Наукові книги неправильні? Скам’янілість віком 525 мільйонів років не відповідає загальноприйнятим поясненням еволюції мозку

Згідно з новим дослідженням, скам’янілості крихітної морської істоти з делікатно збереженою нервовою системою розв’язують сторічну дискусію про те, як розвинувся мозок у членистоногих, групи з найбільшою кількістю видів у тваринному світі.

Скам’янілості крихітної морської істоти, яка загинула понад півмільярда років тому, можуть спонукати до переписування наукового підручника про те, як розвивався мозок.

Нове дослідження дає перший детальний опис катенулюм серцяЧервоподібна тварина, що збереглася в скелях у провінції Юньнань на півдні Китаю. Завдовжки півдюйма (менше 1,5 см) і вперше виявлений у 1984 році скам’янілість все ще приховує важливу таємницю: делікатно збережену нервову систему, включаючи мозок. Опубліковано в журн наук 24 листопада дослідження проводилося під керівництвом Ніколаса Страусфельда, професора-регента кафедри нейронаук Університету Арізони, і Френка Хірта, читача еволюційної нейронауки в Королівському коледжі Лондона.

“Наскільки нам відомо, це найстаріший скам’янілий мозок, про який ми знаємо”, – сказав Штраусфельд.

серце Він належить до вимерлої групи тварин, відомої як лоботомія, яка була поширена на початку періоду, відомого як кембрій, коли майже всі основні лінії тварин з’явилися протягом дуже короткого періоду часу між 540 і 500 мільйонами років тому. Лобоподії, ймовірно, пересувалися морським дном за допомогою кількох пар м’яких, коротких ніг, у яких відсутні суглоби їхніх нащадків, членистоногих — грецьке слово, що означає «справжня шарнірна ступня». Найближчими нинішніми живими родичами лоботоми є оксамитові черви, які мешкають переважно в Австралії, Новій Зеландії та Південній Америці.

Скам’янілий ряд Cardiodictyon був виявлений у 1984 році серед різноманітних вимерлих істот, відомих як фауна Chengjian у Юньнані, Китай. На цій фотографії голова тварини справа. Авторство: Ніколас Штраусфельд/Університет Арізони

Дискусія, яка сягає ХІХ ст

скам’янілості серце Це показує тварину з сегментованим тулубом, в якому часто розташовані нервові структури, відомі як ганглії. Це різко контрастує з його головою та мозком, у яких відсутні будь-які ознаки сегментації.

«Ця анатомія була абсолютно несподіваною, оскільки голови та мозок сучасних членистоногих і деяких їхніх скам’янілих предків понад сто років вважалися фрагментарними», — сказав Штраусфельд.

На думку авторів, це відкриття вирішує тривалу та бурхливу дискусію про походження та формування головогрудей у ​​членистоногих, найбагатшої у світі групи тварин у світі. Членистоногі включають комах, ракоподібних, павуків та інших павуків, а також деякі інші лінії, такі як багатоніжки та багатоніжки.

«З 1880-х років біологи відзначають чітко сегментований вигляд тулуба, типовий для членистоногих, екстраполюючи це головним чином на голову», — сказав Хіт. «Ось як дослідники прийшли до припущення, що голова є переднім продовженням сегментованого тулуба».

“Але серце Це показує, що рання голова не була сегментована, як і її мозок, що вказує на те, що мозок і тулубна нервова система, ймовірно, розвивалися окремо”, – сказав Страусфельд.

Викопна голова серії Cardiodictyon (спереду справа). Фіолетові відкладення вказують на скам’янілі структури мозку. Авторство: Ніколас Штраусфельд

Мізки не костеніють

серце Це була частина фауни Чженцзян, відомого родовища скам’янілостей у провінції Юньнань, відкритого палеонтологом Сянгуан Ху. М’які, делікатні тіла лоботомії добре збереглися в літописі скам’янілостей, але в інших випадках серце Жоден не досліджувався на голову та мозок, можливо тому, що часточки, як правило, малі. Виділіть частини серце Вони являли собою низку трикутних сідлоподібних структур, які визначали кожен сегмент і діяли як точки кріплення для пар ніг. Вони знаходяться в більш старих породах, що датуються початком кембрійського періоду.

«Це говорить нам про те, що панцирні лобоподи були, мабуть, найдавнішими членистоногими», — сказав Штраусфельд, які передували навіть трилобітам, знаковій і різноманітній групі морських членистоногих, яка вимерла приблизно 250 мільйонів років тому.

«До недавнього часу загальноприйнятим було те, що мозок не скам’яніє», — сказав Хіт. “Тож ви, по-перше, не очікуєте знайти скам’янілість із збереженим мозком. А по-друге, ця тварина настільки мала, що ви навіть не наважитеся на неї подивитися в надії знайти мозок”.

Проте робота за останні 10 років, більшу частину якої зробив Штраусфельд, виявила численні випадки збереження мозку в різних скам’янілих членистоногих.

Загальний генетичний план поверху для створення мозку

У своєму новому дослідженні автори не тільки ідентифікували мозок серце Але ми також порівняли його з відомими скам’янілостями та живими членистоногими, включаючи павуків і багатоніжок. Поєднавши детальні анатомічні дослідження викопних лобопод з аналізом моделей експресії генів у їхніх живих нащадків, вони дійшли висновку, що загальний план організації мозку зберігся з кембрійського періоду до сьогодні.

«Порівнюючи відомі закономірності експресії генів у живих видів, ми визначили спільну ознаку для всіх мізків і те, як вони формуються», — сказав Хіт.

в серцеТри церебральні домени пов’язані з окремою парою головних придатків і з одним із трьох сегментів переднього травного тракту.

Хіт додав: «Ми зрозуміли, що кожна ділянка мозку та її відповідні особливості визначаються тією ж комбінацією генів, незалежно від того, який вид ми розглядали». «Це свідчить про загальний генетичний план для створення мозку».

Уроки розвитку мозку хребетних

Хірт і Штраусфельд кажуть, що принципи, описані в їхньому дослідженні, можуть застосовуватися до інших організмів за межами членистоногих і їхніх найближчих родичів. За їх словами, це має важливі наслідки, якщо порівнювати нервову систему членистоногих з нервовою системою хребетних, які демонструють таку ж відмінну архітектуру, в якій передній і середній мозок генетично та в розвитку відрізняються від спинного мозку.

За словами Штраусфельда, їхні висновки також є комунікаційним повідомленням у той час, коли планета різко змінюється під впливом кліматичних змін.

«У той час, коли великі геологічні та кліматичні події змінювали форму планети, прості морські тварини, такі як… серце Це дало початок найрізноманітнішій у світі групі організмів – членистоногим, – які згодом поширилися на всі зароджувані середовища проживання на Землі, але тепер їм загрожують ефемерні види. “

Довідка: «Лобоподій Нижній кембрій серце Вирішує походження мозку прямоногих» Ніколас Дж. Штраусфельд, Сянван Ху, Марсель Е. Сейр і Френк Герт, 24 листопада 2022 р., доступна тут. наук.
DOI: 10.1126/science.abn6264

Співавторами статті були Xianguang Hou з Ключової лабораторії палеонтології Юньнань Юньнаньського університету в Куньміні, Китай, і Марсел Сейер, який працює в Лундському університеті в Лунді, Швеція, і на факультеті біологічних наук Університету Маккуорі в Сідней.

Ця робота була профінансована Національним науковим фондом, Фондом Ріджентс Університету Арізони та Дослідницькою радою Великобританії з питань біотехнології та біологічних наук.