Wetenschap boeken fout? 525 miljoen jaar oud fossiel tart algemene verklaring voor hersenevolutie

Een artistieke impressie van een 525 miljoen jaar oude cardediction-lijn op de ondiepe kustzeebodem, die tevoorschijn komt uit een kleine stromatoliet-schuilplaats gebouwd door fotosynthetische bacteriën. Credits: Nicholas Straussfeld/Universiteit van Arizona

Fossielen van een klein zeedier met een fijn bewaard zenuwstelsel lossen een eeuwenoud debat op over hoe de hersenen evolueerden bij geleedpotigen, de meest soortenrijke groep in het dierenrijk, volgens een nieuwe studie.

Fossielen van een klein zeeschepsel dat meer dan een half miljard jaar geleden stierf, kunnen leiden tot een herschrijving van het wetenschappelijke handboek over hoe de hersenen evolueerden.

Een nieuwe studie geeft de eerste gedetailleerde beschrijving van catenulum van het hartEen wormachtig dier bewaard in rotsen in de provincie Yunnan, Zuid-China. Met een lengte van minder dan 1,5 cm en voor het eerst ontdekt in 1984, verbergt het fossiel nog steeds een cruciaal geheim: een zorgvuldig geconserveerd zenuwstelsel, inclusief de hersenen. Gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappen Op 24 november werd het onderzoek geleid door Nicholas Strausfeld, Regent Professor aan de afdeling Neurowetenschappen aan de Universiteit van Arizona, en Frank Hirth, Lector Evolutionaire Neurowetenschappen aan King’s College London.

“Voor zover we weten, is dit het oudste gefossiliseerde brein dat we tot nu toe kennen”, zei Straussfeld.

het hart Het behoort tot een uitgestorven groep dieren die bekend staat als de lobotomie, die al vroeg in overvloed aanwezig was tijdens een periode die bekend staat als het Cambrium, toen bijna alle belangrijke dierlijke geslachten verschenen in een zeer korte periode tussen 540 miljoen en 500 miljoen jaar geleden. Lobopodians bewogen zich waarschijnlijk op de zeebodem met behulp van meerdere paren zachte, stompe benen die de gewrichten van hun nakomelingen, euarthropoden, missen – een Grieks woord voor ‘echte gearticuleerde voet’. De naaste levende verwanten van de lobotomie van vandaag zijn de fluwelen wormen die voornamelijk in Australië, Nieuw-Zeeland en Zuid-Amerika leven.

De gefossiliseerde Cardiodictyon-serie werd in 1984 ontdekt bij een verscheidenheid aan uitgestorven wezens die bekend staan ​​​​als de Chengjian-fauna in Yunnan, China. Op deze foto bevindt de kop van het dier zich rechts. Credits: Nicholas Straussfeld/Universiteit van Arizona

Een debat dat teruggaat tot de negentiende eeuw

fossielen het hart Het onthult een dier met een gesegmenteerde romp waarin zich regelmatig zenuwstructuren bevinden die bekend staan ​​​​als ganglia. Dit staat in schril contrast met zijn hoofd en hersenen, die beide geen enkel bewijs van segmentatie hebben.

“Deze anatomie was volkomen onverwacht omdat de hoofden en hersenen van moderne geleedpotigen, en sommige van hun gefossiliseerde voorouders, gedurende meer dan honderd jaar als fragmentarisch werden beschouwd,” zei Strausfeld.

Volgens de auteurs lost deze ontdekking een lang en verhit debat op over de oorsprong en vorming van de cephalothorax bij geleedpotigen, ’s werelds meest soortenrijke groep in het dierenrijk. Geleedpotigen omvatten insecten, schaaldieren, spinnen en andere spinnen, evenals enkele andere geslachten zoals duizendpoten en duizendpoten.

“Sinds de jaren 1880 hebben biologen het duidelijk gesegmenteerde uiterlijk van de romp opgemerkt dat typerend is voor geleedpotigen, en dat vooral naar het hoofd extrapoleren,” zei Heath. “Dit is hoe het veld tot de veronderstelling kwam dat het hoofd een anterieure verlenging is van een gesegmenteerde torso.”

“Maar het hart Het laat zien dat het vroege hoofd niet gesegmenteerd was, en de hersenen ook niet, wat aangeeft dat de hersenen en het zenuwstelsel van de romp zich waarschijnlijk afzonderlijk hebben ontwikkeld”, zei Strausfeld.

