Zusammenfassung:
Lange Zeit glaubte man in der paläontologischen Gemeinschaft allgemein, dass die frühen Tetrapoden ihre Köpfe von den Schultern trennten und unabhängige Hälse entwickelten, um ihren Köpfen eine freiere Drehung zu ermöglichen und so Raubtiere im Wasser oder an Land effektiver nach Nahrung zu suchen und ihnen auszuweichen. Eine neue Studie stellt jedoch diese seit Jahrzehnten beliebte Hypothese in Frage: Die ersten Hälse waren tatsächlich ziemlich steif, was dem Kopf nur sehr begrenzten Bewegungsspielraum ließ.
Bei Fischen sind die Riemen direkt am Schädel befestigt, sodass der Fisch seinen gesamten Körper nur drehen kann, wenn er nach links oder rechts schauen möchte. Vor etwa 380 Millionen Jahren begannen einige Tiere, die vom Wasser an Land übergingen, getrennte Hälse vom Körper wachsen zu lassen. Doch neue Untersuchungen zeigen, dass dieser Strukturwandel ihren Köpfen nicht viel Bewegungsfreiheit ließ. Die Studie kombinierte neue fossile Beweise mit der Modellierung mechanischer Tests an lebenden Fischen und zeigte, dass diese frühen Hälse steif blieben. Diese internationale Studie wurde von Tom Stewart, Assistenzprofessor für Biologie an der Pennsylvania State University, durchgeführt und die Ergebnisse wurden am 14. Oktober in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Die Devonzeit liegt etwa 420 bis 360 Millionen Jahre zurück. Fossilien aus dieser Zeit belegen viele Tiere, die sowohl aquatische als auch mit dem Landleben verbundene Merkmale aufweisen. Einige von ihnen hatten dicke Flossen, die möglicherweise stark genug waren, um ihr Körpergewicht zu tragen, sodass sie sich im seichten Wasser abstützen oder am Boden entlang fortbewegen konnten; Gleichzeitig zeigten sich bei diesen Übergangsfischen auch deutlich differenzierte Hälse.
Stewart sagte, dies sei eine sehr interessante Periode in der Erdgeschichte, in der sich die ersten Wälder bilden und die Erde eine dramatische Neuordnung erlebe. Ein wichtiger Teil dieser Geschichte ist es, genau zu verstehen, wann und wie unsere Linie den Übergang vom Wasser zum Land vollzog und welche anatomischen Systeme sich veränderten. Interessanterweise spiegeln sich viele der Veränderungen, die vor etwa 380 Millionen Jahren in den Knochen stattfanden, auch heute noch in unserem eigenen Körper wider.
Zu dieser Art von Übergangsfischen gehört der Tiktaalik, dessen Fossilien auf Ellesmere Island am Polarkreis in Nunavut, Kanada, gefunden wurden. Stewart sagte, diese Materialmenge sei wichtig, da Tiktaalik einer der engsten Verwandten der Gliedmaßenwirbeltiere sei, und sie helfe uns, viele der Zwischenschritte beim Übergang zum Leben an Land zu rekonstruieren, etwa den Wechsel vom Saugen im Wasser zum Beißen an Land und vom Schwimmen zum Gehen.
Für die Vorfahren der Tetrapoden (Wirbeltiere mit vier Gliedmaßen) hat die Möglichkeit, nach unten oder zur Seite schauen zu können, möglicherweise dabei geholfen, Nahrung zu finden und Raubtieren im seichten Wasser oder an Land auszuweichen. Die Wissenschaftler kamen daher zu dem Schluss, dass unabhängige Kopfbewegungen in einer solchen Umgebung möglicherweise von größerem Wert sind als in tiefem Wasser. Stewart sagte, Tiktaalik sei erstmals im Jahr 2006 beschrieben worden und seit Jahrzehnten gehe man vernünftigerweise davon aus, dass diese Trennung von Kopf und Schultern dem Kopf eine größere Bewegungsfreiheit ermöglicht habe. Daher war zumindest bisher die Hypothese vorherrschend, dass „die Beweglichkeit des Halses die evolutionäre Triebkraft für diese Veränderung in der Körperstruktur von Tetrapoden ist“.
