Was hat eine Maus mit einem Knorpelfisch zu tun, der als kleiner Rochen bezeichnet wird?
Auf den ersten Blick mag man nicht viel denken. Man ist flauschig, mit großen Ohren und Schnurrhaaren; der andere atmet mit Kiemen und kräuselt sich um den Ozean. Eines ist ein Labortier oder ein Haushaltsschädling; Der andere ist am wahrscheinlichsten in freier Wildbahn oder am Boden eines flachen Beckens in einem Aquarium zu sehen. Es stellt sich jedoch heraus, dass diese beiden Wirbeltiere eines gemeinsam haben: die Fähigkeit zu laufen. Und der Grund, warum sich unser Denken über die Entwicklung des Gehens in Landtieren - einschließlich Menschen - ändern könnte.
Eine neue genetische Studie von Wissenschaftlern der New York University enthüllt etwas Überraschendes: Wie Mäuse besitzen kleine Rochen die genetische Blaupause, die das von vierbeinigen Landtieren verwendete alternierende Bewegungsmuster von rechts nach links ermöglicht. Diese Gene wurden von einem gemeinsamen Vorfahren weitergegeben, der vor 420 Millionen Jahren lebte, lange bevor die ersten Wirbeltiere jemals vom Meer an die Küste krochen.
Mit anderen Worten, einige Tiere hatten möglicherweise die Nervenbahnen, die zum Laufen notwendig waren, noch bevor sie an Land lebten.
Die neue Studie wurde heute in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht und begann mit einer grundlegenden Frage: Wie haben sich verschiedene motorische Verhaltensweisen bei verschiedenen Arten im Laufe der Zeit entwickelt oder verändert? Der Autor Jeremy Dasen, außerordentlicher Professor am NYU Neuroscience Institute, hatte zuvor an der Bewegung von Schlangen gearbeitet. Nachdem er Neil Shubins Buch Your Inner Fish: Eine Reise in die 3, 5 Milliarden Jahre alte Geschichte des menschlichen Körpers gelesen hatte, war er inspiriert, sich mit Schlittschuhen zu beschäftigen, wusste aber nicht, wo er anfangen sollte.
"Ich hatte keine Ahnung, wie ein Skate aussieht", sagt Dasen. „Ich hatte es schon einmal in einem Restaurant gegessen. Also habe ich das getan, was jeder tut, und bin zu Google gegangen, um Videos von Skates zu finden. “Eines der ersten Dinge, die er fand, war ein Youtube-Video eines Clearnose-Skates, der sich mit Gehverhalten befasst. „Ich dachte, wow, das ist echt cool! Wie macht es das? “, Sagt er.
Dasen und andere versuchten es mit Schlittschuhen herauszufinden, die vom Marine Biological Laboratory in Woods Hole gesammelt worden waren. Erstens die Grundlagen: Kleine Schlittschuhe sind Grundbewohner, die an der gesamten Ostküste im Atlantik leben. Sie haben eigentlich keine Beine und ihr Gehen sieht nicht aus wie ein Mensch, der spazieren geht. Was sie verwenden, sind vordere Beckenflossen, die "Crus" genannt werden und sich unter der viel größeren, rautenförmigen, segelartigen Flosse befinden, die beim Schwimmen wellenförmig ist.
Wenn sie fressen oder sich langsamer bewegen müssen, bewegen sie sich abwechselnd von links nach rechts am Meeresboden entlang. Von unten sieht es fast so aus, als würden kleine Füße den Skate nach vorne treiben.
Dasen und sein Team interessierten sich jedoch nicht nur für die Biomechanik. Sie wollten die Gene identifizieren, die die motorischen neuronalen Bahnen für das Gehen mit Schlittschuhen steuern.
Beim Aufbau eines Wirbeltiers beginnen Genetiker häufig mit Hox-Genen, die eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Körperplans eines Organismus spielen. Wenn die Gene ausgeknockt oder fehlgeordnet sind, kann dies eine Katastrophe für das Tier bedeuten (wie in dem Experiment, bei dem eine Fliege Beine anstatt Antennen auf dem Kopf wachsen ließ, nachdem Wissenschaftler absichtlich bestimmte Hox-Gene ausgeknockt haben).
Dasen und seine Kollegen untersuchten auch einen genetischen Transkriptionsfaktor namens Foxp1, der sich in Tetrapoden am Rückenmark befindet. Die vereinfachte Erklärung ist, dass es funktioniert, indem Motoneuronen ausgelöst werden, die die Gehbewegung ermöglichen.
