Frühe Einblicke in die Evolution des Gehirns

Arthropoden, wie Insekten, Spinnen und Tausendfüßler, sind die vielfältigsten im Tierreich. Wie sich ihre Gehirne jedoch evolutionär entwickelt haben, ist in der Wissenschaft bislang umstritten. Eine neue Studie bringt nun Klarheit. Darin beschreiben Forscher das älteste bekannte versteinerte Gehirn der Welt, das in einem 525 Millionen Jahre alten Fossil eines wurmartigen Meerestiers – eines der frühesten Arthropoden – aufbewahrt wird. Die “moderne” dreiteilige Struktur des Gehirns legt nahe, dass es sich unabhängig vom segmentierten Nervensystem des restlichen Körpers entwickelt hat.

Vor 540 bis 500 Millionen Jahren entstanden fast alle heute existierenden Tierarten während der kambrischen Artenexplosion. Zu Beginn dieser Phase tauchten die sogenannten Lobopoden auf, gepanzerte Meeresbewohner, die wahrscheinlich auf mehreren weichen, unbequemen Beinen über den Meeresboden gingen. Zahlreiche Fossilien dieser heute ausgestorbenen Arthropoden sind beispielsweise in den Fossilienfundstellen der Provinz Yunnan in Südchina erhalten geblieben. Unter ihnen wurde 1984 ein 1,5 Zentimeter langes Fossil eines Lobopoden namens Cardiodictyon catenulum gefunden. Eine Besonderheit dieses Exemplars: Sein Nervensystem samt Gehirn ist in feiner Struktur erhalten.

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Wiederaufbau
Rekonstruktion des Cardiodictyo Catenulum. © Nicholas Strausfeld / Universität von Arizona

Das älteste fossile Gehirn der Welt

„Soweit wir wissen, ist dies das älteste bislang bekannte fossile Gehirn“, sagt Nicholas Strausfeld von der University of Arizona in Tucson. Gemeinsam mit seinem Team hat er das außergewöhnliche Fossil nun eingehend untersucht. Die Forscher fanden heraus, dass sich der Körper und die darin enthaltenen neuronalen Strukturen 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 die Köpfe und Gehirne moderner Arthropoden und einiger ihrer fossilen Vorfahren segmentiert sind“, sagte Strausfeld.

Co-Autor Frank Hirth vom King’s College London erklärt: „Seit den 1880er Jahren haben Biologen die für Arthropoden charakteristische ausgeprägte Segmentierung des Körpers beobachtet und diese auf den Kopf extrapoliert. Dies führte zu der Hypothese, dass der Kopf eine vordere Verlängerung des Segmentierten ist Karosserie.” Wie für Arthropoden typisch, besteht das periphere Nervensystem von Cardiodictyon aus mehreren Ganglien, sogenannten Neuronen, die von Segment zu Segment miteinander verbunden sind.Bisher ging man davon aus, dass sich das Gehirn aus einer besonders großen Ansammlung von miteinander verbundenen Ganglien entwickelt hat , der Kopf und das Gehirn eines frühen Vertreters wie Cardiodictyon sollten eine klare Segmentierung aufweisen. “Aber Cardiodactyly zeigt, dass der frühe Kopf nicht segmentiert war, und auch nicht sein Gehirn, was darauf hindeutet, dass sich das Gehirn und das Nervensystem des Körpers wahrscheinlich getrennt entwickelt haben”, sagte Strausfeld .

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Eine gemeinsame genetische Signatur

Um diese These weiter zu überprüfen, verglichen Strausfeld und seine Kollegen das neu beschriebene Vorderhirn mit den Gehirnen anderer bekannter fossiler und lebender Arthropoden, darunter Spinnen und Tausendfüßler. Außerdem analysierten sie die Expressionsmuster von Genen, die für den Gehirnbauplan moderner Vertreter verantwortlich sind. „Durch den Vergleich bekannter Genexpressionsmuster in lebenden Arten haben wir eine gemeinsame Signatur für alle Gehirne und ihre Entstehung identifiziert“, berichtet Hirth.

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Mit diesem Wissen konnten die Cardiodictyon-Forscher drei Gehirnregionen identifizieren, die jeweils mit Anhängen des Kopfes und einem der drei Teile des vorderen Verdauungssystems verbunden sind. „Wir haben festgestellt, dass jede Gehirnregion und die entsprechenden Eigenschaften von derselben Genkombination bestimmt werden, unabhängig von der untersuchten Spezies“, sagt Hirth. “Dies deutet auf einen gemeinsamen genetischen Bauplan für die Gehirnentwicklung hin.” Die Autoren gehen davon aus, dass die von ihnen beschriebenen Grundprinzipien wahrscheinlich 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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