Bauplan von Ur-Landwirbeltieren rekonstruiert

29. Januar 2010

Manche Schlangen haben 400 Wirbel, Schildkröten nur 18. War das schon immer so – und warum? Eine internationale Forschergruppe unter der Federführung von Johannes Müller vom Museum für Naturkunde Berlin und Marcelo Sánchez von der Universität Zürich fanden in einer vergleichenden morphologischen Studie heraus, dass die ersten Landwirbeltiere sechs Hals- und zwanzig Brustwirbel besaßen. Weiter konnten die Forscher nachweisen, dass die Baupläne von Reptilien bereits seit Millionen von Jahren wesentlich variabler gestaltet sind als diejenigen der Säugetiere und ihrer Vorläufer.


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 (7 Halswirbel, 19 Rumpfwirbel). 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 genannten konservativen Baupläne der Säuger?
Die Wissenschafter der internationalen Forschergruppe um Johannes Müller wählten einen entwicklungsgenetischen Ansatz und untersuchten über 400 lebende und ausgestorbene Tiergruppen. Sie bestimmten die Anzahl der Wirbel zwischen dem ersten Halswirbel und dem Becken und trugen die Resultate in eine stammesgeschichtliche Übersicht. 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 Rumpfwirbel. Zwei embryonale Entwicklungsprozesse – die Somitenbildung und die Expression der sogenannten 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. Müller, Sánchez und ihr Team zeigen erstmals, 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 derart verschoben, dass ursprüngliche Brustwirbel zu Halswirbeln wurden.
Weiter konnten die Wissenschaftler belegen, dass die frühen Synapsiden – eine reptilienartige Gruppe von Landwirbeltieren, aus denen sich die Säugetiere entwickelt haben – bereits vor 320 Millionen Jahren genauso konservativ bei der Abschnittsbildung der Wirbelsäule waren 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. Das bei diversen Dinosauriern zu beobachtende enorme Größenwachstum ist übrigens nicht an Veränderungen von Somitenbildung oder Hox-Genen gekoppelt: Die extreme Zunahme der Körpermasse erfolgt lediglich durch ein starkes Wachstum nach der Geburt.
Der Artikel ist bereits vor dem offiziellen Erscheinungsdatum online verfügbar:

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


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Stand: 11.04.2011