هل كتب العلوم خاطئة؟ 525 مليون سنة من التحديات الأحفورية التفسير المشترك لتطور الدماغ

كشفت دراسة جديدة أن أحافير مخلوق بحري صغير بجهاز عصبي محفوظ بدقة تحل جدلاً دام قرنًا حول تطور الدماغ في المفصليات ، وهي المجموعة الأكثر ثراءً بالأنواع في المملكة الحيوانية.

حفريات مخلوق بحري صغير مات منذ أكثر من نصف مليار سنة يمكن أن تجبر كتابًا علميًا على إعادة كتابة تطور الدماغ.

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

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

القلب ينتمي إلى مجموعة من الحيوانات المنقرضة المعروفة باسم فصيصات الأرجل المدرعة ، والتي كانت وفيرة في بداية الفترة المعروفة باسم الكمبري ، عندما ظهرت جميع سلالات الحيوانات الرئيسية تقريبًا في فترة قصيرة للغاية بين 540 مليون و 500 مليون سنة. ربما تحركت Lobopods عبر قاع البحر باستخدام عدة أزواج من الأرجل الناعمة والقصيرة التي تفتقر إلى مفاصل أحفادها ، euarthropods – وهي كلمة يونانية تعني “القدم المفصلية الحقيقية”. أقرب الأقارب الحاليين لفصيصيات الأرجل هم الديدان المخملية التي تعيش بشكل أساسي 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 تاريخه إلى القرن التاسع عشر

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

وقال ستراوسفيلد: “كان هذا التشريح غير متوقع تمامًا لأن رؤوس وأدمغة المفصليات الحديثة وبعض أسلافها المتحجرة كانت مجزأة لأكثر من مائة عام”.

وفقًا للمؤلفين ، يحل هذا الاكتشاف نقاشًا طويلًا وساخنًا حول أصل وتكوين الرأس في المفصليات ، المجموعة الأكثر ثراءً بالأنواع في العالم في المملكة الحيوانية. تشمل مفصليات الأرجل الحشرات والقشريات والعناكب والعناكب الأخرى ، بالإضافة إلى سلالات أخرى مثل مئويات الأقدام والمئويات.

قال هيث: “منذ ثمانينيات القرن التاسع عشر ، لاحظ علماء الأحياء المظهر المجزأ بوضوح لجذع المفصليات النموذجي ، واستقراءه بشكل أساسي على الرأس”. “هذه هي الطريقة التي افترض بها المجال أن الرأس هو امتداد أمامي لجذع مجزأ.”

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

رأس متحجر من كاتينولوم Cardiodictyon (الجزء الأمامي على اليمين). ترسبات ذات لون أرجواني تشير إلى هياكل دماغية متحجرة. الائتمان: نيكولاس شتراوسفيلد

تحجر الأدمغة

القلب كان جزءًا من الحيوانات في Chengjiang ، وهو موقع أحفوري شهير في مقاطعة يوننان اكتشفه عالم الحفريات Xianguang Hou. تم الحفاظ على الأجسام الناعمة والحساسة لفصريات الأرجل جيدًا في السجل الأحفوري ، ولكن بشكل منفصل القلب لم يتم فحص أي منهم من أجل رؤوسهم وأدمغتهم ، ربما لأن فصيصات الأرجل صغيرة الحجم عادةً. أهم أجزاء القلب كانت عبارة عن سلسلة من الهياكل الشبيهة بالسرج المثلث التي تحدد كل جزء وتعمل كنقاط ربط لأزواج الأرجل. تم العثور على هذه في الصخور القديمة التي يرجع تاريخها إلى ظهور العصر الكمبري.

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

قال هيرث: “حتى وقت قريب جدًا ، كان الفهم الشائع أن” الأدمغة لا تتحفور “. “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 ، إلى حد كبير من قبل Strausfeld ، قد حدد عدة حالات لأدمغة محفوظة في مجموعة متنوعة من المفصليات المتحجرة.

مخطط جيني مشترك لصنع الدماغ

في دراستهم الجديدة ، لم يحدد المؤلفون فقط دماغ القلب ولكن أيضًا مقارنة 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 أن نمطًا شائعًا لتنظيم الدماغ قد تم الحفاظ عليه من العصر الكمبري حتى يومنا هذا.

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

في القلبترتبط ثلاثة مجالات دماغية بزوج مميز من الزوائد الرأسية وأحد الأجزاء الثلاثة من الجهاز الهضمي الأمامي.

وأضاف هيث: “لقد أدركنا أن كل مجال من مجالات الدماغ والميزات المقابلة له يتم تحديدها بواسطة نفس الجينات مجتمعة ، بغض النظر عن الأنواع التي فحصناها”. “لقد اقترح مخططًا جينيًا مشتركًا لصنع دماغ.”

دروس لتطور دماغ الفقاريات

يقول هيرث وستراوسفيلد إن المبادئ الموضحة في دراستهما تنطبق على الأرجح على مخلوقات أخرى إلى جانب المفصليات وأقاربها. 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 النخاع الشوكي.

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

“في الوقت الذي تعيد فيه الأحداث الجيولوجية والمناخية تشكيل كوكب الأرض ، تحب الحيوانات البحرية البسيطة القلب أدت إلى ظهور المجموعة الأكثر تنوعًا من الكائنات الحية في العالم – euarthropods – والتي انتشرت في النهاية إلى جميع الموائل الناشئة على الأرض ، ولكنها مهددة الآن من قبل الأنواع قصيرة العمر لدينا.

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

شارك في تأليف المقال Xianguang Hou من مختبر Yunnan Key لعلم الحفريات في جامعة Yunnan في كونمينغ ، الصين ، ومارسيل ساير ، الذي لديه مواعيد في جامعة Lund في Lund ، السويد ، وفي قسم العلوم البيولوجية في جامعة Macquarie في سيدني. .

تم توفير التمويل لهذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية وصندوق ريجنتس بجامعة أريزونا ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية في المملكة المتحدة.