Учебники естественных наук неправильные? Ископаемое возрастом 525 миллионов лет бросает вызов общему объяснению эволюции мозга
Реконструкция бронированного лобопода Cardiodictyon catenulum

Представление художника об отдельном Cardiodictyon catenulum возрастом 525 миллионов лет на мелководье прибрежного морского дна, выходящем из укрытия небольшого строматолита, построенного фотосинтетическими бактериями. Предоставлено: Николас Страусфельд/Университет Аризоны.

Согласно новому исследованию, окаменелости крошечного морского существа с прекрасно сохранившейся нервной системой разрешают вековой спор о том, как развивался мозг у членистоногих, самой богатой видами группы в животном мире.

Окаменелости крошечного морского существа, умершего более полумиллиарда лет назад, могут заставить переписать учебник по естествознанию о том, как развивался мозг.

Новое исследование дает первое подробное описание Cardiodictyon catenulum , червеобразного животного, сохранившегося в скалах южной китайской провинции Юньнань. Имея длину всего полдюйма (менее 1,5 сантиметра) и первоначально обнаруженную в 1984 году, окаменелость до сих пор скрывала важную тайну: деликатно сохранившуюся нервную систему, включая мозг. Исследование, опубликованное в журнале Science 24 ноября, проводилось под руководством Николаса Штраусфельда, регентского профессора факультета неврологии Аризонского университета, и Фрэнка Хирта, специалиста по эволюционной неврологии в Королевском колледже Лондона.

«Насколько нам известно, это самый старый окаменелый мозг, о котором мы знаем», — сказал Страусфельд.

Кардиодиктион принадлежал к вымершей группе животных, известных как бронированные лобоподы, которые были многочисленны в начале периода, известного как кембрий, когда практически все основные линии животных появились за очень короткое время между 540 и 500 миллионами лет назад. Лобоподы, вероятно, передвигались по морскому дну, используя несколько пар мягких коротких ног, у которых не было суставов, как у их потомков, эуартроподов — по-гречески «настоящая суставчатая стопа». Ближайшими из ныне живущих родственников лобоподийцев являются бархатные черви, обитающие в основном в Австралии, Новой Зеландии и Южной Америке.

Окаменелый Cardiodictyon catenulum

Окаменелый Cardiodictyon catenulum был обнаружен в 1984 году среди разнообразного скопления вымерших существ, известных как фауна Чэнцзянь, в провинции Юньнань, Китай. На этом фото голова животного находится справа. Предоставлено: Николас Страусфельд/Университет Аризоны.

Дискуссия, восходящая к 1800-м годам

Окаменелости Cardiodictyon показывают животное с сегментированным туловищем, в котором есть повторяющиеся расположения нервных структур, известных как ганглии. Это резко контрастирует с его головой и мозгом, в которых отсутствуют какие-либо признаки сегментации.

«Эта анатомия была совершенно неожиданной, потому что головы и мозги современных членистоногих и некоторых их окаменелых предков на протяжении более ста лет считались сегментированными», — сказал Штраусфельд.

По словам авторов, открытие разрешает долгие и горячие споры о происхождении и строении головы у членистоногих, самой богатой видами группы в мире животных. Членистоногие включают насекомых, ракообразных, пауков и других паукообразных, а также некоторые другие родословные, такие как многоножки и многоножки.

«С 1880-х годов биологи отметили четко сегментированный вид туловища, типичный для членистоногих, и в основном экстраполировали это на голову», — сказал Хирт. «Вот как поле пришло к предположению, что голова является передним продолжением сегментированного туловища».

«Но Cardiodictyon показывает, что ранняя голова не была сегментирована, как и ее мозг, что предполагает, что мозг и нервная система туловища, вероятно, развивались отдельно», — сказал Страусфельд.

