保存完好的化石显示出5亿年前节肢动物祖先的大脑是什么样子的

Leanchoilia艺术家的重建

一幅艺术家描绘的Kaili Leanchoilia展示了它长长的剪刀状的附肢,位于侧面的眼睛后面,在粗短的茎上。14对附属物可能起着双重作用——为动物提供氧气并允许它四处活动。信贷:尼古拉斯某部

保存了5亿多年前生物大脑的罕见化石,为节肢动物的进化提供了新的线索。

生活在5亿多年前的生物遗留下来的保存完好的化石,非常详细地揭示了研究人员长期以来假设的相同结构,这些结构肯定是所有节肢动物遗传的原型大脑的组成部分。节肢动物是物种最丰富的动物分类群,包括昆虫、甲壳类、蜘蛛和蝎子,以及其他不太为人所知的分支,如千足虫和蜈蚣。

这些化石属于节肢动物,被称为Leanchoilia早期昆虫和蜘蛛胚胎遗传学和发育生物学的研究预测,在现代成年节肢动物的大脑中存在一个不分段的、看不见的极端额叶区域。yabo124尽管看不见,这个额叶区域在成年节肢动物的大脑中形成了几个关键的神经中枢,包括最终提供决策和记忆中心的干细胞。这个额叶区域被假设与现存节肢动物的前脑、中脑和后脑不同,它被命名为前脑,“prosocerebrum”意为“前部”。

Leanchoilia化石

侧视图的Leanchoilia显示其独特的头盾,后面11节结束在一个三角形的“尾巴”。比例尺是2毫米。信贷:尼古拉斯某部

该杂志于2021年8月19日发表的一篇论文中描述当代生物学yabo124这篇论文的第一作者、亚利桑那大学神经科学的董事教授尼古拉斯·施特劳斯菲尔德(Nicholas Strausfeld)说,这些化石提供了这个离散的准脑脑区存在的第一个证据,它在现代节肢动物的胚胎发育时期就出现了。

斯特拉斯菲尔德说:“我们所描述的这些非同寻常的化石是以前从未见过的。”“两个神经系统已经是独一无二的,因为它们被相同地保存了下来。这表明,5亿年前,在代表前脑、中脑和后脑的三个节节出现之前,这个最前面的大脑区域就已经存在,而且结构上也截然不同。”

节指的是节肢动物神经系统的每个节段中形成神经中枢的网状系统。在活体节肢动物中,标志着大脑的三个部分的三个神经节凝聚在一起形成一个坚实的团块,模糊了它们的进化起源为分节结构。

脑组织化石极其罕见

在中国西南部贵州省的凯里组的沉积物中发现了这些化石Leanchoilia可以追溯到大约5.08亿年前的寒武纪。凯里化石出现在富含铁的沉积岩中,铁的存在可能有助于保存软组织,而软组织随后被碳沉积物所取代。

脑与节段神经系统

大脑和节段神经系统重建,显示从前大脑延伸的前眼对,从前大脑延伸的侧眼和四个节段神经节。再往后,在躯干内部,每个节段都有一对神经节,它们由延伸到身体的神经索连接在一起。蓝色阴影区域表示保存了肠道组织。比例尺代表2毫米。信贷:尼古拉斯某部

“凯里化石为我们打开了一扇窗,让我们得以一瞥生活在5亿多年前的动物的身体平面进化,”该论文的第一作者、中国贵州大学贵州古生物学研究中心的田兰(Tian Lan)说。yabo124“我们现在第一次知道,凯里构造的节肢动物化石有潜力保存神经组织,向我们展示了存在于动物世界黎明时期的早期干节肢动物的原始大脑。”

“神经系统和其他软组织一样,很难变成化石,”西班牙巴塞罗那大学和Catalá研究所的合著者佩德罗·马丁内斯补充说。“这使得研究神经系统的早期进化成为一项具有挑战性的任务。”

