Przeskanowana tomografem komputerowym czaszka skamieniałej ryby sprzed 319 milionów lat, wydobytej z kopalni węgla w Anglii ponad sto lat temu, ujawniła najstarszy przykład dobrze zachowanego mózgu kręgowca.
Mózg i jego nerwy czaszkowe mają mniej więcej cal długości i należą do wymarłej ryby wielkości błękitnopłetwej. Odkrycie otwiera okno na anatomię układu nerwowego i wczesną ewolucję głównej grupy żyjących obecnie ryb, ryb płetwiastych, według autorów badania przeprowadzonego przez University of Michigan, które ma zostać opublikowane 1 lutego w Nature.
Nieoczekiwane znalezisko dostarcza również wglądu w zachowanie miękkich części w skamielinach zwierząt szkieletowych. Większość skamieniałości zwierząt w zbiorach muzealnych powstała z twardych części ciała, takich jak kości, zęby i muszle.
Mózg przeanalizowany za pomocą tomografii komputerowej należy do Coccocephalus wildi, wczesnej ryby promieniopłetwej, która pływała w ujściu rzeki i prawdopodobnie żywiła się małymi skorupiakami, owadami wodnymi i głowonogami, grupą, która dziś obejmuje kalmary, ośmiornice i mątwy. Ryby płetwiaste mają kręgosłup i płetwy wsparte na kościstych prętach zwanych promieniami.
Kiedy ryba zdechła, miękkie tkanki jej mózgu i nerwów czaszkowych zostały zastąpione podczas procesu fosylizacji gęstym minerałem, który zachował w najdrobniejszych szczegółach swoją trójwymiarową strukturę.
„Ważnym wnioskiem jest to, że tego rodzaju miękkie części można zachować i mogą one być zachowane w skamielinach, które mamy od dawna – jest to skamielina znana od ponad 100 lat” – powiedział paleontolog z UM Matt Friedman, starszy autor nowego badania i dyrektor Muzeum Paleontologii.
Głównym autorem jest doktorant UM Rodrigo Figueroa, który wykonał pracę w ramach swojej rozprawy pod kierunkiem Friedmana na Wydziale Nauk o Ziemi i Środowisku.
„Ta pozornie nie imponująca i niewielka skamielina nie tylko pokazuje nam najstarszy przykład skamieniałego mózgu kręgowca, ale także pokazuje, że wiele z tego, co myśleliśmy o ewolucji mózgu z samych żywych gatunków, będzie wymagało przeróbki” – powiedział Figueroa.
„Przy powszechnej dostępności nowoczesnych technik obrazowania nie zdziwiłbym się, gdybyśmy odkryli, że skamieniałe mózgi i inne miękkie części są znacznie bardziej powszechne, niż wcześniej sądziliśmy. Od teraz nasza grupa badawcza i inni będą patrzeć na skamieniałe głowy ryb z nową, inną perspektywę”.
Skamielina czaszki z Anglii jest jedynym znanym okazem tego gatunku, więc podczas badań prowadzonych przez UM można było zastosować tylko techniki nieniszczące.
Praca nad Coccocephalus jest częścią szerszego wysiłku Friedmana, Figueroa i współpracowników, który wykorzystuje skanowanie tomografii komputerowej (CT) do zaglądania do czaszek wczesnych ryb promieniopłetwych. Celem większego badania jest uzyskanie wewnętrznych szczegółów anatomicznych, które dostarczają wglądu w relacje ewolucyjne.
W przypadku C. wildi Friedman nie szukał mózgu, kiedy uruchomił swój mikrotomograf i zbadał skamielinę czaszki.
„Zeskanowałem ją, a następnie załadowałem dane do oprogramowania, którego używamy do wizualizacji tych skanów, i zauważyłem, że wewnątrz czaszki znajdował się niezwykły, wyraźny obiekt” – powiedział.
Niezidentyfikowana plama była jaśniejsza na obrazie tomografii komputerowej – a zatem prawdopodobnie gęstsza – niż kości czaszki lub otaczająca ją skała.
