Wissenschaftler der University of Alaska Fairbanks haben herausgefunden, was ihrer Meinung nach das Ahnenmerkmal ist, das die Entwicklung der Luftatmung bei Wirbeltieren ermöglichte.
"Um Luft mit einer Lunge zu atmen, benötigen Sie mehr als eine Lunge. Sie benötigen einen kohlendioxidempfindlichen neuronalen Schaltkreis", erklärte Michael Harris, UAF-Neurowissenschaftler und leitender Forscher in einem Projekt zur Untersuchung der Mechanismen, die die Atmung erzeugen und steuern.
GRÖSSERE ANSICHT | Bildnachweis: M. Hoffman, BE Taylor, MB Harris / Universität von Alaska Fairbanks, Institut für Arktische Biologie, Biologie und Wildtierkunde.
"Es ist die neuronale Schaltung, die es luftatmenden Organismen ermöglicht, Sauerstoff aufzunehmen, den die Zellen benötigen, um Nahrung in Energie umzuwandeln und das bei diesem Prozess entstehende Kohlendioxid auszustoßen", sagte er. "Ich bin daran interessiert, woher dieser kohlendioxidempfindliche neuronale Kreislauf stammt, der als Rhythmusgenerator bezeichnet wird."
Harris und Kollegen sind der Meinung, dass sich die Luftatmung wahrscheinlich bei einem angestammten Wirbeltier entwickelt hat, das keine Lunge, aber einen Rhythmusgenerator besaß.
"Wir versuchen, lebende Beispiele für primitive Vorfahren zu finden, die nicht luftatmend sind, wie Neunauge, und suchen dann nach Beweisen für einen Rhythmusgenerator, der etwas anderes als Luftatmung bewirkt", sagte Harris.
Neunaugen sind uralte Fische mit ähnlichen Eigenschaften wie die ersten Wirbeltiere. Sie haben keine Lunge und atmen keine Luft. Als Larven leben sie in Rohren, die in weichen Schlamm gegraben sind, und atmen und ernähren sich, indem sie Wasser durch ihren Körper pumpen. Wenn Schlamm oder Schmutz die Röhre eines Neunaugen verstopft, verwenden sie ein hustenähnliches Verhalten, um Wasser auszutreiben und die Röhre zu reinigen. Ein Rhythmusgenerator in ihrem Gehirn steuert dieses Verhalten.
Der im Labor von Harris aufgenommene Videoclip unten zeigt den Unterschied zwischen einer Kiemenbeatmung und einem Husten bei einem Larvenneunauge. Der „Husten“ tritt ungefähr bei der 9-Sekunden-Marke auf.
"Wir dachten, der Neunauge-Husten ähnelte stark der Luftatmung bei Amphibien", sagte Harris. "Als wir das Gehirn von den Neunaugen entfernt und die Nervenaktivität gemessen haben, die normalerweise mit der Atmung verbunden ist, haben wir Muster gefunden, die der Atmung ähneln, und festgestellt, dass der Rhythmusgenerator empfindlich auf Kohlendioxid reagiert."
Die Luftatmung entwickelte sich bei Fischen und ermöglichte die Landung von Wirbeltieren sowie die Entwicklung von Reptilien, Vögeln und Säugetieren. Ohne einen kohlendioxidempfindlichen Rhythmusgenerator hätte die Struktur, die zur Lunge werden würde, möglicherweise nicht als Lunge funktioniert.
"Die Entwicklung der Lungenatmung kann eine Umfunktionierung des kohlendioxidempfindlichen Hustens sein, der bereits bei lungenlosen Wirbeltieren wie dem Neunauge vorlag", sagte Harris.
Institut für Arktische Biologie, University of Alaska Fairbanks