Der Aufstieg der Tetrapoden (viergliedrige Wirbeltiere) ist einer der ikonischen evolutionären Übergänge, die im Fossilienbestand erhalten sind. Diese Tiere, die vor etwa 385 bis 320 Millionen Jahren während der Devon- und Karbonperioden der Erdgeschichte lebten, bereiteten die Voraussetzungen für die Evolution und Diversifizierung aller anderen terrestrischen Wirbeltiere, wie wir sie heute kennen, einschließlich Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere wie Menschen.
Es wurde lange angenommen, dass diese frühen Tiere ihr ganzes Leben lang sehr langsam wuchsen und nach und nach immer größer wurden, ähnlich wie ein moderner Salamander. Doch in einer neuen Studie in Kommunikationsbiologie Forscher des Department of Organismic and Evolutionary Biology (OEB) an der Harvard University, des Committee on Evolutionary Biology (CEB) an der University of Chicago und des Field Museum of Natural History brachen den fossilen Femora (Oberschenkel)-Knochen einer Reihe von auf Wachstumsstadien des frühen Tetrapoden, Whatcheeria deltae, und fanden Beweise dafür, dass das Tier schnell ins Erwachsenenalter wuchs, was die herkömmliche Weisheit über das Wachstum von Tetrapoden in Frage stellte.
Die Hauptautorin Megan R. Whitney, ehemalige Postdoktorandin am OEB, und die leitende Autorin Professor Stephanie E. Pierce (OEB), Kuratorin für Vertebrate Paleontology im Museum of Comparative Zoology, haben frühe Tetrapoden untersucht, um besser zu verstehen, wie sie gewachsen sind, was hilfreich ist um mehr Klarheit in die Lebensgeschichte der Tiere zu bringen. „Die Untersuchung dieser Fossilien ist wie das Lesen eines Märchenbuchs, und wir versuchen, so viele Kapitel wie möglich zu lesen, indem wir uns ansehen, wie sich Jungtiere bis zum Erwachsenenalter entwickeln“, sagte Whitney, „weil Whatcheeria im Stammbaum der frühen Tetrapoden sitzt, den wir wollten Nehmen Sie dieses Tier ins Visier und schauen Sie sich sein Märchenbuch in verschiedenen Lebensphasen an.“
Die Seltenheit früher Tetrapodenproben im Fossilienbestand ist eine Herausforderung für Wissenschaftler, die oft mit unvollständigen fossilen Körpern oder Artengruppen arbeiten. Whatcheeria ist jedoch eine einzigartige Ausnahme, da es durch Hunderte von Knochen von mehreren Individuen unterschiedlicher Größe repräsentiert wird, die alle an einem Ort in Iowa aufbewahrt wurden. „Whatcheeria ist einer der Stars unserer paläontologischen Sammlung“, sagte Co-Autor Dr. Ken Angielczyk, MacArthur-Kurator für Paläomammologie am Field Museum. „Er ist einer der am besten vertretenen frühen Tetrapoden im Fossilienbestand, und die Fülle an Material lässt uns Fragen zu seiner Biologie stellen, die für fast alle seiner Zeitgenossen unmöglich sind.“
Whatcheeria ähnelte einem übergroßen Salamander mit robusten Beinen und Armen, die sein Gewicht an Land trugen, hatte aber andere anatomische Merkmale, die darauf hindeuten, dass er immer noch an Wasser gebunden war. Whatcheeria lebte vor etwa 331 bis 326 Millionen Jahren an den Rändern eines terrestrischen Tieflandsees an der Schnittstelle von Wasser und Land, was darauf hindeutet, dass diese Tiere Zeit sowohl in aquatischen als auch in terrestrischen Lebensräumen verbrachten.
Der Co-Autor Benjamin KA Otoo (CEB) und Angielczyk stellten neun repräsentative Proben zur Verfügung, die die bekannten Größenklassen von Whatcheeria vom Jungtier bis zum Erwachsenen umfassen. Whitney und Pierce machten dann hauchdünne Scheiben des Fossils, um die mikroskopische Struktur des Knochengewebes in den Oberschenkelknochen (Femora) zu untersuchen, indem sie die Scheiben unter ein Mikroskop mit polarisiertem Licht legten. Als sie die jugendliche Knochenprobe aufbrachen und untersuchten, fanden sie Hinweise auf fibrolamellären Knochen, der primäres Knochengewebe ist, das mit schnellem Wachstum verbunden ist.