"Wenn Sie [Foxp1] in Modellorganismen wie Mäusen ausschalten, haben sie die Fähigkeit verloren, ihre Gliedmaßenmuskeln zu koordinieren", sagt Dasen. "Sie haben eine schwere Art von motorischer Diskoordination, die sie am normalen Gehen hindert." Es ist nicht so, dass die Mäuse ohne Foxp1 nicht über die zum Gehen erforderlichen Gliedmaßen oder Muskeln verfügen - sie haben ihre Schaltkreise einfach nicht richtig dafür verdrahtet.
Diese Kombination von Genen in kleinen Schlittschuhen, die es ihnen ermöglicht, sich auf der Suche nach dem Abendessen über den Meeresboden zu begeben, geht auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück, der vor 420 Millionen Jahren lebte - eine Überraschung für die Forscher, da die Fähigkeit zu laufen gedacht wurde nach dem Übergang vom Meer an Land zu kommen begann, nicht vor. Die Tatsache, dass solche genetischen Merkmale so lange Bestand hatten und sich auf so einzigartige Weise über verschiedene Arten hinweg entwickelten, trug nur zur Aufregung von Dasen bei.
"Es gibt eine Menge Literatur über die Entwicklung der Gliedmaßen, aber sie berücksichtigt nicht wirklich die neuronale Seite der Dinge, weil es viel schwieriger ist, sie zu studieren", sagt Dasen. „Es gibt keinen Fossilienbestand für Neuronen und Nerven. Es gibt viel bessere Möglichkeiten, die Evolution zu untersuchen, indem man sich knöcherne Strukturen ansieht. “
Viele Forscher haben in den Fossilienbeständen nach Einzelheiten über die frühesten Landbewohner gesucht. Es gibt Elginerpeton pancheni, einen frühen Tetrapoden, der vor etwa 375 Millionen Jahren außerhalb des Ozeans lebte. Und dann ist da noch Acanthostega, ein anderes uraltes Wirbeltier, das Wissenschaftler kürzlich analysiert haben, um mehr über das Wachstum von Gliedmaßen und die Geschlechtsreife zu erfahren.
In der Zwischenzeit haben andere Biologen Hinweise gefunden, indem sie sich einige der verrücktesten Fische angesehen haben, von denen viele uralte Abstammungslinien haben. Einige haben sich Coelacanths und Sarkopterygians oder Lungenfische angesehen (letztere verwenden ihre Beckenflossen, um sich in einer Bewegung wie beim Gehen zu bewegen). Andere haben die Bishr-Bewegung untersucht. Die afrikanische Fischart ist sowohl mit Lungen als auch mit Kiemen ausgestattet, sodass sie aus dem Wasser überleben kann - und sie bewegt sich ähnlich wie zu Fuß, wenn sie gezwungen wird, an Land zu leben Andere.
Standen sagt, sie bewundere die neuen Forschungen über kleine Schlittschuhe sehr. "Ich hätte erwartet, dass es eine gewisse Ähnlichkeit [in den Systemen hinter den Bewegungen verschiedener Tiere] gegeben hätte, aber die Tatsache, dass es so nah ist wie es ist, war eine schöne Überraschung", sagt sie. "Es spricht dafür, woran ich sehr stark glaube, dass das Nervensystem und wie es sich entwickelt und funktioniert, sehr flexibel ist."
Diese Flexibilität war eindeutig der Schlüssel in der Evolutionsgeschichte. Dank dieses 420 Millionen Jahre alten Vorfahren haben wir jetzt alles, von schwimmenden Fischen über Schlangen, Mäuse bis hin zu Schlittschuhen, die eine Kombination von Bewegungen verwenden - wobei das Foxp1-Gen je nach dem exprimiert oder unterdrückt wird Der einzigartige Körperplan und die Fortbewegung des Tieres.
Und jetzt, da wir ein wenig mehr darüber wissen, was diese Bewegung in Schlittschuhen steuert, ist es möglich, dass Wissen einen zukünftigen Nutzen für das Verständnis des Bipedalismus beim Menschen haben könnte.
„Das Grundprinzip, nach dem Motoneuronen mit verschiedenen Schaltkreisen verbunden sind, ist [in komplexen Organismen] nicht wirklich geklärt. Mit dem Rollschuh lässt sich das also in einem vereinfachten System betrachten“, sagt Dasen. Aber er will sich nicht zu weit voraussagen, was das für die Zukunft bedeuten könnte. Dasen hofft nur, dass die Leute beim Betrachten der Recherche einfach denken: „Gee whizz, das ist wirklich ordentlich. Sie können gehen! "
