كتب العلوم خاطئة؟ حفرية عمرها 525 مليون عام تتحدى التفسير المشترك لتطور الدماغ

انطباع فنان عن سلالة كارديديكتيون يبلغ عمرها 525 مليون عام في قاع البحر الساحلي الضحل ، تخرج من مأوى ستروماتوليت صغير بناه بكتيريا التمثيل الضوئي. الائتمان: نيكولاس ستراوسفيلد / جامعة أريزونا

وفقًا لدراسة جديدة ، تحل أحافير مخلوق بحري صغير بجهاز عصبي محفوظ بدقة جدلًا دام قرنًا من الزمان حول كيفية تطور الدماغ في المفصليات ، المجموعة الأكثر ثراءً بالأنواع في المملكة الحيوانية.

قد تدفع حفريات مخلوق بحري صغير مات منذ أكثر من نصف مليار سنة إلى إعادة كتابة كتاب علمي حول كيفية تطور الدماغ.

توفر دراسة جديدة أول وصف تفصيلي لـ catenulum القلب، حيوان شبيه بالديدان محفوظ في الصخور في مقاطعة يونان جنوب الصين. يبلغ طول الحفرية نصف بوصة (أقل من 1.5 سم) واكتشفت في البداية في عام 1984 ، وقد أخفت سرًا حاسمًا حتى الآن: جهاز عصبي محفوظ بدقة ، بما في ذلك الدماغ. نشرت في المجلة علوم في 24 تشرين الثاني (نوفمبر) ، قاد البحث نيكولاس ستراوسفيلد ، أستاذ ريجنت في قسم علم الأعصاب بجامعة أريزونا ، وفرانك هيرث ، قارئ علم الأعصاب التطوري في كينجز كوليدج لندن.

قال ستراوسفيلد: “على حد علمنا ، هذا هو أقدم دماغ متحجر نعرفه حتى الآن”.

القلب ينتمي إلى مجموعة منقرضة من الحيوانات المعروفة باسم فصيلة الفصوص المدرعة ، والتي كانت وفيرة في وقت مبكر خلال فترة تُعرف باسم الكمبري ، عندما ظهرت جميع سلالات الحيوانات الرئيسية تقريبًا خلال فترة زمنية قصيرة للغاية بين 540 مليون و 500 مليون سنة مضت. من المحتمل أن يتحرك Lobopodians في قاع البحر باستخدام أزواج متعددة من الأرجل الناعمة والقصيرة التي تفتقر إلى مفاصل أحفادهم ، euarthropods – وهي كلمة يونانية تعني “قدم مفصلية حقيقية”. أقرب الأقارب الأحياء اليوم من فصيلة الفصوص هي الديدان المخملية التي تعيش بشكل رئيسي في أستراليا ونيوزيلندا وأمريكا الجنوبية.

تم اكتشاف سلسلة Cardiodictyon المتحجرة في عام 1984 بين مجموعة متنوعة من الكائنات المنقرضة المعروفة باسم حيوانات Chengjian في يونان ، الصين. في هذه الصورة رأس الحيوان على اليمين. الائتمان: نيكولاس ستراوسفيلد / جامعة أريزونا

نقاش يعود إلى القرن التاسع عشر

أحافير القلب تكشف عن حيوان بجذع مجزأ حيث توجد ترتيبات متكررة من الهياكل العصبية المعروفة باسم العقد. هذا يتناقض بشكل صارخ مع رأسه ودماغه ، وكلاهما يفتقر إلى أي دليل على التجزئة.

قال ستراوسفيلد: “كان هذا التشريح غير متوقع تمامًا لأن رؤوس وأدمغة مفصليات الأرجل الحديثة ، وبعض أسلافها المتحجرة ، كانت تعتبر على مدار أكثر من مائة عام مجزأة”.

وفقًا للمؤلفين ، يحل هذا الاكتشاف نقاشًا طويلًا وساخنًا حول أصل وتكوين الرأس في مفصليات الأرجل ، المجموعة الأكثر ثراءً بالأنواع في العالم في المملكة الحيوانية. تشمل مفصليات الأرجل الحشرات والقشريات والعناكب والعناكب الأخرى ، بالإضافة إلى بعض السلالات الأخرى مثل الديدان الألفية والمئويات.

قال هيث: “منذ ثمانينيات القرن التاسع عشر ، لاحظ علماء الأحياء المظهر المجزأ بوضوح للجذع النموذجي للمفصليات ، واستقراء ذلك بشكل أساسي على الرأس”. “هذه هي الطريقة التي وصل بها المجال إلى افتراض أن الرأس هو امتداد أمامي لجذع مجزأ.”

“ولكن القلب يوضح أن الرأس المبكر لم يكن مجزأًا ، ولم يكن دماغه ، مما يشير إلى أن الدماغ والجهاز العصبي الجذع من المحتمل أن يتطور بشكل منفصل ، “قال شتراوسفيلد.

