Public Release:  Wissenschaftler setzen ein fossiles Rückgrat mittels Synchrotronstrahlen neu zusammen

European Synchrotron Radiation Facility

Diese Pressemitteilung ist verfügbar auf Englisch.

Die komplizierte dreidimensionale Rückgratstruktur eines der frühesten Landwirbeltiere (Tetrapoden) ist erstmals komplett rekonstruiert worden. Hochenergetische Röntgenstrahlen in Verbindung mit einer neuartigen Datenanalyse erlaubten, die Rückenwirbel von 360 Millionen Jahre alten Fossilien in außergewöhnlicher Detailtreue zu analysieren. Unsere Vorstellungen, wie die ersten Wirbeltiere vom Wasser aus das Land eroberten werden hiervon weitreichend beeinflusst. Die Ergebnisse werden am 13. Januar 2013 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Das internationale Team von Wissenschaftlern wurde von Stephanie E. Pierce vom Royal Veterinary College in London und Jennifer A. Clack von der Universität Cambridge geleitet und umfasste außerdem Forscher der Universität Uppsala (Schweden) sowie der European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble (Frankreich).

Tetrapoden sind Wirbeltiere mit vier Gliedmaßen, die heute Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere umfassen. Die ersten Tetrapoden waren Wassertiere, die vor rund 400 Millionen Jahren begannen, kurze Ausflüge in flachere Gewässer zu machen und sich hierbei ihrer vier Gliedmaße bedienten. Wie dies geschah und schließlich der Übergang zu den Landwirbeltieren erfolgte, ist unter Paläontologen und Evolutionsbiologen Gegenstand intensiver Debatten.

Tetrapoden haben mit Fischen, aus denen sie hervorgegangen sind, die Wirbelsäule gemein. Diese knöcherne Struktur verbindet eine Vielzahl einzelner Wirbel in einer Reihe vom Kopf zum Schwanz. Im Gegensatz zum Rückgrat heute lebender Landwirbeltiere (z.B. des Menschen), deren Wirbel nur aus je einem Knochen bestehen, bestanden die Wirbel der ersten Tetrapoden aus mehreren Teilen.

"Seit mehr als 100 Jahren herrscht die Vorstellung vor, die Wirbel der frühen Tetrapoden seien dreiteilig aufgebaut; einem Knochen vorne, einem Knochen oberhalb, und einem Knochenpaar hinten. Die Untersuchung der Fossilien mit Synchrotron-Röntgenstrahlung hat diese traditionelle Sicht buchstäblich umgekehrt", erklärt Stephanie Pierce, Hauptautor der Veröffentlichung.

Für die Analyse wurde an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble (Frankreich), wo die Untersuchung der drei fossilen Fragmente mit Röntgenstrahlen stattfand, eine neuartige Methode zur Datenanalyse angewandt, die auch winzigste Details tief in Gestein eingebetteter versteinerter Knochen auflöst, trotz hoher Absorption der Röntgenstrahlung in dichtem Gestein. "Ohne diese neue Methode hätten wir die einzelnen Elemente der Wirbelsäule nicht dreidimensional mit 30 Mikrometern Auflösung rekonstruieren können", erläutert Sophie Sanchez von der Universität Uppsala und der ESRF, die Mitautorin der Veröffentlichung ist.

In den hochaufgelösten Röntgenbildern entdeckten die Wissenschaftler, dass der erste Knochen jedes Wirbels - das sogenannte intercentrum - eigentlich der letzte ist. Und obwohl sich dies wie eine triviale Umdrehung anhört, hat diese Neuordnung der Wirbelstruktur weitreichende Konsequenzen für die funktionelle Entwicklung des Rückgrats der Landwirbeltiere.

Stephanie Pierce erklärt: "Nur wenn wir genau wissen wie die Wirbel aufgebaut sind, können wir beginnen, die Beweglichkeit der ganzen Wirbelsäule zu untersuchen, und wie diese in den frühen Stadien des Landübergangs die Kräfte zwischen den Gliedmaßen übertrug."

Dieses Ergebnis waren nicht die einzige Überraschung. In einem der Fossilien - bekannt als Ichthyostega - wurden bisher unbekannte Skeletteile entdeckt, darunter eine Knochenreihe in der Mitte der Brust.

Jennifer Clack, der zweite Hauptautor der Studie, erläutert: "Diese Brustknochen erweisen sich als der früheste evolutionäre Versuch eines knochigen Brustbeins. Diese Struktur stärkte den Brustkorb, was dem Ichthyostega erlaubte, sein ganzes Körpergewicht auf der Brust abzustützen, während es sich an Land bewegte."

Die unerwartete Entdeckung unterstützt neuere Arbeiten von Pierce und Clack, nach denen Ichthyostega sich auf ebenen Boden wahrscheinlich mit synchronen Bewegungen der vorderen Gliedmaßen bewegte, ähnlich einem Seehund. Stephanie Pierce fügt hinzu: "Diese Studie zwingt uns das Lehrbuchwissen der Entwicklung der ersten Landwirbeltiere neu zu schreiben."

Laut Sophie Sanchez "eröffnet die neue Methode der Datenanalyse, Fossilien auch in dichtem Gestein mit unerreichter Auflösung zu untersuchen. Was wir heute gesehen haben, ist eigentlich nur der Anfang."

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Veröffentlichung:

Stephanie E Pierce, Per E Ahlberg, John R Hutchinson, Julia L Molna, Sophie Sanchez, Paul Tafforeau, and Jennifer A Clack: Vertebral architecture in the earliest stem tetrapods, Nature advanced online publication 13 January 2013, DOI: 10.1038/nature11825

Multimedia

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Für Interviewanfragen stehen zur Verfügung:

Claus Habfast (ESRF)
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Rebecca Griffiths (Royal Veterinary College)
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Tel +44 1727 733885, mobile +44 7584 392347

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