Окаменевшие голова и мозг Cardiodictyon catenulum

Окаменевшая голова Cardiodictyon catenulum (спереди справа). Отложения пурпурного цвета отмечают окаменелые структуры мозга. Кредит: Николас Штраусфельд

Мозги окаменевают

Кардиодиктион был частью фауны Чэнцзян, известного месторождения окаменелостей в провинции Юньнань, открытого палеонтологом Сянгуан Хоу. Мягкие, нежные тела лобоподов хорошо сохранились в летописи окаменелостей, но ни один из них, кроме Cardiodictyon , не подвергался тщательному изучению их головы и мозга, возможно, потому, что лобоподы обычно маленькие. Наиболее заметными частями Cardiodictyon были треугольные седлообразные структуры, которые определяли каждый сегмент и служили точками крепления для пар ног. Они были обнаружены в еще более древних породах, относящихся к началу кембрия.

«Это говорит нам о том, что бронированные лобоподы могли быть самыми ранними членистоногими», — сказал Штраусфельд, предшествовав даже трилобитам, культовой и разнообразной группе морских членистоногих, вымерших около 250 миллионов лет назад.

«До недавнего времени считалось, что мозг не окаменевает, — сказал Хирт. «Таким образом, вы не ожидаете найти ископаемое с сохранившимся мозгом. И, во-вторых, это животное настолько маленькое, что вы даже не посмеете взглянуть на него в надежде найти мозг».

Тем не менее, работа за последние 10 лет, большая часть которой была проведена Страусфельдом, выявила несколько случаев сохранившегося мозга у различных окаменелых членистоногих.

Общий генетический план создания мозга

В своем новом исследовании авторы не только идентифицировали мозг Cardiodictyon, но и сравнили его с мозгом известных ископаемых и живых членистоногих, включая пауков и многоножек. Сочетая подробные анатомические исследования окаменелостей лобоподий с анализом паттернов экспрессии генов у их живых потомков, они пришли к выводу, что общий план организации мозга сохранялся с кембрия до наших дней.

«Сравнивая известные паттерны экспрессии генов у живых видов, — сказал Хирт, — мы определили общие черты всех видов мозга и то, как они формируются».

В Cardiodictyon каждый из трех доменов мозга связан с характерной парой придатков головы и с одной из трех частей передней пищеварительной системы.

«Мы поняли, что каждый домен мозга и соответствующие ему функции определяются одними и теми же комбинированными генами, независимо от вида, который мы изучали», — добавил Хирт. «Это предполагает общий генетический план создания мозга».

Уроки эволюции мозга позвоночных

Хирт и Штраусфельд говорят, что принципы, описанные в их исследовании, вероятно, применимы и к другим существам, помимо членистоногих и их ближайших родственников. По их словам, это имеет важное значение при сравнении нервной системы членистоногих с нервной системой позвоночных, которые демонстрируют аналогичную различную архитектуру, в которой передний и средний мозг генетически и эволюционно отличаются от спинного мозга.

Страусфельд сказал, что их результаты также свидетельствуют о преемственности в то время, когда планета резко меняется под влиянием климатических сдвигов.

«В то время, когда основные геологические и климатические события изменяли планету, простые морские животные, такие как Cardiodictyon , дали начало самой разнообразной в мире группе организмов — эуартроподам, которые в конечном итоге распространились на все возникающие места обитания на Земле, но которые сейчас исчезают. которым угрожает наш собственный эфемерный вид».

Ссылка: « Кардиодиктион лобоподов нижнего кембрия разрешает происхождение мозга эуартропода» Николаса Дж. Страусфельда, Сянгуан Хоу, Марселя Э. Сейра и Фрэнка Хирта, 24 ноября 2022 г., Наука .
DOI: 10.1126/science.abn6264

Статья была написана в соавторстве с Xianguang Hou из Ключевой палеонтологической лаборатории Юньнани в Юньнаньском университете в Куньмине, Китай, и Марселем Сейром, который работает в Лундском университете в Лунде, Швеция, и на кафедре биологических наук в Университете Маккуори в Сидней.

Финансирование этой работы было предоставлено Национальным научным фондом, Фондом Риджентс Аризонского университета и Советом по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук Великобритании.

Окаменелости
Дата публикации: 2022.11.28