Frühe Einblicke in die Evolution des Gehirns

Arthropoden, wie Insekten, Spinnen und Tausendfüßler, sind die vielfältigsten Stämme im Tierreich. Wie sich ihre Gehirne jedoch evolutionär entwickelt haben, ist in der Wissenschaft bisher umstritten. Eine neue Studie bringt nun Klarheit. Darin beschreiben Forscher das älteste bekannte Fossil des Gehirns der Welt, das in dem 525 Millionen Jahre alten Fossil eines wurmartigen Meerestiers – eines der frühesten Arthropoden – erhalten ist. 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 Tierlinien während der kambrischen Artenexplosion. Zu Beginn dieser Phase tauchten sogenannte Copepoden auf, eine Gruppe gepanzerter Meeresbewohner, die sich wahrscheinlich mit mehreren Paaren weicher, schlaffer Beine über den Meeresboden bewegten. Viele Fossilien dieser heute ausgestorbenen primitiven Arthropoden haben sich beispielsweise in der südchinesischen Provinz Yunnan in Fossilien erhalten. Darunter ist ein 1,5 Zentimeter langes Fossil eines Copepoden namens Cardiodictyon catenulum, das 1984 entdeckt wurde. Das Besondere an diesem Exemplar: Sein Nervensystem samt Gehirn ist in seiner filigranen Struktur erhalten geblieben.

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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 bislang bekannte fossile Gehirn“, sagt Nicholas Strausfeld von der University of Arizona in Tucson. Gemeinsam mit seinem Team hat er das außergewöhnliche Fossil nun im Detail untersucht. Die Forscher fanden heraus, dass der Rumpf und die darin enthaltenen neuronalen Strukturen zwar wie erwartet segmentiert waren, Kopf und Gehirn jedoch keine Anzeichen einer Segmentierung zeigten. „Diese Anatomie war völlig unerwartet, da man annimmt, dass die Köpfe und Gehirne moderner Arthropoden und einiger ihrer fossilen Vorfahren seit über hundert Jahren seziert wurden“, sagte Strausfeld.

Co-Autor Frank Hirth vom King’s College London erklärt: „Seit den 1880er Jahren haben Biologen die für Arthropoden typische deutliche Segmentierung des Rumpfes beobachtet und im Wesentlichen auf den Kopf extrapoliert. Dies führte zu der Hypothese, dass der Kopf eine vordere Verlängerung des segmentierten Rumpfes ist. Das periphere Nervensystem von Cardiodictyon besteht, wie für Arthropoden typisch, aus mehreren Knoten von Nervenzellen, sogenannten Ganglien, die von Segment zu Segment verbunden sind. Bisher ging man davon aus, dass sich das Gehirn aus einer besonders großen Ansammlung miteinander verbundener Ganglien entwickelt hat. Demnach müssten Kopf und Gehirn eines so frühen Vertreters wie Cardiodictyon eine klare Segmentierung aufweisen. „Aber die Cardiodiction zeigt, dass der frühe Kopf nicht segmentiert war, und sein Gehirn auch nicht, was darauf hindeutet, dass sich das Gehirn und das Rumpfnervensystem wahrscheinlich getrennt entwickelt haben“, sagte Strausfeld.

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Gemeinsame genetische Signatur

Um diese These weiter zu überprüfen, verglichen Strausfeld und seine Kollegen das neu beschriebene primitive Gehirn mit den Gehirnen anderer bekannter fossiler und lebender Arthropoden, darunter Spinnen und Tausendfüßler. Darüber hinaus analysierten sie die Genexpressionsmuster, die für das Gehirndesign bei heute lebenden Vertretern verantwortlich sind. „Durch den Vergleich bekannter Muster der Genexpression bei lebenden Arten haben wir eine gemeinsame Signatur aller Gehirne und ihrer Bildung identifiziert“, sagt Hirth.

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Mit diesem Wissen konnten die Forscher von Cardiodictyon drei Gehirnregionen identifizieren, die jeweils mit einem Paar Kopfanhängseln und einem der drei Teile des vorderen Verdauungssystems verbunden sind. „Wir haben herausgefunden, dass jede Gehirnregion und die entsprechenden Eigenschaften unabhängig von der untersuchten Spezies durch die gleiche Kombination von Genen bestimmt werden“, sagt Hirth. „Dies weist auf einen gemeinsamen genetischen Bauplan für die Entwicklung eines Gehirns 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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