einschließlich Spinnen und Nacktschnecken. Darüber hinaus analysierten sie die Expression von Genen, die für die Bildgebung des Gehirns heute lebender Vertreter verantwortlich sind. “Durch den Vergleich bekannter Genexpressionsmuster in lebenden Arten haben wir gemeinsame Signaturen aller Gehirne und ihrer Bildung identifiziert”, sagte Hirt.

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Mit diesem Wissen fanden Cardiodiction-Forscher heraus, dass jede der drei Gehirnregionen mit einem Paar Kopfanhängseln und einem der drei vorderen Teile des Verdauungssystems verbunden ist. „Wir fanden heraus, dass jeder Teil des Gehirns und die damit verbundenen Merkmale durch dieselbe Kombination von Genen bestimmt wurden, unabhängig von der untersuchten Spezies“, sagte Hirt. “Dies deutet auf einen gemeinsamen genetischen Bauplan für die Gehirnentwicklung hin.” Die Autoren glauben, dass die von ihnen beschriebenen Grundprinzipien nicht nur für Arthropoden gelten, sondern auch für andere Tierarten, einschließlich Wirbeltiere. Auch hier sind das Vorderhirn und das Mittelhirn genetisch und entwicklungsbedingt vom Rückenmark getrennt.

Quelle: Nicholas Strausfeld (University of Arizona, Tucson) et al., Science, doi: 10.1126/science.abn6264

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