Was gibt es Neues unter der Sonne? Forscher bieten eine alternative Sicht darauf, wie sich „neuartige“ Strukturen entwickeln

Viele Krebstiere, einschließlich Hummer, Krabben und Seepocken, haben eine umhangartige Schale, die aus dem Kopf herausragt und verschiedene Funktionen erfüllen kann, wie z. B. eine kleine Höhle zum Aufbewahren von Eiern oder ein Schutzschild, um die Kiemen feucht zu halten.

Diese Schale (Panzer), so wurde vorgeschlagen, hat sich nicht aus einer ähnlichen Struktur im Vorfahren der Krebstiere entwickelt, sondern ist de novo (oder aus heiterem Himmel) durch eine etwas zufällige Kooption der Gene entstanden, die auch Insektenflügel spezifizieren.

In einer neuen Studie des Marine Biological Laboratory (MBL) liefern die wissenschaftliche Mitarbeiterin Heather Bruce und der Direktor Nipam Patel jedoch Beweise für eine alternative Sichtweise: Der Panzer, zusammen mit anderen plattenartigen Strukturen in Arthropoden (Krebstiere, Insekten, Spinnentiere und Myriapoden) haben sich alle aus einem seitlichen Beinlappen eines gemeinsamen Vorfahren entwickelt.

Diese Beweise stützen ihren Vorschlag für ein neues Konzept, wie sich neuartige Strukturen entwickeln – eines, das darauf hindeutet, dass sie doch nicht so neuartig sind. Die Studie über den Panzer des Krebstiers Daphnia erscheint online in Aktuelle Biologie.

„Wie neuartige Strukturen entstehen, ist eine zentrale Frage der Evolution“, sagt Bruce. „Die vorherrschende Idee, die als Gen-Kooption bezeichnet wird, ist, dass Gene, die in einem Zusammenhang funktionieren, um beispielsweise Insektenflügel herzustellen, in einem nicht verwandten Zusammenhang landen, wo sie beispielsweise einen Panzer bilden“, sagt Bruce. „Aber hier zeigen wir, dass der Daphnia-Panzer nicht einfach aus dem Nichts aufgetaucht ist.“

Sie schlagen vielmehr vor, dass der plattenartige Beinlappen der Vorfahren, der sich sowohl zum Flügel als auch zum Panzer entwickelte, wahrscheinlich beim Vorfahren aller lebenden Arthropoden vorhanden war. Aber weil die Flügel und der Panzer so anders aussehen als diese Ahnenplatte und andere Platten in benachbarten Arthropodenlinien, erkannte niemand, dass sie alle dasselbe waren.

„Wir beginnen zu erkennen, dass Strukturen, die nicht gleich aussehen – Flügel, Panzer, Tergalplatten – tatsächlich homolog sind“, sagt Bruce. „Das deutet darauf hin, dass sie einen einzigen Ursprung haben, der viel älter ist, als irgendjemand gedacht hätte, weit zurück in die kambrische Zeit, [500 million] Jahre zuvor.“

Es war die ganze Zeit da (kryptische Persistenz)

Bruce nennt ihr Modell dafür, wie neuartige Strukturen entstehen, „kryptische Persistenz serieller Homologe“.

„Serielle Homologe sind Dinge wie Hände und Füße oder die Wirbel unserer Wirbelsäule oder die vielen Beine, die sich am Körper eines Tausendfüßlers wiederholen“, sagt sie. „Das [repeats] können wirklich unterschiedlich aussehen, aber Sie können Ähnlichkeiten erkennen, und sie sind alle auf der Grundlage derselben anfänglichen genetischen Wege aufgebaut. In einigen Fällen wächst die vollständige Struktur nicht heraus – Sie können ein abgeschnittenes Tausendfüßlerbein bekommen, oder es ist wirklich subtil und winzig. Obwohl die Zellen darauf programmiert wurden, das Bein zu formen, wachsen sie nicht wirklich aus dem Bein heraus.“

Nach Ansicht von Bruce können diese ruhenden Rudimente – Beine, Platten usw. – über Millionen von Jahren bestehen bleiben, solange eine andere Wiederholung der Struktur noch irgendwo anders im Tier vorhanden ist. Und wenn die Zeit reif ist, kann die Struktur wieder herauswachsen und bei verschiedenen Arten unterschiedliche Formen annehmen – beispielsweise ein Flügel bei einem Insekt oder ein Panzer bei einem Krebstier.

„Wenn eine Ahnenstruktur nicht mehr benötigt wird, kürzt oder reduziert die Natur dieses Gewebe wahrscheinlich nur, anstatt es vollständig zu löschen. Aber das Gewebe ist immer noch da und kann in späteren Abstammungslinien erneut ausgearbeitet werden und erscheint uns neuartig“, sagt Bruce .

„Diese Art der Verkürzung ist wahrscheinlich in der Evolution üblich, weil genetische Netzwerke so voneinander abhängig sind“, erklärt Bruce. „Wenn ein genetischer Weg oder ein Gewebe gelöscht würde, wäre ein anderer Weg oder ein anderes Gewebe betroffen.“

„Ich denke, kryptische Persistenz kann eine Erklärung für viele ‚neuartige‘ Strukturen sein“, sagt Bruce.

Die Autoren zogen ihre Schlussfolgerungen, indem sie Genexpressionsmuster in mehreren Arthropodenarten analysierten und andere Hypothesen darüber, wie sich der Panzer entwickelt haben könnte, eliminierten.

„Der alte, gemeinsame Ursprung all dieser plattenartigen Strukturen [in arthropods] legt nahe, dass die Gennetzwerke, die diese Strukturen bilden, sehr evolvierbar und plastisch sind. Sie sind in der Lage, eine unglaubliche Menge an Vielfalt zu erzeugen“, sagt Bruce.