5.25亿年前的化石否定了对大脑进化的普遍解释(图)

科技 / cnBeta / 阅读 48816 / 2022-11-28T12:28:22Z
根据一项新的研究,一种完整保存了神经系统的微小海洋生物的化石解决了一个世纪以来关于大脑如何在节肢动物中进化的争论,节肢动物是动物王国中物种最丰富的群体。一项新的研究提供了对Cardiodictyon catenulum的首次详细描述,这是一种保存在中国南部云南省岩石中的蠕虫状动物。



该化石几乎没有半英寸(不到1.5厘米)长,最初于1984年被发现,直到现在还隐藏着一个重要的秘密:一个保存得很好的神经系统,包括一个大脑。这项研究于11月24日发表在《科学》杂志上,由亚利桑那大学神经科学系的摄政教授尼古拉斯-斯特劳斯菲尔德和伦敦大学国王学院进化神经科学的读者弗兰克-赫斯领导。

斯特劳斯菲尔德说:"据我们所知,这是迄今为止我们知道的最古老的大脑化石。"

Cardiodictyon属于一个已灭绝的动物群体,被称为心网虫,它们在一个被称为寒武纪的时期早期大量存在,当时几乎所有的主要动物品系都在5.4亿年到5亿年前的极短时间内出现。心网虫很可能使用多对柔软、粗壮的腿在海底移动,这些腿缺乏它们优化后的产物 - 关节。今天与lobopodians最接近的活体亲属是主要生活在澳大利亚、新西兰和南美洲的栉蚕。

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Cardiodictyon catenulum化石于1984年在中国云南被发现。在这张照片中,该动物的头部在右边。资料来源:Nicholas Strausfeld/亚利桑那大学

可以追溯到19世纪的辩论

Cardiodictyon的化石显示,这种动物的躯干是分段的,其中有被称为神经节的神经结构的重复排列。这与它的头部和大脑形成了鲜明的对比,两者都缺乏任何可分割的证据。

据作者说,这一发现解决了关于节肢动物的头部起源和组成的长期激烈争论,节肢动物是世界上动物王国中物种最丰富的群体。节肢动物包括昆虫、甲壳动物、蜘蛛和其他蛛形纲动物,加上其他一些品系,如千足虫和蜈蚣。

"从19世纪80年代开始,生物学家注意到节肢动物典型的躯干的明显分段外观,并基本上将其推断成头部,"Hirth说。"这就是该领域如何得出头部是分节的躯干的前部延伸的结论。但是Cardiodictyon表明早期的头部不是分段的,它的大脑也不是分段的,这表明大脑和躯干的神经系统可能是分开进化的。"


Cardiodictyon catenulum的头部化石(前部在右边)。品红色的沉积物标志着大脑结构的化石。资料来源:Nicholas Strausfeld

大脑确实化石化了

Cardiodictyon由古生物学家侯先光在云南省发现于一个著名的化石矿床,其柔软、精致的身体在化石记录中保存得很好,但除了Cardiodictyon之外,没有一个人被仔细检查过它们的头部和大脑,这可能是因为它通常很小。Cardiodictyon最突出的部分是一系列三角形、马鞍形的结构,这些结构界定了每一节,并作为一对腿的连接点。这些在更古老的岩石中被发现,可以追溯到寒武纪的到来。这可能是最早的节肢动物,甚至比三叶虫还要早,三叶虫是海洋节肢动物的一个标志性和多样化的群体,大约在2.5亿年前灭绝了。

"直到最近,人们的普遍理解是'大脑不会变成化石',"Hirth说。"所以你首先不会期望找到一个保存着大脑的化石。其次,这种动物是如此之小,你甚至难以希望能在其中找到一个大脑。"

然而,过去10年的工作,斯特劳斯菲尔德已经在各种节肢动物化石中发现了几个保存大脑的案例。

制造大脑的共同遗传基础计划

在他们的新研究中,作者不仅确定了Cardiodictyon的大脑,而且还将其与已知的化石和活的节肢动物,包括蜘蛛和蜈蚣的大脑进行了比较。结合对化石的详细解剖学研究和对其活体后代的基因表达模式的分析,他们得出结论,从寒武纪到今天,它们一直保持着一个共同的大脑组织蓝图。在Cardiodictyon中,三个脑域分别与一对特征性的头部附属物和前部消化系统的三个部分之一有关。

"通过比较活体物种的已知基因表达模式,我们确定了所有大脑的共同特征以及它们是如何形成的。我们意识到,每个脑域及其相应的特征都是由相同的组合基因指定的,无论我们看的是哪个物种,"Hirth补充说。"这表明有一个制造大脑的共同遗传基础计划"。"

对脊椎动物大脑进化的启示

研究中描述的原则可能适用于节肢动物及其近亲以外的其他生物。当把节肢动物的神经系统与脊椎动物的神经系统进行比较时,这具有重要的意义,脊椎动物的神经系统显示出类似的独特结构,其中前脑和中脑在遗传上和发育上与脊髓不同。

施特劳斯菲尔德说,他们的发现还提供了一个信息,即在地球在气候转变的影响下正在发生巨大变化的时候,他们的发现具有连续性。

"在重大地质和气候事件重塑地球的时候,简单的海洋动物,如Cardiodictyon,产生了世界上最多样化的生物群--节肢动物,最终传播到地球上的每一个新兴栖息地。"
评论 (3)
牛皮方糖 / 2022-11-28T18:09:31Z

为大脑的进化指明了方向

gotballs / 2022-11-28T15:16:21Z

我有个大胆的想法,这种早期的节肢动物一旦被切断,断口处的神经末梢就会发育成一个新的大脑来指挥其他的躯干神经组织

一分为二好 / 2022-11-28T13:03:18Z

"摄政教授"尼古拉斯-斯特劳斯菲尔德 - 这个翻译霸气,虽然莫名其妙。学校管理委员会理应成为“摄政理事会”。

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