Säugetiere, darunter auch Menschen, zeichnen sich durch ihre ausgeprägt aufrechte Haltung aus, ein Schlüsselmerkmal, das ihren spektakulären evolutionären Erfolg befeuerte. Doch die frühesten bekannten Vorfahren moderner Säugetiere ähnelten eher Reptilien, deren Gliedmaßen in ausgestreckter Haltung zur Seite ragten.
Der Wechsel von einer ausgestreckten Haltung, wie sie bei Eidechsen vorkommt, zur aufrechten Haltung moderner Säugetiere, wie bei Menschen, Hunden und Pferden, markierte einen entscheidenden Moment in der Evolution.
Dabei kam es zu einer umfassenden Neuordnung der Anatomie und Funktion der Gliedmaßen in den Synapsiden – der Gruppe, zu der sowohl Säugetiere als auch ihre Vorfahren gehören, die keine Säugetiere sind –, die schließlich zu den Therian-Säugetieren (Beuteltieren und Plazentatieren) führte, die wir heute kennen. Trotz mehr als hundertjähriger Forschung ist das genaue „Wie“, „Warum“ und „Wann“ hinter diesem Evolutionssprung immer noch unklar.
Nun, in einer Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte, Harvard-Forscher liefern neue Einblicke in dieses Rätsel und zeigen, dass der Wechsel von einer ausgestreckten zu einer aufrechten Haltung bei Säugetieren alles andere als einfach war.
Mithilfe modernster Methoden, die Fossiliendaten mit fortschrittlicher biomechanischer Modellierung kombinieren, stellten die Forscher fest, dass dieser Übergang überraschend komplex und nichtlinear war und viel später erfolgte als bisher angenommen.
Der Hauptautor Dr. Peter Bishop, ein Postdoktorand, und die leitende Autorin Professorin Stephanie Pierce, beide in der Abteilung für Organismische und Evolutionsbiologie in Harvard, untersuchten zunächst die Biomechanik von fünf modernen Arten, die das gesamte Spektrum der Körperhaltungen der Gliedmaßen repräsentieren, darunter a Tegu-Eidechse (ausgestreckt), ein Alligator (halb aufrecht) und ein Windhund (aufrecht).
„Durch die erste Untersuchung dieser modernen Arten haben wir unser Verständnis darüber, wie die Anatomie eines Tieres mit der Art und Weise zusammenhängt, wie es steht und sich bewegt, erheblich verbessert“, sagte Bishop. „Wir könnten es dann in einen evolutionären Kontext stellen, wie sich Haltung und Gang tatsächlich von den frühen Synapsiden bis hin zu modernen Säugetieren veränderten.“
Die Forscher erweiterten ihre Analyse auf acht beispielhafte fossile Arten aus vier Kontinenten, die sich über 300 Millionen Jahre Evolution erstrecken. Die Arten reichten vom 35 g schweren Ursäugetier Megazostrodon bis zum 88 kg schweren Ophiacodon und umfassten ikonische Tiere wie den segelgestützten Dimetrodon und den Säbelzahn-Raubtier Lycaenops.
Unter Verwendung physikalischer und technischer Prinzipien erstellten Bishop und Pierce digitale biomechanische Modelle darüber, wie Muskeln und Knochen miteinander verbunden sind. Mit diesen Modellen konnten Simulationen erstellt werden, die ermittelten, wie viel Kraft die Hinterbeine (Hinterbeine) auf den Boden ausüben konnten.
„Die Kraft, die ein Glied auf den Boden ausüben kann, ist ein entscheidender Faktor für die Bewegungsleistung bei Tieren“, sagte Bishop. „Wenn Sie bei Bedarf nicht genügend Kraft in eine bestimmte Richtung aufbringen können, können Sie nicht so schnell rennen, sich nicht so schnell umdrehen oder, noch schlimmer, Sie könnten umfallen.“
Die Studie umfasste die Digitalisierung der fossilen Skelette ausgestorbener Synapsiden, die Erstellung digitaler biomechanischer Modelle des Bewegungsapparates der Hinterbeine und die Verwendung dieser Modelle zur Berechnung der Fähigkeit der Gliedmaßen, Kraft in verschiedene Richtungen auf den Boden auszuüben. Das Ergebnis ist ein dreidimensionaler „möglicher Kraftraum“, der beschreibt, was die Extremität während der Fortbewegung leisten kann. Bildnachweis: Peter Bishop
Die Computersimulationen erzeugten einen dreidimensionalen „realisierbaren Kraftraum“, der die gesamte funktionelle Leistung einer Gliedmaße erfasst. „Die Berechnung möglicher Krafträume berücksichtigt implizit alle Wechselwirkungen, die zwischen Muskeln, Gelenken und Knochen in einer Gliedmaße auftreten können“, sagte Pierce.
„Dies gibt uns einen klareren Blick auf das Gesamtbild, eine ganzheitlichere Sicht auf die Funktion und Fortbewegung der Gliedmaßen und wie sie sich über Hunderte von Millionen Jahren entwickelt haben.“
Während das Konzept eines realisierbaren Kraftraums (entwickelt von biomedizinischen Ingenieuren) bereits seit den 1990er Jahren existiert, ist diese Studie die erste, die es auf den Fossilienbestand anwendet, um zu verstehen, wie sich ausgestorbene Tiere einst bewegten.
