Bauplan von Ur-Landwirbeltieren rekonstruiert

Schlangen, Schildkröten und Vögel – bei den heute lebenden Reptilienarten sind die Zahl der Wirbel und ihre Aufteilung auf die Abschnitte des Rückgrats ausgesprochen variabel: So besitzen z.B. gewisse Schlangenarten über 300 Wirbel und zwar ausschliesslich Brustwirbel.

Schildkröten dagegen haben vom Hals bis zum Schwanzansatz gerade einmal 18 Wirbel. Anders sieht es bei den Wirbelsäulen der Säuger aus: Dort sind Wirbelzahl und Aufteilung auf die verschiedenen Bereiche des Rückgrats bei den meisten Arten weitgehend konstant. War dies schon immer so? Wann im Lauf der Evolution trat bei den Reptilien diese Variabilität auf und wo liegen die Ursprünge für die so genannt konservativen Baupläne der Säuger?

Diesen Fragen ging eine internationale Forschungsgruppe auf Initiative von Paläontologieprofessor Marcelo Sánchez von der Universität Zürich erstmals auf den Grund. Finanziert wurde das Projekt aus dem Nachwuchsförderungskredit der Universität Zürich. Die Wissenschafter wählten einen entwicklungsgenetischen Ansatz und untersuchten 436 lebende und ausgestorbene Tiergruppen. Sie bestimmten die Anzahl Wirbel zwischen dem ersten Halswirbel und dem Kreuzbein und trugen die Resultate in eine generalisierte stammesgeschichtliche Karte. Anschliessend rekonstruierten sie mit Hilfe von computergestützten Berechnungen, wie viele Wirbel die letzten gemeinsamen Vorfahren der untersuchten Arten besessen haben müssen und welche entwicklungsgenetischen Mechanismen involviert waren. Gemäss diesen Berechnungen besassen die ersten Landwirbeltiere sechs Hals- und zwanzig Brustwirbel.

Konservative Säuger, variable Reptilien

Zwei embryonale Entwicklungsprozesse – die Somitenbildung und die Expression der Hox-Gene – sind dafür verantwortlich, wie viele Wirbel eine Tierart besitzt. Sie bestimmen auch, auf welcher Höhe der Wirbelsäule die Extremitäten ausgebildet werden bzw. wie sich die Wirbel auf die einzelnen Abschnitte des Rückgrats verteilen. In ihrem im amerikanischen Wissenschaftsmagazin „PNAS“ erschienen Artikel konnten Marcelo Sánchez und sein Team nun erstmals zeigen, dass sich neue Wirbelsäulen-Baupläne im Lauf der Evolution auf zwei voneinander unabhängige Weisen entwickelt haben: Entweder wurden während der Somitenbildung mehr oder weniger Somiten und damit auch mehr oder weniger Wirbel gebildet. Oder aber, die Wirbelsäulenabschnitte wurden durch Veränderungen der Hox-Gene so verschoben, dass ursprüngliche Brustwirbel zu Halswirbeln wurden.

Weiter konnten die Wissenschaftler belegen, dass die basalen Synapsiden – eine reptilienartige Gruppe von Landwirbeltieren, aus denen sich die Säugetiere entwickelt haben – bereits vor 320 Millionen Jahren den gleichen Konservativismus bei der Abschnittsbildung der Wirbelsäule aufwiesen wie die späteren höheren Säugetiere. Ur-Reptilien dagegen zeigten von Anfang an bei ihren Wirbelsäulen-Bauplänen die gleiche grosse Variabilität wie ihre heute lebenden Verwandten. Interessanteweise reagierten die Synapsiden in speziellen Fällen auf einen ähnlichen Selektionsdruck mit den gleichen entwicklungsmässigen Innovationen wie Reptilien. Wale zum Beispiel vergrössern die Zahl ihrer Brust- und Lendenwirbel ähnlich wie die heute ausgestorbenen Meeresreptilien mit kurzen Hälsen. Das bei diversen Saurierarten und später auch bei gewissen Säugetieren zu beobachtende enorme Grössenwachstum dagegen ist nicht an Veränderungen bei der Somitenbildung oder bei den Hox-Genen gekoppelt: Die extreme Zunahme der Körpermasse erfolgt lediglich durch postembryonales Wachstum.

Literatur:
Müller J., Scheyer T.M., Head J.J., Barrett P., Werneburg I., Ericson P.G.P., Pol D., Sánchez-Villagra M.R: Homeotic effects, somitogenesis and the evolution of vertebral numbers in recent and fossil amniotes. In: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), doi: 10.1073/pnas.0912622107
Kontakte:
Prof. Dr. Marcelo Sánchez, Universität Zürich
Tel. +41 44 634 23 42,
E-Mail: m.sanchez@pim.uzh.ch
Torsten Scheyer, Universität Zürich
Tel. + 41 44 634 23 22
E-Mail: scheyer@pim.uzh.ch