رأس متحجر لسلسلة Cardiodictyon (الأمامي على اليمين). تدل الرواسب ذات اللون الأرجواني على هياكل دماغية متحجرة. الائتمان: نيكولاس شتراوسفيلد

الأدمغة لا تتحجر

القلب كانت جزءًا من حيوانات تشنغجيانغ ، وهي رواسب مشهورة من الأحافير في مقاطعة يوننان اكتشفها عالم الأحافير شيانغوانغ هو. تم الحفاظ على الأجسام الناعمة والحساسة لفصريات الفصوص جيدًا في السجل الأحفوري ، ولكن بخلاف ذلك القلب لم يتم فحص أي منها من أجل رأسها ودماغها ، ربما لأن فصيلة الفصوص صغيرة بشكل عام. أبرز أجزاء القلب كانت عبارة عن سلسلة من الهياكل المثلثة الشكل على شكل سرج والتي تحدد كل جزء وتعمل كنقاط ربط لأزواج من الأرجل. تم العثور على تلك في صخور أقدم يعود تاريخها إلى ظهور العصر الكمبري.

قال ستراوسفيلد: “هذا يخبرنا أن فصوص الفصوص المدرعة ربما كانت أقدم مفصليات الأرجل” ، حيث سبقت حتى ثلاثية الفصوص ، وهي مجموعة أيقونية ومتنوعة من مفصليات الأرجل البحرية التي انقرضت منذ حوالي 250 مليون سنة.

قال هيث: “حتى وقت قريب جدًا ، كان الفهم الشائع هو أن الأدمغة لا تتحجر”. “لذلك لا تتوقع أن تجد حفرية ذات دماغ محفوظ في المقام الأول. وثانيًا ، هذا الحيوان صغير جدًا لدرجة أنك لن تجرؤ حتى على النظر إليه على أمل العثور على دماغ “.

ومع ذلك ، فإن العمل على مدى السنوات العشر الماضية ، والذي قام بالكثير منه ستراوسفيلد ، قد حدد العديد من حالات الأدمغة المحفوظة في مجموعة متنوعة من المفصليات المتحجرة.

خطة أرضية وراثية مشتركة لصنع دماغ

في دراستهم الجديدة ، لم يحدد المؤلفون فقط دماغ القلب ولكننا قارنته أيضًا بالحفريات المعروفة والمفصليات الحية ، بما في ذلك العناكب والمئويات. من خلال الجمع بين الدراسات التشريحية التفصيلية لأحفوريات الفصوص مع تحليلات أنماط التعبير الجيني في أحفادهم الأحياء ، استنتجوا أنه تم الحفاظ على مخطط مشترك لتنظيم الدماغ من العصر الكمبري حتى اليوم.

قال هيث: “بمقارنة أنماط التعبير الجيني المعروفة في الأنواع الحية ، حددنا توقيعًا مشتركًا لجميع الأدمغة وكيف تتشكل”.

في القلب، ترتبط ثلاثة مجالات دماغية بزوج مميز من ملحقات الرأس وبواحد من الأجزاء الثلاثة للجهاز الهضمي الأمامي.

أضاف هيث: “لقد أدركنا أن كل مجال من مجالات الدماغ والميزات المقابلة له يتم تحديدها بواسطة نفس الجينات المركبة ، بغض النظر عن الأنواع التي نظرنا إليها”. “اقترح هذا خطة أرضية وراثية مشتركة لصنع دماغ.”

دروس لتطور دماغ الفقاريات

يقول هيرث وستراوسفيلد إن المبادئ الموصوفة في دراستهم ربما تنطبق على كائنات أخرى خارج المفصليات وأقاربهم المباشرين. وقالوا إن هذا له آثار مهمة عند مقارنة الجهاز العصبي لمفصليات الأرجل مع تلك الموجودة في الفقاريات ، والتي تظهر بنية مميزة مماثلة يكون فيها الدماغ الأمامي والدماغ المتوسط ​​مختلفين وراثيًا وتنمويًا عن الحبل الشوكي.

وقال شتراوسفيلد إن النتائج التي توصلوا إليها تقدم أيضًا رسالة تواصل في وقت يتغير فيه الكوكب بشكل كبير تحت تأثير التحولات المناخية.

“في الوقت الذي كانت فيه الأحداث الجيولوجية والمناخية الكبرى تعيد تشكيل الكوكب ، كانت الحيوانات البحرية البسيطة مثل القلب أدت إلى ظهور المجموعة الأكثر تنوعًا من الكائنات الحية في العالم – euarthropods – التي انتشرت في النهاية إلى كل موطن ناشئ على الأرض ، ولكنها الآن مهددة من قبل الأنواع سريعة الزوال. “

المرجع: “الكمبري السفلي Lobopodian القلب يقرر أصل أدمغة أورثروبود “بقلم نيكولاس جيه ستراوسفيلد ، وشيانغوانغ هو ، ومارسيل إي ساير وفرانك هيرث ، 24 نوفمبر 2022 ، علوم.
DOI: 10.1126 / science.abn6264

شارك في تأليف الورقة Xianguang Hou في مختبر Yunnan Key لعلم الحفريات في جامعة يونان في كونمينغ ، الصين ، ومارسيل ساير ، الذي لديه مواعيد في جامعة لوند في لوند ، السويد ، وفي قسم العلوم البيولوجية في جامعة ماكواري في سيدني.

تم تمويل هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ، وصندوق ريجنتس بجامعة أريزونا ، ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية في المملكة المتحدة.