Seiten- und Rückenansicht von 3D-Renderings basierend auf hochauflösenden Röntgenscans des Zebrafischs, des Flösselaals, des Lungenfischs, des Axolotls, des Molchs und der Eidechse. Die Rekonstruktionen zeigen das vordere Skelett der Exemplare sowie die Muskelgruppen, die den Kopf mit dem restlichen Körper verbinden und deren embryonaler Ursprung entweder im somatischen Mesoderm (dunkelblau, hellblau) oder im kardiopharyngealen Mesoderm (rot, lila) liegt.
© Eglantine Heude
In einem Artikel, der in Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Biologen den embryonalen Ursprung der Halsmuskulatur untersucht und gezeigt, dass Muskelgruppen, die bei Fischen den Kopf mit dem restlichen Körper verbinden, für die Bildung des Halses wiederverwendet wurden, indem sie neue Funktionen für das Leben an Land erlangten.
Die Evolution des Halses bei Wirbeltieren: Eine Schlüsselinnovation für die Eroberung des Landlebens
Wirbeltiere (Tiere mit Wirbelsäule) bilden eine große Gruppe von Tieren, zu denen Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere gehören. Ein bemerkenswerter Schritt in ihrer Evolution war der Übergang vom Wasser- zum Landleben vor etwa 350 Millionen Jahren.
Diese bedeutende Entwicklung wurde durch das Auftreten anatomischer Innovationen wie Beine und die Halsregion ermöglicht, die spezifisch für Tetrapoden (vierbeinige Wirbeltiere) sind. Der Hals, der bei Fischen fehlt, ermöglicht die unabhängige Beweglichkeit des Kopfes vom Körper an Land und enthält Strukturen, die für die Luftatmung, die Nahrungsaufnahme oder die Lauterzeugung essenziell sind.
Die Entwicklung eines funktionellen Halses im Laufe der Evolution erforderte tiefgreifende Umstrukturierungen des muskuloskelettalen Systems bereits im embryonalen Stadium.
Bei Wirbeltieren ist bekannt, dass die Muskeln des Kopfes und des Rumpfes unterschiedliche embryonale und genetische Ursprünge haben. Das Mesoderm ist eines der drei Keimblätter, die sich während der embryonalen Entwicklung bilden. Die Muskeln des Kopfes stammen aus dem kardiopharyngealen Mesoderm, das sich im vorderen Bereich des Embryos bildet, während die Muskeln des Rumpfes aus dem somatischen Mesoderm entstehen. Der Hals bildet eine Übergangszone an der Schnittstelle zwischen Kopf und Rumpf mit einem gemischten embryonalen Ursprung, da er Muskeln aus dem kardiopharyngealen und dem somatischen Mesoderm enthält.
Obwohl der embryonale Ursprung dieser Muskelstrukturen gut bekannt war, blieb der evolutionäre Ursprung des Halses ungeklärt.
Embryonaler und evolutionärer Ursprung des Halses: Zwischen kardiopharyngealen und somatischen Mesoderm
In dieser Studie, die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, verglichen die Wissenschaftler den mesodermalen Ursprung der Muskelgruppen, die Kopf und Rumpf bei Embryonen des Zebrafischs und der Maus verbinden. Mithilfe genetischer Tracing-Methoden konnten sie zeigen, dass diese Muskelgruppen konservierte mesodermale Ursprünge haben und zwischen Fischen und Tetrapoden homolog sind.
Die Wissenschaftler bewerteten anschließend die relativen Beiträge der beiden mesodermalen Populationen zur Entstehung und Anpassung des Halses. Dazu verglichen sie mithilfe hochauflösender Röntgenscans (Tomographie) die muskuloskelettale Anatomie mehrerer strategisch ausgewählter Arten, darunter Lungenfische (Flösselaal, Lungenfisch), Salamander (Axolotl, Molch) und die Eidechse.
Für jede dieser Arten segmentierten und rekonstruierten sie manuell in drei Dimensionen die Skelettstrukturen und die Muskelgruppen, die den Kopf mit dem Rumpf verbinden und aus dem somatischen oder kardiopharyngealen Mesoderm stammen, basierend auf den im Embryo gesammelten Daten.
Diese Studie liefert Einblicke in die Entwicklungsmechanismen, die der Evolution des Halses bei Wirbeltieren zugrunde liegen könnten. Die Analyse zeigt, dass die Halsregion aus Muskelgruppen entstanden ist, die bereits bei Fischen vorhanden waren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die gegensätzlichen Ausdehnungen des somatischen und kardiopharyngealen Mesoderms, jeweils im Kopf- und Rumpfbereich während der embryonalen Entwicklung, zur Entstehung und Anpassung des Halses bei Tetrapoden beigetragen haben.
Die Studie legt nahe, dass Muskelgruppen bei urtümlichen Fischen wiederverwendet (kooptiert) und modifiziert wurden, um neue Funktionen für die Atmung, Nahrungsaufnahme und Lauterzeugung an das Leben an Land anzupassen. Das Auftreten eines funktionellen Halses hätte die Anpassung der ersten Tetrapoden an das Landleben erleichtert und so ihren evolutionären Erfolg gesichert.