Buku sains salah? Fosil berumur 525 juta tahun menantang penjelasan umum untuk evolusi otak

Fosil makhluk laut mungil dengan sistem saraf yang terpelihara dengan baik memecahkan perdebatan selama seabad tentang bagaimana otak berevolusi pada arthropoda, kelompok yang paling kaya spesies di kerajaan hewan, menurut sebuah studi baru.

Fosil makhluk laut kecil yang mati lebih dari setengah miliar tahun yang lalu dapat mendorong penulisan ulang buku teks sains tentang bagaimana otak berevolusi.

Sebuah studi baru memberikan deskripsi rinci pertama tentang catenulum jantungHewan mirip cacing yang diawetkan di bebatuan di Provinsi Yunnan, China selatan. Berukuran panjang setengah inci (kurang dari 1,5 cm) dan pertama kali ditemukan pada tahun 1984, fosil tersebut masih menyembunyikan rahasia penting: sistem saraf yang terpelihara dengan baik, termasuk otak. Diterbitkan di jurnal Ilmu Pada 24 November, penelitian tersebut dipimpin oleh Nicholas Strausfeld, Regent Professor di Departemen Ilmu Saraf di Universitas Arizona, dan Frank Hirth, Pembaca Ilmu Saraf Evolusioner di King’s College London.

“Sejauh yang kami tahu, ini adalah fosil otak tertua yang kami ketahui sejauh ini,” kata Straussfeld.

jantung Itu milik kelompok hewan yang punah yang dikenal sebagai lobotomi, yang berlimpah sejak awal selama periode yang dikenal sebagai Kambrium, ketika hampir semua garis keturunan hewan utama muncul dalam waktu yang sangat singkat antara 540 juta dan 500 juta tahun yang lalu. Lobopodians kemungkinan bergerak di dasar laut menggunakan beberapa pasang kaki yang lembut dan gemuk yang tidak memiliki persendian keturunan mereka, euarthropoda – kata Yunani untuk “kaki artikulasi yang sebenarnya”. Kerabat terdekat lobotomi yang masih hidup saat ini adalah cacing beludru yang hidup terutama di Australia, Selandia Baru, dan Amerika Selatan.

Seri fosil Cardiodictyon ditemukan pada tahun 1984 di antara berbagai makhluk punah yang dikenal sebagai fauna Chengjian di Yunnan, China. Di foto ini, kepala hewan ada di sebelah kanan. Kredit: Nicholas Straussfeld/Universitas Arizona

Sebuah debat yang berasal dari abad kesembilan belas

fosil jantung Ini mengungkapkan hewan dengan batang tersegmentasi di mana sering terdapat pengaturan struktur saraf yang dikenal sebagai ganglia. Ini sangat kontras dengan kepala dan otaknya, yang keduanya tidak memiliki bukti segmentasi.

“Anatomi ini benar-benar tak terduga karena kepala dan otak arthropoda modern, dan beberapa nenek moyang fosil mereka, telah dianggap terpisah-pisah selama lebih dari seratus tahun,” kata Strausfeld.

Menurut penulis, penemuan ini menyelesaikan perdebatan panjang dan panas tentang asal usul dan pembentukan cephalothorax pada arthropoda, kelompok paling kaya spesies di dunia dalam kerajaan hewan. Arthropoda termasuk serangga, krustasea, laba-laba, dan laba-laba lainnya, serta beberapa garis keturunan lainnya seperti kaki seribu dan kelabang.

“Sejak tahun 1880-an, para ahli biologi telah mencatat penampilan batang khas arthropoda yang tersegmentasi dengan jelas, mengekstrapolasi itu terutama ke kepala,” kata Heath. “Beginilah bidang sampai pada asumsi bahwa kepala adalah perpanjangan anterior dari batang tubuh yang tersegmentasi.”

“Tetapi jantung Ini menunjukkan bahwa kepala awal tidak tersegmentasi, begitu pula otaknya, yang menunjukkan bahwa otak dan sistem saraf batang mungkin berkembang secara terpisah,” kata Strausfeld.