„Często obserwuje się amorficzne narośla mineralne w skamielinach, ale ten obiekt miał jasno określoną strukturę” – powiedział Friedman.
Tajemniczy obiekt wykazywał kilka cech znalezionych w mózgach kręgowców: był obustronnie symetryczny, zawierał puste przestrzenie podobne wyglądem do komór i miał wiele włókien rozciągających się w kierunku otworów w puszce mózgowej, podobnych z wyglądu do nerwów czaszkowych, które przemieszczają się przez takie kanały w żyjących gatunkach.
„Miał wszystkie te cechy i powiedziałem sobie:„ Czy to naprawdę mózg, na który patrzę? ”- powiedział Friedman. „Więc powiększyłem ten obszar czaszki, aby wykonać drugi skan w wyższej rozdzielczości i było bardzo jasne, że dokładnie tak musi być. I tylko dlatego, że był to tak jednoznaczny przykład, zdecydowaliśmy się idź dalej”.
Chociaż zachowaną tkankę mózgową rzadko znajdowano w skamielinach kręgowców, naukowcy odnieśli większy sukces w przypadku bezkręgowców. Na przykład nienaruszony mózg podkowiastego sprzed 310 milionów lat został zgłoszony w 2021 r., A skany owadów w bursztynie ujawniły mózgi i inne narządy. Istnieją nawet dowody na obecność mózgów i innych części układu nerwowego w spłaszczonych okazach sprzed ponad 500 milionów lat.
Zachowany mózg krewnego rekina sprzed 300 milionów lat został zgłoszony w 2009 roku. Ale rekiny, raje i łyżwy to ryby chrzęstne, które obecnie obejmują stosunkowo niewiele gatunków w porównaniu z linią ryb promieniopłetwych zawierającą Coccocephalus. Wczesne ryby promieniopłetwe, takie jak Coccocephalus, mogą powiedzieć naukowcom o początkowych fazach ewolucji dzisiejszej najbardziej zróżnicowanej grupy ryb, która obejmuje wszystko, od pstrąga po tuńczyka, koniki morskie i flądrę.
Istnieje około 30 000 gatunków ryb promieniopłetwych i stanowią one około połowy wszystkich gatunków zwierząt szkieletowych. Druga połowa jest podzielona między kręgowce lądowe – ptaki, ssaki, gady i płazy – oraz mniej zróżnicowane grupy ryb, takie jak ryby bezszczękowe i ryby chrzęstnoszkieletowe.
Skamielina czaszki Coccocephalus została wypożyczona Friedmanowi z angielskiego Manchester Museum. Został wydobyty z dachu kopalni węgla Mountain Fourfoot w Lancashire i po raz pierwszy został naukowo opisany w 1925 roku. Skamielina została znaleziona w warstwie steatytu przylegającej do pokładu węgla w kopalni.
Chociaż odzyskano tylko czaszkę, naukowcy uważają, że C. wildi miał od 6 do 8 cali długości. Sądząc po kształcie szczęki i zębach, według Figueroa był to prawdopodobnie mięsożerca.
Naukowcy podejrzewają, że kiedy ryba zdechła, została szybko zakopana w osadach z niewielką ilością tlenu. Takie środowisko może spowolnić rozkład miękkich części ciała.
Ponadto chemiczne mikrośrodowisko wewnątrz puszki mózgowej czaszki mogło pomóc w zachowaniu delikatnych tkanek mózgowych i zastąpieniu ich gęstym minerałem, prawdopodobnie pirytem, powiedział Figueroa.
Dowody potwierdzające ten pomysł pochodzą z nerwów czaszkowych, które wysyłają sygnały elektryczne między mózgiem a narządami zmysłów. W skamieniałości Coccocephalus nerwy czaszkowe są nienaruszone wewnątrz puszki mózgowej, ale znikają, gdy opuszczają czaszkę.
„Wydaje się, że w tej ciasno zamkniętej pustce w czaszce istnieje małe mikrośrodowisko, które sprzyja zastępowaniu tych miękkich części jakąś fazą mineralną, przechwytującą kształt tkanek, które w innym przypadku po prostu uległyby rozkładowi” — powiedział Friedmann.
