Skamieliny maleńkiego stworzenia morskiego, które zmarło ponad pół miliarda lat temu, mogą zmusić podręcznik naukowy do ponownego napisania tego, jak ewoluował mózg.
Badanie opublikowane w Science – prowadzone przez Nicholasa Strausfelda, profesora Regents na Wydziale Neurologii Uniwersytetu Arizony i Franka Hirtha, czytelnika neuronauki ewolucyjnej w King’s College London – dostarcza pierwszego szczegółowego opisu Cardiodictyon catenulum, robaka przypominającego robaka zwierzę zachowane w skałach w południowej prowincji Yunnan w Chinach. Mierząca zaledwie pół cala (mniej niż 1,5 centymetra) długość i po raz pierwszy odkryta w 1984 r., skamielina skrywała kluczowy sekret do tej pory: delikatnie zachowany układ nerwowy, w tym mózg.
„Według naszej wiedzy jest to najstarszy skamieniały mózg, jaki znamy” – powiedział Strausfeld.
Cardiodictyon należał do wymarłej grupy zwierząt zwanych lobopodianami pancernymi, które były liczne na początku okresu znanego jako kambr, kiedy praktycznie wszystkie główne linie zwierząt pojawiły się w niezwykle krótkim czasie między 540 a 500 milionami lat temu. Lobopodianie prawdopodobnie poruszali się po dnie morskim, używając wielu par miękkich, krótkich nóg, którym brakowało stawów ich potomków, euarthropodów – po grecku „prawdziwa stopa ze stawami”. Dzisiejsi najbliżsi żyjący krewniacy lobopodian to robaki aksamitne, które żyją głównie w Australii, Nowej Zelandii i Ameryce Południowej.
Debata sięgająca XIX wieku
Skamieliny Cardiodictyon ujawniają zwierzę z podzielonym na segmenty tułowiem, w którym znajdują się powtarzające się układy struktur nerwowych zwanych zwojami. To wyraźnie kontrastuje z jego głową i mózgiem, które nie mają żadnych dowodów na segmentację.
„Ta anatomia była zupełnie nieoczekiwana, ponieważ głowy i mózgi współczesnych stawonogów oraz niektórych ich skamieniałych przodków przez ponad sto lat uważano za podzielone na segmenty” – powiedział Strausfeld.
Według autorów odkrycie rozwiązuje długą i gorącą debatę na temat pochodzenia i składu głowy stawonogów, najbogatszej gatunkowo grupy w królestwie zwierząt. Stawonogi obejmują owady, skorupiaki, pająki i inne pajęczaki, a także niektóre inne linie, takie jak krocionogi i stonogi.
„Od lat osiemdziesiątych XIX wieku biolodzy zauważali wyraźnie podzielony na segmenty wygląd tułowia typowy dla stawonogów i zasadniczo ekstrapolowali to na głowę” – powiedział Hirth. „W ten sposób badacze doszli do wniosku, że głowa jest przednim przedłużeniem podzielonego na segmenty tułowia”.
„Ale Cardiodictyon pokazuje, że wczesna głowa nie była podzielona na segmenty, podobnie jak jej mózg, co sugeruje, że mózg i układ nerwowy tułowia prawdopodobnie ewoluowały oddzielnie” – powiedział Strausfeld.
Mózgi ulegają fosylizacji
Cardiodictyon był częścią fauny Chengjiang, słynnego złoża skamielin w prowincji Yunnan, odkrytego przez paleontologa Xianguang Hou. Miękkie, delikatne ciała lobopodian dobrze zachowały się w zapisie kopalnym, ale poza Cardiodictyon żaden nie został zbadany pod kątem głowy i mózgu, prawdopodobnie dlatego, że lobopodian są na ogół małe. Najbardziej widocznymi częściami Cardiodictyon były serie trójkątnych struktur w kształcie siodeł, które definiowały każdy segment i służyły jako punkty mocowania par nóg. Znaleziono je w jeszcze starszych skałach, datowanych na nadejście kambru.
“To mówi nam, że opancerzone lobopody mogły być najwcześniejszymi stawonogami” – powiedział Strausfeld, wyprzedzając nawet trylobity, kultową i zróżnicowaną grupę stawonogów morskich, które wyginęły około 250 milionów lat temu.
„Do niedawna powszechnie uważano, że„ mózgi nie ulegają fosylizacji ”- powiedział Hirth. „Więc po pierwsze, nie spodziewałbyś się znaleźć skamieliny z zachowanym mózgiem. A po drugie, to zwierzę jest tak małe, że nawet nie odważyłbyś się na nie spojrzeć w nadziei na znalezienie mózgu”.
Jednak praca w ciągu ostatnich 10 lat, w większości wykonana przez Strausfelda, zidentyfikowała kilka przypadków zachowanych mózgów u różnych skamieniałych stawonogów.
Wspólny genetyczny plan tworzenia mózgu
W swoim nowym badaniu autorzy nie tylko zidentyfikowali mózg Cardiodictyon, ale także porównali go ze znanymi skamielinami i żywymi stawonogami, w tym pająkami i stonogami. Łącząc szczegółowe badania anatomiczne skamielin lobopodian z analizami wzorców ekspresji genów u ich żyjących potomków, doszli do wniosku, że wspólny schemat organizacji mózgu został zachowany od kambru do dziś.
„Porównując znane wzorce ekspresji genów u żywych gatunków” – powiedział Hirth – „zidentyfikowaliśmy wspólną sygnaturę wszystkich mózgów i sposób ich powstawania”.
W Cardiodictyon każda z trzech domen mózgu jest powiązana z charakterystyczną parą przydatków głowy i jedną z trzech części przedniego układu pokarmowego.
„Zdaliśmy sobie sprawę, że każda domena mózgu i odpowiadające jej cechy są określone przez tę samą kombinację genów, niezależnie od gatunku, który badaliśmy” – dodał Hirth. „To sugerowało wspólny genetyczny plan tworzenia mózgu”.
Lekcje ewolucji mózgu kręgowców
Hirth i Strausfeld twierdzą, że zasady opisane w ich badaniu prawdopodobnie odnoszą się do innych stworzeń poza stawonogami i ich najbliższymi krewnymi. Ma to istotne implikacje przy porównywaniu układu nerwowego stawonogów z układem nerwowym kręgowców, które wykazują podobną odrębną architekturę, w której przodomózgowie i śródmózgowie są genetycznie i rozwojowo odrębne od rdzenia kręgowego.
Strausfeld powiedział, że ich odkrycia oferują również przesłanie o ciągłości w czasie, gdy planeta zmienia się dramatycznie pod wpływem zmian klimatycznych.
„W czasie, gdy wielkie wydarzenia geologiczne i klimatyczne zmieniały kształt planety, proste zwierzęta morskie, takie jak Cardiodictyon, dały początek najbardziej zróżnicowanej grupie organizmów na świecie – stawonogom – które ostatecznie rozprzestrzeniły się na wszystkie wyłaniające się siedliska na Ziemi, ale które są teraz jesteśmy zagrożeni przez nasz własny efemeryczny gatunek”.
Finansowanie tej pracy zostało zapewnione przez National Science Foundation, University of Arizona Regents Fund oraz brytyjską Radę ds. Badań nad Biotechnologią i Naukami Biologicznymi.