Окаменелости, принадлежащие членистоногому, известному как Leanchoilia, подтверждают наличие – предсказанное более ранними исследованиями в области генетики и биологии развития эмбрионов насекомых и пауков – крайней передней области мозга, которая не сегментирована и невидима у современного взрослого человека. членистоногие. Несмотря на то, что этот фронтальный домен невидим, он дает начало нескольким важным нейронным центрам в мозгу взрослого членистоногого, включая стволовые клетки, которые в конечном итоге обеспечивают центры, участвующие в принятии решений и памяти.
Предполагалось, что эта лобная область отличается от переднего, среднего и заднего мозга, наблюдаемых у современных членистоногих, и получила название prosocerebrum, где «proso» означает «передняя часть»."
Описанные в статье, опубликованной сегодня в журнале Current Biology, окаменелости являются первым доказательством существования этой дискретной прозоцеребральной области мозга, наследие которой проявляется во время эмбрионального развития современных членистоногих, по словам ведущего автора статьи Николаса Штраусфельда. , профессор нейробиологии Аризонского университета.
«Необычные окаменелости, которые мы описываем, не похожи ни на что из того, что видели раньше», – сказал Штраусфельд. "Две нервные системы, уже уникальные, потому что они одинаково сохранились, показывают, что полмиллиарда лет назад эта самая передняя часть мозга существовала и структурно отличалась до эволюционного появления трех сегментарных ганглиев, которые обозначают передний, средний и задний мозг."
Термин ганглии относится к системе сетей, образующих нервный центр, который встречается в каждом сегменте нервной системы членистоногих.
У живых членистоногих три ганглия, которые отмечают трехчастный мозг, сгущаются вместе, образуя твердую массу, скрывая их эволюционное происхождение как сегментированные структуры.
Окаменелости мозговой ткани чрезвычайно редки
Обнаруженные в отложениях формации Кайли – геологического образования в провинции Гуйчжоу на юго-западе Китая – окаменелые останки Leanchoilia относятся к кембрийскому периоду, примерно 508 миллионов лет назад.
Окаменелости Кайли встречаются в осадочных породах с высокой концентрацией железа, присутствие которого, вероятно, помогло сохранить мягкие ткани, которые впоследствии были заменены отложениями углерода.
«Окаменелости Кайли открывают нам возможность взглянуть на эволюцию строения тела животных, которые жили более полумиллиарда лет назад», – сказал первый автор статьи Тянь Лан из Исследовательского центра палеобиологии Гуйчжоу при Университете Гуйчжоу в Китае. "Впервые мы теперь знаем, что окаменелости членистоногих формации Кайли обладают потенциалом для сохранения нервной ткани, которая показывает нам примитивный мозг ранних стволовых членистоногих, существовавших на заре существования животного мира."
«Нервные системы, как и другие мягкие ткани, трудно окаменеть», – добавил соавтор Педро Мартинес из Университета Барселоны и Института Катала в Барселоне, Испания. "Это делает изучение ранней эволюции нейронных систем сложной задачей."
Окаменелости также пролили новый свет на эволюционное происхождение двух отдельных зрительных систем в эволюции членистоногих: пары глаз, обращенных вперед, или глаз, смотрящих в сторону, потомки которых все еще присутствуют у видов, живущих сегодня.
Многие членистоногие, в том числе насекомые и ракообразные, имеют отчетливую двустороннюю пару фасеточных сложных глаз и другой набор менее очевидных глаз – с более примитивной архитектурой – известных как глаза науплиуса или глазки. Они структурно похожи на основные глаза пауков и скорпионов. Эти более простые глаза соответствуют передним глазам прозоцеребрума у Leanchoilia, в соответствии с данными, полученными в предыдущих исследованиях, анализирующих паттерны экспрессии генов во время эмбрионального развития живых членистоногих.
С другой стороны, боковые глаза Leanchoilia относятся к протоцеребруму, который представляет собой сегментарный узел, определяющий передний мозг членистоногих, лежащий сразу за прозоцеребрумом. У живых членистоногих протоцеребрум обеспечивает сложные глаза насекомых и ракообразных или боковые однолинзовые глаза паукообразных, многоножек и многоножек. Зрительные центры, обслуживающие эти глаза, также относятся к протоцеребральной области мозга.
Штраусфельд объяснил, что у живых членистоногих протоцеребрум, или передний мозг, включил – в некотором роде, поглотил – древние центры, обеспечиваемые прозоцеребрумом, так что его больше нельзя различить как отдельную анатомическую единицу.
Окаменелости настолько хорошо сохранились, что демонстрируют, что помимо передних глаз, прозоцеребрум также дал начало ганглиям, связанным с верхней губой, или «верхней губой» современных членистоногих.
Окаменелости также подтверждают более раннюю гипотезу, предполагающую, что верхняя губа, должно быть, первоначально произошла от хватательных придатков Radiodonta, группы стеблевых членистоногих, которые были главными хищниками в кембрийский период.
"По сравнению с другими подобными ископаемыми материалами, принадлежащими к более продвинутым линиям, организация мозга Leanchoilia демонстрирует, что ганглиозное устройство раннего мозга претерпело конденсацию и слияние его компонентов, что объясняет, почему у современных видов прозоцеребрум не может быть индивидуально различим. , "Сказал Штраусфельд.
Значение для эволюции мозга у позвоночных
По словам Штраусфельда, помимо устранения векового пробела в понимании эволюции мозга членистоногих, полученные данные имеют важное значение для ранней эволюции мозга позвоночных.
Хотя простые рыбоподобные животные существовали в то же время, что и эти ныне окаменевшие членистоногие, убедительных окаменелостей их мозга нет и, следовательно, нет ни ископаемых, ни анатомических свидетельств прозоцеребрума у позвоночных. Тем не менее, современные исследования показывают, что гены, определяющие передний и задний мозг, например, мышей, соответствуют генам, определяющим три ганглиозных отдела мозга членистоногих. А у позвоночных определенные важнейшие центры, участвующие в принятии решений, обучении и памяти, имеют некоторые генетические соответствия с высшими центрами мозга членистоногих, которые произошли от древних членистоногих prosocerebrum.
Таким образом, вполне вероятно, что даже раньше, чем кембрийский период, возможно, даже до эволюции сегментарно организованных планов тела, общий предок как позвоночных, так и беспозвоночных обладал базовыми схемами для простого познания и принятия решений. И хотя древний мозг, похожий на прозоцеребральный, мог присутствовать у очень ранних предков позвоночных, ни одна такая окаменелость даже не предложила доказательств существования дискретной, несегментарной области.
«Тем не менее, можно разумно предположить, что позвоночные встроили в свой« современный »мозг части древнего, несегментированного мозга, который до сих пор был продемонстрирован только у ранних членистоногих, таких как Leanchoilia», – сказал Штраусфельд.
Дополнительными соавторами исследования являются Юаньлун Чжао из Исследовательского центра палеобиологии Гуйчжоу при университете Гуйчжоу в Гуйяне, Китай; Фангчен Чжао из Государственной ключевой лаборатории палеобиологии и стратиграфии Китайской академии наук в Нанкине, Китай; and You He из Шанхайского центра синхротронного излучения.