„Ich habe eine sehr deutliche Erinnerung daran, wie ich mit Stephanie auf Slack gesprungen bin [Pierce] und dies zu sagen, bricht alle Regeln, die wir uns für die Wachstumsentwicklung dieser frühen Tetrapoden ausgedacht haben“, sagte Whitney.
Pierce und Whitney erinnerten sich an einen ihrer frühere Studien auf dem Tetrapoden Greererpeton, einem etwas jüngeren frühen Tetrapoden aus dem Karbon, der eine ganz andere Wachstumsstrategie von mäßigem Wachstum mit einer Phase ohne Wachstum über einen längeren Zeitraum zeigte. Sie vermuteten, dass dies auf die Migration des Tieres zwischen Gewässern zurückzuführen sein könnte.
„Wir haben dies bei mehreren Individuen von Greererpeton gesehen, und als wir uns die Knochen von Whatcheeria ansahen und wieder etwas völlig anderes fanden, wussten wir, dass diese Tiere und ihre Lebensgeschichte von ihren Wechselwirkungen mit ihrer Umwelt und ihren Plätzen in ihren alten Ökosystemen beeinflusst werden müssen “, sagte Pierce.
Whatcheeria ist eines der größten Tiere, die aus der Fossilienfundstelle in Iowa geborgen wurden. Die große Größe in Kombination mit dem Nachweis von fibrolamellarem Knochen veranlasste die Forscher zu der Hypothese, dass Whatcheeria möglicherweise schnell gewachsen ist, um schnell die Größe zu erreichen, die erforderlich ist, um in seiner Umgebung ein Top-Raubtier zu sein.
„Wenn Sie ein Top-Raubtier sein wollen, ein sehr großes Tier, kann es ein Wettbewerbsvorteil sein, schnell groß zu werden, da es einfacher ist, andere Tiere zu jagen, und es für andere Raubtiere schwieriger ist, Sie zu jagen“, sagte Pierce. „Es kann auch eine vorteilhafte Überlebensstrategie sein, wenn man in unvorhersehbaren Umgebungen lebt, wie dem von Whatcheeria bewohnten Seensystem, das saisonale Sterbeperioden durchmachte.“
Die Annahme war immer, dass nur Amnioten (Reptilien, Vögel und Säugetiere) fibrolamellären Knochen ablagerten, was mit schnellem Wachstum vereinbar ist, und dass langsames Wachstum für Tetrapoden Vorfahren war. Aber wie Whitney und Pierce entdeckten, entwickelte sich dieser Knochengewebetyp in der Nähe des Ursprungs der ersten Tetrapoden, viel früher als irgendjemand jemals erwartet hatte.
„Die erhöhten Wachstumsraten von Whatcheeria als Jungtier zeigen uns, dass ein langsames und stetiges Wachstum im Laufe des Lebens möglicherweise nicht der angestammte Zustand aller Tetrapoden ist“, sagte Whitney, „und dieser Befund trägt zu der Vielfalt der Muster bei, die wir sehen, wenn wir weitere Proben nehmen immer mehr frühe Tetrapoden. Wir sehen, dass sie nicht alle langsame, träge Tiere sind, sondern für sich genommen unglaublich vielfältig sind.“
Whitney, derzeit Assistenzprofessor an der Loyola University Chicago, und Pierce planen, die Mikrostruktur des Knochengewebes früher Tetrapoden weiter zu untersuchen, um ihre Lebensgeschichte und ihre Beziehung zu ihrer ökologischen Nische aufzudecken, wobei sie sich speziell an Tiere richten, die früher im Fossilienbestand als Whatcheeria gefunden wurden. „Wir haben vor Kurzem mithilfe fortschrittlicher Synchrotron-Technologie knochenhistologische Daten zu einem Verwandten von Whatcheeria gesammelt“, sagte Pierce, „und unsere spannenden vorläufigen Ergebnisse weisen auf eine weitere unerwartete Wachstumsstrategie hin.“
Mehr Informationen:
Fossile Knochenhistologie enthüllt uralte Ursprünge für schnelles juveniles Wachstum bei Tetrapoden, Kommunikationsbiologie (2022). DOI: 10.1038/s42003-022-04079-0