Fossiele kop van de Cardiodictyon-serie (rechtsvoor). Paarse afzettingen duiden op versteende hersenstructuren. Krediet: Nicholas Straussfeld

Hersenen verstarren niet

het hart Het maakte deel uit van de Zhengjiang Fauna, een beroemde fossiele afzetting in de provincie Yunnan, ontdekt door paleontoloog Xianguang Hu. De zachte, delicate lichamen van lobotomie zijn goed bewaard gebleven in het fossielenarchief, maar anders het hart Geen van hen is onderzocht op hun hoofd en hersenen, misschien omdat de lobben over het algemeen klein zijn. Markeer delen het hart Het waren een reeks driehoekige, zadelvormige structuren die elk segment definieerden en fungeerden als bevestigingspunten voor paar benen. Die zijn gevonden in oudere rotsen die dateren uit de komst van de Cambrische periode.

“Dit vertelt ons dat de gepantserde lobopoden waarschijnlijk de oudste geleedpotigen waren”, zei Strausfeld, zelfs vóór de trilobieten, een iconische en diverse groep mariene geleedpotigen die ongeveer 250 miljoen jaar geleden uitstierf.

“Tot voor kort was de algemene opvatting dat hersenen niet verstarren,” zei Heath. “Dus je zou in de eerste plaats niet verwachten een fossiel te vinden met een bewaard gebleven brein. En ten tweede is dit dier zo klein dat je er niet eens naar zou durven kijken in de hoop hersenen te vinden.”

Het werk van de afgelopen 10 jaar, waarvan een groot deel door Strausfeld is gedaan, heeft echter talloze gevallen geïdentificeerd van hersenen die bewaard zijn gebleven in een verscheidenheid aan gefossiliseerde geleedpotigen.

Gemeenschappelijke genetische plattegrond om een ​​brein te maken

In hun nieuwe studie identificeerden de auteurs niet alleen een brein het hart Maar we vergeleken het ook met bekende fossielen en levende geleedpotigen, waaronder spinnen en duizendpoten. Door gedetailleerde anatomische studies van de fossiele lobopoden te combineren met analyses van genexpressiepatronen in hun levende afstammelingen, concludeerden ze dat er een gemeenschappelijke blauwdruk voor de hersenorganisatie bewaard was gebleven vanaf de Cambrische periode tot vandaag.

“Door bekende genexpressiepatronen in levende soorten te vergelijken, hebben we een gemeenschappelijke handtekening voor alle hersenen geïdentificeerd en hoe ze worden gevormd,” zei Heath.

in het hartDrie cerebrale domeinen zijn geassocieerd met een duidelijk paar hoofdaanhangsels en met een van de drie segmenten van het voorste spijsverteringskanaal.

Heath voegde eraan toe: “We realiseerden ons dat elk deel van de hersenen en de bijbehorende kenmerken worden bepaald door dezelfde combinatiegenen, ongeacht naar welke soort we hebben gekeken.” “Dit suggereerde een gemeenschappelijk genetisch grondplan voor het maken van een brein.”

Lessen voor de ontwikkeling van gewervelde hersenen

Hirth en Straussfeld zeggen dat de in hun studie beschreven principes van toepassing kunnen zijn op andere organismen buiten geleedpotigen en hun directe verwanten. Dit heeft belangrijke implicaties, zeiden ze, bij het vergelijken van het zenuwstelsel van geleedpotigen met dat van gewervelde dieren, die een vergelijkbare kenmerkende architectuur vertonen waarin de voorhersenen en de middenhersenen genetisch en qua ontwikkeling verschillen van het ruggenmerg.

Hun bevindingen bieden ook een communicatieboodschap in een tijd waarin de planeet ingrijpend verandert onder invloed van klimaatveranderingen, zei Strausfeld.

“In een tijd waarin grote geologische en klimatologische gebeurtenissen de planeet hervormden, waren eenvoudige zeedieren zoals… het hart Het gaf aanleiding tot ’s werelds meest diverse groep organismen – de euarthropoden – die zich uiteindelijk verspreidden naar elke ontluikende habitat op aarde, maar nu worden bedreigd door kortstondige soorten. “

Referentie: “Lobopodian Lower Cambrian het hart Bepaalt de oorsprong van orthropod-hersenen “door Nicholas J. Straussfeld, Xiangwang Hu, Marcel E. Sayre en Frank Hirth, 24 november 2022, hier beschikbaar. Wetenschappen.
DOI: 10.1126/science.abn6264

De paper is co-auteur van Xianguang Hou van het Yunnan Key Laboratory of Paleontology aan de Yunnan University in Kunming, China, en Marcel Sayer, die aanstellingen heeft aan de Lund University in Lund, Zweden, en in de afdeling Biologische Wetenschappen aan de Macquarie University in Sydney.

Dit werk werd gefinancierd door de National Science Foundation, het University of Arizona Regents Fund en de UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council.