Wissenschaftler konnten zum ersten Mal die komplizierte dreidimensionale Struktur des Rückgrats der frühen Tetrapoden, der frühesten vierbeinigen Tiere, rekonstruieren.
Hochenergetische Röntgenstrahlen und ein neues Datenextraktionsprotokoll ermöglichten es den Forschern, das Rückgrat der 360 Millionen Jahre alten Fossilien bis ins kleinste Detail zu rekonstruieren und neue Erkenntnisse über die Bewegung der ersten Wirbeltiere vom Wasser an Land zu gewinnen.
Das internationale Wissenschaftlerteam wurde von Stephanie E. Pierce vom Royal Veterinary College in London und Jennifer A. Clack von der University of Cambridge geleitet. Es umfasste auch Wissenschaftler der Universität Uppsala (Schweden) und der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage ESRF in Grenoble (Frankreich).
Die Tetrapoden sind viergliedrige Wirbeltiere, die heute von Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren vertreten werden. Frühe Tetrapoden waren vor rund 400 Millionen Jahren die ersten Wirbeltiere, die kurze Ausflüge in flachere Gewässer unternahmen, wo sie sich mit ihren vier Gliedmaßen bewegten. Wie dies geschah und wie sie dann an Land gingen, ist Gegenstand intensiver Debatten unter Paläontologen und Evolutionsbiologen.
Dies ist eine künstlerische Darstellung eines Ichthyostega-Tetrapods. Der Ausschnitt zeigt die 3-D-Rekonstruktion zweier Vetrebrae aus der Studie. Bildnachweis: Julia Molnar.
Alle Tetrapoden haben ein Rückgrat oder eine Wirbelsäule, eine Knochenstruktur, die allen anderen Wirbeltieren gemeinsam ist, einschließlich Fischen, aus denen sich Tetrapoden entwickelt haben. Ein Rückgrat wird aus Wirbeln gebildet, die in einer Reihe verbunden sind - von Kopf bis Schwanz. Im Gegensatz zum Rückgrat lebender Tetrapoden (z. B. Menschen), bei denen jeder Wirbel nur aus einem Knochen besteht, bestanden die Wirbel früher Tetrapoden aus mehreren Teilen.
„Frühe Tetrapoden hatten über 100 Jahre lang Wirbel, die aus drei Knochensätzen bestanden - einem Knochen vorne, einem oben und einem Paar hinten. Als wir jedoch mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlen in die Fossilien blickten, stellten wir fest, dass diese traditionelle Sichtweise im wahrsten Sinne des Wortes in den Hintergrund tritt “, sagt Stephanie Pierce, die die Hauptautorin der Veröffentlichung ist.
Für die Analyse verwendete die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich, in der die drei fossilen Fragmente mit Röntgenstrahlen gescannt wurden, eine Datenextraktionsmethode, um winzige Details von tief in der Gesteinsmatrix vergrabenen fossilen Knochen aufzudecken. Die versteinerten Knochen sind so dicht im Gestein eingebettet, dass sie den größten Teil der Röntgenstrahlung absorbieren. „Ohne die neue Methode wäre es nicht möglich gewesen, die Elemente der Wirbelsäule mit einer Auflösung von 30 µm in drei Dimensionen zu offenbaren“, sagt Sophie Sanchez, Mitautorin der Publikation von der Universität Uppsala und der ESRF.
In diesen hochauflösenden Röntgenbildern stellten die Wissenschaftler fest, dass das, was als erster Knochen bezeichnet wurde - das sogenannte Intercentrum - tatsächlich der letzte in der Reihe ist. Und obwohl dies wie ein triviales Versehen erscheinen mag, hat diese Neuanordnung in der Wirbelstruktur überragende Auswirkungen auf die funktionale Entwicklung des Tetrapoden-Rückgrats.
Stephanie Pierce erklärt: „Wenn wir verstehen, wie die einzelnen Knochen zusammenpassen, können wir damit beginnen, die Beweglichkeit der Wirbelsäule zu untersuchen und zu testen, wie sie während der frühen Phasen der Landbewegung Kräfte zwischen den Gliedmaßen übertragen hat.“
Aber die Ergebnisse sind noch nicht zu Ende. Eines der Tiere - bekannt als Ichthyostega - wies auch eine Reihe bisher unbekannter Skelettmerkmale auf, darunter eine Reihe von Knochen, die sich in der Mitte der Brust erstrecken.
Jennifer Clack sagt: „Diese Brustknochen erwiesen sich als der früheste evolutionäre Versuch, ein knöchernes Brustbein zu produzieren. Eine solche Struktur hätte den Brustkorb von Ichthyostega gestärkt und es ihm ermöglicht, das Körpergewicht auf der Brust zu tragen, während er sich an Land bewegt. "
Diese unerwartete Entdeckung stützt die jüngsten Arbeiten von Pierce und Clack, die zeigten, dass Ichthyostega sich wahrscheinlich bewegte, indem er sich mit synchronen „Krücken“ -Bewegungen seiner Vorderbeine über den flachen Boden bewegte - ähnlich wie bei einem Schlammspringer oder Seehund. Dr. Pierce fügt hinzu: „Die Ergebnisse dieser Studie zwingen uns, das Buch über die Rückgratentwicklung bei den frühesten gliedmaßenbehafteten Tieren neu zu schreiben.“
„Am ESRF ermöglicht das neue Datenextraktionsprotokoll die Untersuchung von Fossilien in dichtem und schwerem Gestein mit beispiellosen Details. Was wir heute gesehen haben, ist nur der Beginn weiterer Überraschungen “, schließt Sophie Sanchez.
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