Окаменелости крошечного морского существа, умершего более полумиллиарда лет назад, могут заставить переписать учебник по естествознанию о том, как развивался мозг.

Исследование, опубликованное в журнале Science , под руководством Николаса Штраусфельда, профессора-регентса факультета неврологии Университета Аризоны, и Фрэнка Хирта, читающего эволюционную неврологию в Королевском колледже Лондона, дает первое подробное описание Cardiodictyon catenulum, сохранившегося червеобразного животного. в скалах южной китайской провинции Юньнань. Имея длину всего полдюйма (менее 1,5 сантиметра) и первоначально обнаруженную в 1984 году, окаменелость до сих пор скрывала важную тайну: деликатно сохранившуюся нервную систему, включая мозг.

«Насколько нам известно, это самый старый окаменелый мозг, о котором мы знаем», — сказал Страусфельд.

Кардиодиктион принадлежал к вымершей группе животных, известных как бронированные лобоподы, которые были многочисленны в начале периода, известного как кембрий, когда практически все основные линии животных появились за очень короткое время между 540 и 500 миллионами лет назад. Лобоподы, вероятно, передвигались по морскому дну, используя несколько пар мягких коротких ног, у которых не было суставов, как у их потомков, эуартроподов — по-гречески «настоящая суставчатая ступня». Ближайшими из ныне живущих родственников лобоподийцев являются бархатные черви, обитающие в основном в Австралии, Новой Зеландии и Южной Америке.

Дискуссия, восходящая к 1800-м годам

Окаменелости Cardiodictyon показывают животное с сегментированным туловищем, в котором есть повторяющиеся расположения нервных структур, известных как ганглии. Это резко контрастирует с его головой и мозгом, в которых отсутствуют какие-либо признаки сегментации.

«Эта анатомия была совершенно неожиданной, потому что головы и мозги современных членистоногих и некоторых их окаменелых предков на протяжении более ста лет считались сегментированными», — сказал Штраусфельд.

По словам авторов, открытие разрешает долгие и горячие споры о происхождении и строении головы у членистоногих, самой богатой видами группы в мире животных. Членистоногие включают насекомых, ракообразных, пауков и других паукообразных, а также некоторые другие родословные, такие как многоножки и многоножки.

«С 1880-х годов биологи отметили четко сегментированный вид туловища, типичный для членистоногих, и в основном экстраполировали это на голову», — сказал Хирт. «Вот как поле пришло к предположению, что голова является передним продолжением сегментированного туловища».

«Но Cardiodictyon показывает, что ранняя голова не была сегментирована, как и ее мозг, что предполагает, что мозг и нервная система туловища, вероятно, развивались отдельно», — сказал Страусфельд.

Мозги окаменевают

Кардиодиктион был частью фауны Чэнцзян, известного месторождения окаменелостей в провинции Юньнань, открытого палеонтологом Сянгуан Хоу. Мягкие, нежные тела лобоподов хорошо сохранились в летописи окаменелостей , но ни один из них, кроме Cardiodictyon , не был тщательно изучен на предмет их головы и мозга, возможно, потому, что лобоподы обычно маленькие. Наиболее заметными частями Cardiodictyon были треугольные седлообразные структуры, которые определяли каждый сегмент и служили точками крепления для пар ног. Они были обнаружены в еще более древних породах, относящихся к началу кембрия.

«Это говорит нам о том, что бронированные лобоподы могли быть самыми ранними членистоногими», — сказал Штраусфельд, предшествовав даже трилобитам, культовой и разнообразной группе морских членистоногих, вымерших около 250 миллионов лет назад.

«До недавнего времени считалось, что мозг не окаменевает», — сказал Хирт. «Так что, во-первых, вы не ожидаете найти окаменелость с сохранившимся мозгом. А во-вторых, это животное настолько маленькое, что вы даже не посмеете взглянуть на него в надежде найти мозг».

Тем не менее, работа за последние 10 лет, большая часть которой была проведена Страусфельдом, выявила несколько случаев сохранившегося мозга у различных окаменелых членистоногих.

Общий генетический план создания мозга

В своем новом исследовании авторы не только идентифицировали мозг Cardiodictyon, но и сравнили его с мозгом известных ископаемых и живых членистоногих, включая пауков и многоножек. Сочетая подробные анатомические исследования окаменелостей лобоподий с анализом паттернов экспрессии генов у их живых потомков, они пришли к выводу, что общий план организации мозга сохранялся с кембрия до наших дней.

«Сравнивая известные паттерны экспрессии генов у живых существ, — сказал Хирт, — мы определили общие черты всех видов мозга и то, как они формируются».

В Cardiodictyon каждый из трех доменов мозга связан с характерной парой придатков головы и с одной из трех частей передней пищеварительной системы.

«Мы поняли, что каждый домен мозга и соответствующие ему функции определяются одной и той же комбинацией генов, независимо от вида, который мы изучали», — добавил Хирт. «Это предполагает общий генетический план создания мозга».

Уроки эволюции мозга позвоночных

Хирт и Штраусфельд говорят, что принципы, описанные в их исследовании, вероятно, применимы и к другим существам, помимо членистоногих и их ближайших родственников. По их словам, это имеет важное значение при сравнении нервной системы членистоногих с нервной системой позвоночных, которые демонстрируют аналогичную различную архитектуру, в которой передний и средний мозг генетически и эволюционно отличаются от спинного мозга.

Страусфельд сказал, что их результаты также свидетельствуют о преемственности в то время, когда планета резко меняется под влиянием климатических сдвигов.

«В то время, когда основные геологические и климатические события изменяли форму планеты, простые морские животные, такие как Cardiodictyon , дали начало самой разнообразной в мире группе организмов — эуартроподам, — которые в конечном итоге распространились на все возникающие места обитания на Земле, но которые сейчас исчезают. которым угрожает наш собственный эфемерный вид».

Статья «Кардиодиктион лобоподий нижнего кембрия раскрывает происхождение мозга эуартропода » была написана в соавторстве с Сянгуан Хоу из Ключевой палеонтологической лаборатории Юньнани в Юньнаньском университете в Куньмине, Китай, и Марселем Сейром, который работает в Лундском университете в Лунде. , Швеция, и на факультете биологических наук Университета Маккуори в Сиднее.