Szczegółowa analiza skamieniałości wraz z porównaniami z mózgami okazów współczesnych ryb z kolekcji Muzeum Zoologii UM ujawniła, że mózg Coccocephalus ma centralne ciało wielkości rodzynki z trzema głównymi regionami, które z grubsza odpowiadają przodomózgowiu, śródmózgowiu i tyłomózgowia żywych ryb.
Nerwy czaszkowe wystają z obu stron ciała centralnego. Postrzegane jako pojedyncza jednostka, centralne ciało i nerwy czaszkowe przypominają małego skorupiaka, takiego jak homar lub krab, z wystającymi ramionami, nogami i pazurami.
Warto zauważyć, że według autorów struktura mózgu Coccocephalus wskazuje na bardziej skomplikowany wzór ewolucji mózgów ryb, niż sugeruje to sam żywy gatunek.
„Te cechy nadają skamieniałości prawdziwą wartość w zrozumieniu wzorców ewolucji mózgu, a nie są po prostu ciekawostką o nieoczekiwanej ochronie” – powiedział Figueroa.
Na przykład wszystkie żyjące ryby promieniopłetwe mają wywinięty mózg, co oznacza, że mózgi embrionalnych ryb rozwijają się poprzez fałdowanie tkanek od wewnątrz zarodka na zewnątrz, jak skarpetka wywrócona na drugą stronę.
Wszystkie inne kręgowce mają ewaginowane mózgi, co oznacza, że tkanka nerwowa w rozwijających się mózgach fałduje się do wewnątrz.
„W przeciwieństwie do wszystkich żywych ryb promieniopłetwych, mózg Coccocephalus składa się do wewnątrz” – powiedział Friedman. „Tak więc ta skamielina rejestruje czas przed ewolucją tej charakterystycznej cechy mózgów ryb płetwiastych. Daje nam to pewne ograniczenia co do tego, kiedy ta cecha ewoluowała – coś, z czym nie mieliśmy dobrego kontaktu przed nowymi danymi na temat Coccocephalus” ”.
Porównania z żywymi rybami wykazały, że mózg Coccocephalus jest najbardziej podobny do mózgów jesiotra i wiosłonosa, które często nazywane są rybami „prymitywnymi”, ponieważ oddzieliły się od wszystkich innych żyjących ryb promieniopłetwych ponad 300 milionów lat temu.
Friedman i Figueroa kontynuują tomografię komputerową czaszek skamielin ryb promieniopłetwych, w tym kilku okazów, które Figueroa przywiózł do Ann Arbor na wypożyczenie z instytucji w swoim rodzinnym kraju, Brazylii. Figueroa powiedział, że jego rozprawa doktorska została opóźniona przez pandemię COVID-19, ale oczekuje się, że zostanie ukończona latem 2024 r.
Badanie Nature obejmuje dane uzyskane w placówce Tomografii Komputerowej UM w naukach o Ziemi i Środowisku, która jest wspierana przez Wydział Nauk o Ziemi i Środowisku oraz Kolegium Literatury, Nauki i Sztuki.
Pozostali autorzy artykułu to Sam Giles z londyńskiego Muzeum Historii Naturalnej i Uniwersytetu w Birmingham; Danielle Goodvin i Matthew Kolmann z Muzeum Paleontologii UM; oraz Michael Coates i Abigail Caron z University of Chicago.
Friedman i Figueroa powiedzieli, że odkrycie podkreśla znaczenie zachowania okazów w muzeach paleontologicznych i zoologicznych.
„Tutaj znaleźliśmy niezwykłe zachowanie w skamieniałości badanej kilka razy wcześniej przez wielu ludzi w ciągu ostatniego stulecia” – powiedział Friedman. „Ale ponieważ mamy te nowe narzędzia do zaglądania do wnętrza skamielin, ujawnia nam to kolejną warstwę informacji.
„Dlatego trzymanie fizycznych okazów jest tak ważne. Bo kto wie, za 100 lat, co ludzie będą mogli teraz zrobić ze skamielinami z naszych kolekcji”.