Um diese Erklärung zu testen, muss man eine Wirbelsäule rekonstruieren, die sich von der der meisten Wirbeltiere heute unterscheidet. Frühe Tetrapoden und ihre Verwandten hatten ein stäbchenförmiges Gewebe namens Chorda, das sich über die gesamte Länge ihrer Stacheln erstreckte; Ihre Wirbel waren sehr klein und um diese riesige Masse an Weichgewebe herum angeordnet, und ihr mechanisches Verhalten unterschied sich stark von den Gelenken zwischen den Wirbeln moderner Tiere. Stewart erklärt, dass die Stacheln von Fischen, die diese Veränderungen durchmachen, größtenteils aus Weichgewebe bestehen, das sich in Fossilien nicht so leicht konservieren lässt wie Knochen. In diesem Fall können moderne Tiere als Verweis auf die Vergangenheit herangezogen werden, ebenso wie lebende Vögel uns helfen, ausgestorbene Dinosaurier zu verstehen.
Stacheln, die um eine Chorda herum gebaut sind, sind heute selten, waren aber in der Geschichte des Lebens einst häufig anzutreffen. Der Stör, ein entfernt verwandter Fisch, der aufgrund seiner ursprünglichen Merkmale manchmal als „lebendes Fossil“ bezeichnet wird, hat noch immer diese Wirbelsäule, was ihn zu einem nützlichen Objekt für die Untersuchung mechanischer Eigenschaften macht, die dem Fossil fehlen. „Wir wollen verstehen, wie diese frühen vierbeinigen Tiere lebten und wie sich dies in den Veränderungen ihres Körpers widerspiegelte“, sagte Stewart. Es ist sehr schwierig zu rekonstruieren, wo ein Tier lebt, wie es sich bewegt und wie es sich verhält. Das Besondere an dieser Studie ist, dass sie Fossiliendaten mit Studien an lebenden Tieren kombiniert, um zu rekonstruieren, was die beobachteten anatomischen Veränderungen aus mechanischer und funktioneller Sicht für ihr Verhalten bedeuten.
Die Forscher haben die Steifheit der Chorda moderner Störe gemessen und diese Materialeigenschaften dann auf Halsmodelle früher Tetrapoden und Übergangsverwandter wie Tiktaalik angewendet, um zu testen, ob die Trennung der Schultern vom Schädel angesichts der vorhandenen Wirbelsäulenstruktur tatsächlich eine freie Bewegung des Kopfes ermöglichen würde. Dana Konessel, die Erstautorin des Artikels und Postdoktorandin an der Universität Uppsala in Schweden, sagte, sie habe diese Studie durchgeführt, um herauszufinden, welche Auswirkungen diese anatomische Veränderung auf diese Tiere hatte. Die Wirbelsäulenstruktur von Stören ähnelt der der frühen Tetrapoden, scheint jedoch nicht besonders steif zu sein. Daher war sie überrascht, als sie feststellte, dass fast allen dieser Tiere nach der Modellierung eine nennenswerte Kopfbeweglichkeit fehlte.
Diese Schätzungen berücksichtigen nur die Wirbelsäule selbst. Muskeln, Haut und die in der Haut eingebetteten Knochen vieler dieser Tiere können die Bewegung weiter einschränken, was bedeutet, dass der Bewegungsbereich des Halses eines echten Tieres möglicherweise kleiner ist, als das Modell vermuten lässt. Diese Tiere heben ihren Kopf nicht mehr als Fische, manchmal sogar weniger, und die Art der Kopfdrehung, die wir machen können, wenn wir den Kopf schütteln, ist bei diesen Tieren nicht möglich, sagte Konessel.
Da der Kopf wenig Raum für zusätzliche Bewegungen gewann, vermuten die Forscher, dass die Entstehung eines unabhängigen Halses eher das Ergebnis anatomischer Veränderungen im Zusammenhang mit der Fortbewegung der Vorderbeine ist, wobei die größere Flexibilität eher ein späterer Vorteil als ein Vorteil war, der ursprünglich zur Trennung von Kopf und Schultern führte. „Wir wissen, dass Tetrapoden schließlich eine größere Halsbeweglichkeit erlangten, was letztendlich eindeutig von Vorteil war, aber frühe Tetrapoden konnten diesen Vorteil aufgrund anatomischer Einschränkungen nicht genießen“, sagte Konessel.
Der Artikel trägt den Titel „Modeling Neck Mobility in Early Tetrapods Using Existing Analogies“ und zu den Autoren gehören Dana E. Cornesel, Cassandra M. Donatelli, Han Linfang, Thomas A. Stewart, Andrew L. Traynor, Benjamin K. A. Otto, Marcos Martinez, Tetsuo Miyashita, Emily M. Standen und Hilary C. Martin. Die Forschung wurde durch einen Steven Cohen Student Research Award der Society of Vertebrate Paleontology und Mittel des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada unterstützt.
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