Säugetiere sind in vielerlei Hinsicht einzigartig. Im Vergleich zu unseren Reptilien-Verwandten sind wir warmblütig und agil. Aber eine neue Studie, die von der National Science Foundation (NSF) finanziert wird und von den Forschern Stephanie Pierce und Katrina Jones von der Harvard University geleitet wird, legt nahe, dass wir noch auf eine andere Weise einzigartig sind – und zwar hinsichtlich des Aufbaus unserer Wirbelsäule. Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in einem Paper, das diese Woche in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde.
“Die Wirbelsäule ist im Grunde wie eine Reihe von Perlen an einer Schnur, wobei jede Perle einen einzelnen Knochen darstellt – einen Wirbel”, sagte Pierce, Kurator der Wirbeltierpaläontologie in Harvard. “Bei den meisten vierbeinigen Tieren, wie beispielsweise bei den Eidechsen, sehen die Wirbel alle gleich aus.
“Aber Säugetier-Wirbel sind anders. Die verschiedenen Abschnitte oder Regionen der Wirbelsäule – wie Hals, Brustkorb und unterer Rücken – nehmen sehr unterschiedliche Formen an. Sie funktionieren getrennt und können sich so an verschiedene Fortbewegungsarten wie laufen, fliegen, graben oder klettern anpassen.”
Während Säugetier-Wirbelknochen spezialisiert sind, glaubte man lange, dass die Bereiche, die ihnen zugrunde liegen, evolutionär uralt sind und auf die frühesten Landtiere zurückgehen.
Säugetiere machten das Beste aus dem bestehenden anatomischen Bauplan, so glaubten Wissenschaftler. Allerdings stellt die neue Studie diese Idee in Frage, indem sie den Fossilienbestand näher betrachtet.
“Es gibt heute keine lebenden Tiere mehr, die den Übergang von einem “echsenartigen” Vorfahren zu einem Säugetier aufzeichnen”, sagte Jones, der Hauptautor der Studie. “Dazu müssen wir in den Fossilienbestand eintauchen und die ausgestorbenen Vorläufer von Säugetieren, die Nicht-Säugetier-Synapsiden, betrachten.”
Diese uralten Vorfahren sind der Schlüssel zum Verständnis der Herkunft von Säugetier-spezifischen Eigenschaften, einschließlich der Wirbelsäule.
Aber das Studium von Fossilien ist nicht einfach. “Fossilien sind knapp und es ist unglaublich selten, ausgestorbene Tiere zu finden, bei denen alle 25 plus Wirbel vorhanden sind”, sagte Jones.
Um dieses Problem anzugehen, haben die Forscher Museumssammlungen auf der ganzen Welt durchkämmt, um die am besten erhaltenen Fossilien von Tieren zu untersuchen, die vor etwa 320 Millionen Jahren gelebt haben.
“Ein Blick in die Vergangenheit war ein erster wichtiger Schritt in der Entwicklung der Studie”, sagte Dena Smith, Programmdirektorin in der NSF-Abteilung für Geowissenschaften, die die Forschung finanzierte. “Veränderungen der Wirbelsäule im Laufe der Zeit ließen Säugetiere zu den unzähligen Spezies werden, die wir heute kennen.”
Pierce und Jones untersuchten zusammen mit Co-Autor Ken Angielczyk vom Field Museum in Chicago dutzende fossiler Wirbelknochen sowie mehr als 1.000 Wirbel lebender Tiere, darunter von Mäusen, Alligatoren, Echsen und Amphibien.
Sie wollten herausfinden, ob Säugetierwirbelbereiche so alt waren wie früher angenommen oder ob Säugetiere etwas evolutionär Einzigartiges taten.
“Wenn die vertebralen Bereiche wie erwartet durch Evolution unverändert geblieben wären, würden wir erwarten, dieselben Regionen in den nicht-Säugetier-Synapsiden zu sehen, die wir heute bei rezenten Säugetieren sehen”, sagte Pierce.
Aber das scheint nicht der Fall zu sein. Als die Forscher Position und Form der Wirbelkörper verglichen, fanden sie etwas Überraschendes heraus. Die Wirbelsäule hatte während der Säugetierentwicklung neue Bereiche hinzugewonnen.
“Die frühesten nicht-Säugetiere-Synapsiden hatten weniger Bereiche, als lebende Säugetiere”, sagte Jones.
Vor etwa 250 Millionen Jahren entwickelte sich ein neuer Bereich in der Nähe der Schultern und Vorderbeine. Dramatische Veränderungen traten auch in den Vorderbeinen der Tiere auf, die als Nicht-Säugetier-Therapsiden bekannt sind.
Diese simultanen Entwicklungen, so glauben die Wissenschaftler, seien wahrscheinlich in Verbindung mit Veränderungen in der Art und Weise passiert, wie Tiere gelaufen und gerannt sind.
“Wir glauben, dass diese Interaktion dazu geführt hat, dass sich die Vordergliedmaßen unserer Vorfahren um eine Region in der Nähe der Schulter erweitert haben, um neue Formen und Funktionen anzunehmen.”
Später tauchte eine Region in der Nähe des Beckens auf. “Es ist diese letzte Region, die Lendenregion, die sich am besten an unterschiedliche Umgebungen anzupassen scheint”, sagte Pierce.
Der letzte Schritt beim Aufbau des Säugetier-Rückgrats kann mit Veränderungen in den Hox-Genen verbunden sein, die schon früh in ihrer Entwicklung für die Wirbelsäulenregionen wichtig sind.
“Wir konnten Verbindungen zwischen Veränderungen in den Skeletten ausgestorbener Tiere und Ideen in der modernen Entwicklungsbiologie und Genetik herstellen”, sagte Jones. “Dieser kombinierte Ansatz hilft uns zu verstehen, was ein Säugetier zu einem Säugetier macht.”
Veröffentlichung: K. E. Jones, K. D. Angielczyk, P. D. Polly, J. J. Head, V. Fernandez, J. K. Lungmus, S. Tulga, S. E. Pierce. Fossils reveal the complex evolutionary history of the mammalian regionalized spine. Science, 2018; 361 (6408): 1249 DOI: 10.1126/science.aar3126
Quelle: off. Pm der National Science Foundation
Titelbildunterschrift: Rekonstruktion von Edaphosaurus, einem primitiven Säugetier-Vorfahren; Die langen Wirbel bilden ein Segel auf dem Rücken. (Bild: Harvard University Museum für vergleichende Zoologie)
Pia Gaupels
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