Die Autoren verpackten die Simulationen in neue „fossilfreundliche“ Rechenwerkzeuge, die anderen Paläontologen bei der Untersuchung ihrer eigenen Fragen helfen können. Diese Werkzeuge könnten Ingenieuren auch dabei helfen, bessere bioinspirierte Roboter zu entwickeln, die sich in komplexem oder instabilem Gelände zurechtfinden.
Die Studie enthüllte mehrere wichtige „Signale“ der Fortbewegung, darunter die Tatsache, dass die Gesamtkrafterzeugungsfähigkeit der modernen Spezies rund um die Körperhaltungen maximal war, die jede Spezies in ihrem täglichen Verhalten einnahm. Dies bedeutete vor allem, dass Bishop und Pierce sicher sein konnten, dass die für die ausgestorbenen Arten erzielten Ergebnisse tatsächlich deren Haltung und Bewegung zu Lebzeiten widerspiegelten.
Nach der Analyse der ausgestorbenen Arten stellten die Forscher fest, dass die Bewegungsleistung im Laufe von Millionen von Jahren ihren Höhepunkt erreichte und wieder abnahm, anstatt sich auf einfache, lineare Weise von der ausgestreckten Haltung zur aufrechten Haltung zu entwickeln.
Einige ausgestorbene Arten schienen auch flexibler zu sein – sie waren in der Lage, zwischen einer ausgestreckteren und einer aufrechteren Haltung hin und her zu wechseln, wie es moderne Alligatoren und Krokodile tun. Während andere vor der Entwicklung der Säugetiere eine starke Umkehr hin zu einer ausgestreckteren Haltung zeigten.
In Kombination mit den anderen Ergebnissen der Studie deutete dies darauf hin, dass sich die Merkmale, die mit der aufrechten Haltung der heutigen Säugetiere verbunden sind, viel später entwickelten als bisher angenommen, höchstwahrscheinlich in der Nähe der gemeinsamen Vorfahren der Therianer.
Diese Erkenntnisse tragen auch dazu bei, mehrere ungelöste Probleme im Fossilienbestand in Einklang zu bringen. Es erklärt beispielsweise das Fortbestehen asymmetrischer Hände, Füße und Gliedmaßengelenke bei vielen Vorfahren von Säugetieren, Merkmale, die bei modernen Tieren typischerweise mit einer ausgestreckten Körperhaltung in Verbindung gebracht werden.
Dies kann auch erklären, warum Fossilien früher Säugetiervorfahren häufig in einer gequetschten, ausgestreckten Adlerhaltung gefunden werden – eine Haltung, die eher mit ausgestreckten Gliedmaßen erreicht wird, während moderne Plazenta- und Beuteltierfossilien typischerweise auf der Seite liegend gefunden werden.
„Als Wissenschaftler ist es sehr erfreulich, wenn eine Reihe von Ergebnissen dazu beitragen kann, andere Beobachtungen zu beleuchten und uns einem umfassenderen Verständnis näher zu bringen“, sagte Bishop.
Pierce, dessen Labor die Entwicklung des Körperbauplans von Säugetieren seit fast einem Jahrzehnt untersucht, stellt fest, dass diese Ergebnisse mit Mustern übereinstimmen, die in anderen Teilen des Synapsidkörpers, wie der Wirbelsäule, beobachtet werden.
„Es zeichnet sich das Bild ab, dass die vollständige Ergänzung der typisch therianischen Merkmale über einen komplexen und langen Zeitraum zusammengestellt wurde, wobei die vollständige Suite erst relativ spät in der Geschichte der Synapsiden erreicht wurde“, sagte sie.
Über Säugetiere hinaus legt die Studie nahe, dass einige wichtige evolutionäre Übergänge, wie der Übergang zu einer aufrechten Haltung, oft komplex waren und möglicherweise durch Zufallsereignisse beeinflusst wurden. Beispielsweise scheint die starke Umkehrung der Synapsenhaltung hin zu einer ausgestreckteren Haltung mit dem Massensterben im Perm und der Trias zusammenzufallen, als 90 % des Lebens ausgelöscht wurden.
Dieses Aussterben führte dazu, dass andere Gruppen wie die Dinosaurier zu den dominierenden Tiergruppen an Land wurden und die Synapsiden wieder in den Schatten drängten. Die Forscher spekulieren, dass sich aufgrund dieser „ökologischen Marginalisierung“ der Evolutionsverlauf der Synapsiden möglicherweise so stark verändert hat, dass sich dadurch auch die Art und Weise änderte, wie sie sich bewegten.
Unabhängig davon, ob sich diese Hypothese als bestätigt erweist oder nicht, ist das Verständnis der Entwicklung der Körperhaltung von Säugetieren seit langem ein komplexes Rätsel. Pierce betonte, wie Fortschritte in der Rechenleistung und der digitalen Modellierung den Wissenschaftlern neue Perspektiven für die Lösung dieser alten Geheimnisse eröffnet haben.
„Der Einsatz dieser neuen Techniken mit alten Fossilien ermöglicht uns einen besseren Einblick in die Entwicklung dieser Tiere und zeigt, dass es sich nicht nur um eine einfache, lineare Evolutionsgeschichte handelt“, sagte sie. „Es war wirklich kompliziert und diese Tiere lebten und bewegten sich wahrscheinlich in ihrer Umgebung auf eine Weise, die wir vorher nicht gekannt hatten. Es ist viel passiert und Säugetiere sind heute wirklich etwas ganz Besonderes.“
Weitere Informationen:
Peter Bishop, Später Erwerb einer aufrechten Hinterbeinhaltung und -funktion bei den Vorläufern der Therian-Säugetiere, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adr2722. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2722