Kepala fosil dari seri Cardiodictyon (kanan depan). Endapan ungu menunjukkan struktur otak yang membatu. Kredit: Nicholas Straussfeld

Otak tidak mengeras

jantung Itu adalah bagian dari Fauna Zhengjiang, endapan fosil terkenal di Provinsi Yunnan yang ditemukan oleh ahli paleontologi Xianguang Hu. Tubuh lobotomi yang lembut dan halus telah terawetkan dengan baik dalam catatan fosil, tetapi sebaliknya jantung Tidak ada yang diperiksa kepala dan otaknya, mungkin karena lobulus umumnya kecil. Sorot bagian jantung Mereka adalah serangkaian struktur berbentuk pelana segitiga yang mendefinisikan setiap segmen dan bertindak sebagai titik lampiran untuk sepasang kaki. Itu ditemukan di bebatuan yang lebih tua yang berasal dari munculnya periode Kambrium.

“Ini memberi tahu kita bahwa lobopoda lapis baja mungkin adalah arthropoda tertua,” kata Strausfeld, bahkan mendahului trilobita, kelompok artropoda laut ikonik dan beragam yang punah sekitar 250 juta tahun lalu.

“Sampai baru-baru ini, pemahaman umum adalah bahwa otak tidak memfosil,” kata Heath. “Jadi, pertama-tama Anda tidak akan berharap menemukan fosil dengan otak yang diawetkan. Dan kedua, hewan ini sangat kecil sehingga Anda bahkan tidak berani melihatnya dengan harapan menemukan otak.”

Namun, penelitian selama 10 tahun terakhir, yang sebagian besar telah dilakukan Strausfeld, telah mengidentifikasi beberapa kasus otak yang diawetkan dalam berbagai fosil artropoda.

Denah genetik umum untuk membuat otak

Dalam studi baru mereka, penulis tidak hanya mengidentifikasi otak jantung Tapi kami juga membandingkannya dengan fosil yang diketahui dan artropoda hidup, termasuk laba-laba dan kelabang. Dengan menggabungkan studi anatomi terperinci dari fosil lobopoda dengan analisis pola ekspresi gen pada keturunan mereka yang masih hidup, mereka menyimpulkan bahwa cetak biru umum untuk organisasi otak dipertahankan dari periode Cambrian hingga saat ini.

“Dengan membandingkan pola ekspresi gen yang diketahui pada spesies hidup, kami mengidentifikasi tanda umum untuk semua otak dan bagaimana mereka terbentuk,” kata Heath.

di jantungTiga domain serebral dikaitkan dengan sepasang pelengkap kepala yang berbeda dan dengan salah satu dari tiga segmen saluran pencernaan anterior.

Heath menambahkan, “Kami menyadari bahwa setiap area otak dan ciri-cirinya yang sesuai ditentukan oleh gen kombinasi yang sama, terlepas dari spesies mana yang kami lihat.” “Ini menyarankan denah umum genetik untuk membuat otak.”

Pelajaran untuk perkembangan otak vertebrata

Hirth dan Straussfeld mengatakan prinsip yang dijelaskan dalam penelitian mereka mungkin berlaku untuk organisme lain di luar arthropoda dan kerabat dekat mereka. Ini memiliki implikasi penting, kata mereka, ketika membandingkan sistem saraf arthropoda dengan vertebrata, yang menunjukkan arsitektur khas yang serupa di mana otak depan dan otak tengah berbeda secara genetik dan perkembangan dari sumsum tulang belakang.

Temuan mereka juga memberikan pesan komunikasi pada saat planet berubah secara dramatis di bawah pengaruh perubahan iklim, kata Strausfeld.

“Pada saat peristiwa geologis dan iklim besar membentuk kembali planet ini, hewan laut sederhana seperti… jantung Ini memunculkan kelompok organisme paling beragam di dunia – euarthropoda – yang akhirnya menyebar ke setiap habitat baru di Bumi, tetapi sekarang terancam oleh spesies fana. “

Referensi: “Kambrium Bawah Lobopodian jantung Memutuskan Asal Usul Otak Orthropod” Oleh Nicholas J. Straussfeld, Xiangwang Hu, Marcel E. Sayre dan Frank Hirth, 24 November 2022, Tersedia Di Sini. Ilmu.
DOI: 10.1126/science.abn6264

Makalah ini ditulis bersama oleh Xianguang Hou di Laboratorium Paleontologi Kunci Yunnan di Universitas Yunnan di Kunming, China, dan Marcel Sayer, yang memiliki janji temu di Universitas Lund di Lund, Swedia, dan di Departemen Ilmu Biologi di Universitas Macquarie di Sydney.

Pekerjaan ini didanai oleh National Science Foundation, University of Arizona Regents Fund, dan Dewan Riset Bioteknologi dan Ilmu Biologi Inggris.