这些化石还揭示了节肢动物进化过程中两种不同视觉系统的进化起源:一对正面的眼睛和一对侧视的眼睛,它们的后代仍然存在于今天的物种中。

许多节肢动物,包括昆虫和甲壳类动物,都有一对独特的双侧多面复眼和另一对不太明显的眼睛,结构更原始,称为无节眼或单眼。它们在结构上与蜘蛛和蝎子的主眼相似。这些简单的眼睛对应着前大脑的前眼Leanchoilia,这与以往分析节肢动物胚胎发育过程中基因表达模式的研究结果相一致。

化石Leanchoilia大脑

在直接光线下拍摄的化石前部,显示了侧眼、前大脑(最苍白的痕迹)和节段神经节的黑色痕迹。比例尺等于2毫米。信贷:尼古拉斯某部

Leanchoilia另一方面,侧眼与前大脑有关,它是节段神经节,定义节肢动物的前脑,就在前大脑的后面。在活着的节肢动物中,原大脑提供了昆虫和甲壳类动物的复眼,或蛛形纲动物、蜈蚣和千足动物的侧向单晶眼。服务于这些眼睛的视觉中枢也属于大脑的原大脑区域。

施特劳斯菲尔德解释说,在活着的节肢动物中,原大脑,或前脑,在某种程度上已经合并了——吞噬了——由原大脑提供的古老中心,因此它不再是一个独特的解剖实体。

这些化石保存得如此完好,以至于它们表明,除了前面的眼睛,前大脑还产生了与现代节肢动物的唇(或“上唇”)相关的神经节。这些化石也证实了一个更早的假设,即唇状组织最初肯定是从爪状附属物进化而来的Radiodonta这是一群茎节肢动物,在寒武纪是顶级掠食者。

“与其他属于更高级谱系的类似化石材料相比,化石的组织Leanchoilia大脑表明,早期大脑的神经节排列经历了其组成成分的凝结和融合,这解释了为什么在活着的物种中,前大脑不能单独区分,”施特劳斯菲尔德说。

对脊椎动物大脑进化的启示

施特劳斯菲尔德说,除了填补了一个世纪以来对节肢动物大脑进化理解的空白,这些发现对脊椎动物大脑的早期进化具有重要意义。

虽然这些简单的、像鱼一样的动物与这些现已成为化石的节肢动物同时存在,但没有令人信服的它们大脑的化石,因此,既没有化石证据,也没有解剖学证据表明脊椎动物有前大脑。然而,现代研究表明,例如,定义老鼠前脑、中脑和后脑的基因,与定义节肢动物大脑的三个神经节分区的基因相对应。在脊椎动物中,某些涉及决策和学习记忆的关键中心与节肢动物大脑的高级中心有一些遗传上的对应关系,这些高级中心起源于古代节肢动物的前脑。

因此,有可能在寒武纪之前,甚至在节段组织的身体计划进化之前,脊椎动物和无脊椎动物的共同祖先就拥有简单认知和决策的基本回路。虽然在脊椎动物的早期祖先中可能存在一个古老的类前大脑的大脑,但这类化石甚至没有为一个离散的、非节段的区域提供证据。

“然而,人们可以合理地推测,脊椎动物在它们的‘现代’大脑中嵌入了一个古老的、无节的大脑的部分,到目前为止,这只在早期节肢动物中得到了证实,比如Leanchoilia”,某部说。

参考文献:“lechoiliidae揭示了茎真节肢动物大脑的祖先组织”,作者:Lan Tian, Yuanlong Zhao, Fangchen Zhao, You He, Pedro Martinez and Nicholas J. Strausfeld, 2021年8月19日,当代生物学yabo124
DOI: 10.1016 / j.cub.2021.07.048

该研究的其他合著者是中国贵阳的贵州大学古生物学研究中心的赵元龙;yabo124中国科学院南京古生物学与地层学国家重点实验室;yabo124和上海同步辐射中心的友和。

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