Die 3D-Konservierung von Weichgeweben von Trilobiten gibt Aufschluss über die konvergente Entwicklung der defensiven Registrierung

Sie befanden sich seit ihrer ersten Entdeckung in den 1870er Jahren in den Sammlungen des Harvard Museum of Comparative Zoology (MCZ). Eingebettet in die größte Sammlung von Trilobiten ruhten die einzigartigen Fossilien in Schubladen, bis Sarah Losso, Ph.D. Kandidatin am Department of Organismic and Evolutionary Biology (OEB) in Harvard, begann im Rahmen ihrer Dissertation, die Sammlung von Trilobiten zu durchforsten.

„Ich habe meine Doktorarbeit damit begonnen, all diese dünnen Abschnitte von Trilobiten durchzugehen, sie abzubilden und herauszufinden, was wir tatsächlich sehen können“, sagte Losso. „Und dann stieß ich auf etwas, das wir in Trilobitenfossilien nie sehen.“

In einer neuen Studie, veröffentlicht in Verfahren der Royal Society B, beschreibt Hauptautor Losso die ungewöhnlichen dreidimensionalen Trilobitenfossilien, die als Dünnschnitte präpariert wurden und die 3D-Weichgewebe während der Registrierung zeigen. Die Studie enthüllt die weichen Unterseiten eingerollter Trilobiten und den Evolutionsmechanismus, der es Arthropoden ermöglicht, ihren Körper zum Schutz vor Raubtieren und widrigen Umweltbedingungen einzurollen.

Trilobiten sind frühe Arthropoden aus dem Paläozoikum. Sie waren zahlreich und äußerst vielfältig, bis sie durch das Massensterben im Endperm ausgelöscht wurden. Trilobiten sind nach ihrem dreilappigen Körper benannt, der von einem haltbaren Außenskelett bedeckt ist, das mit leicht zu konservierendem Calcit angereichert ist. Damit sind Trilobiten ein ikonischer Teil des paläozoischen Fossilienbestands. Ihr segmentierter Körper verfügt über zahlreiche Gliedmaßenpaare, darunter ein Laufbein und eine Kieme zur Atmung. Im Gegensatz zu ihrem robusten Exoskelett sind ihre Unterseiten, einschließlich der Beine, viel weicher und versteinern daher selten, es sei denn, die perfekten Bedingungen sind gegeben. Trilobiten haben trotz ihrer Ähnlichkeit mit Pfeilschwanzkrebsen keine nahen Verwandten. Allerdings können Pfeilschwanzkrebse aufgrund ihres ähnlichen Lebensstils als nützlicher Vergleich dienen.

Die mit der Versteinerung von Weichgeweben verbundenen Herausforderungen machen die von Losso untersuchten Trilobiten noch spezieller. Die Fossilien stammen aus dem Mohawk-Stadium der Ordovizium-Zeit (vor 462–451 Millionen Jahren). Sie wurden im Walcott-Rust-Steinbruch im Norden des Bundesstaates New York in der Nähe von Trenton Falls entdeckt. eine Region, die ursprünglich vom Stamm der Irokesen bewohnt wurde. Der Steinbruch ist zum Teil nach dem Wissenschaftler Charles D. Walcott benannt, der in seiner Jugend die dort eingeschriebenen Trilobiten entdeckte, bevor er als Direktor der Smithsonian Institution den berühmten Burgess-Schiefer entdeckte.

Die Fossilien, die Walcott in den 1870er Jahren an das MCZ und das Smithsonian verkaufte, waren in einer Sedimentaufschlämmung eingeschlossen, die sich schnell den Hang hinunter bewegte und die Trilobiten begrub, was zur Erhaltung empfindlicher Gewebe führte, bevor der Verfall sie zerstörte. Das Besondere an ihnen ist, dass die Weichteile wie Beine und Fühler dreidimensional erhalten bleiben. Walcott untersuchte die Fossilien, indem er sie in hauchdünne Gesteinsscheiben schnitt und sie mit Balsamsaft auf Glasobjektträgern befestigte. Obwohl Walcott das Beste aus dem damals verfügbaren Material herausholte, erschwert Walcotts Präparationsmethode die Untersuchung der Fossilien, da 3D-Strukturen als 2D-Ebene betrachtet werden.

„Das waren die ersten bekannten vollständigen Trilobitenanhängsel“, sagte Losso. „Vor ihrer Entdeckung im späten 19. Jahrhundert wussten die Wissenschaftler vom Laufbein, aber nicht, wie die Kiemenzweige aussahen.“ Aufgrund der Umweltstörung meldeten sich die Trilobiten an, um ihre empfindlicheren Gliedmaßen zu schützen. Sedimente umgaben dann die Beine der teilweise eingerollten Trilobiten und bildeten einen Abdruck der äußeren Form, selbst während das Gewebe zerfiel.

Die Registrierung erfolgt in vielen verschiedenen Organismen. Es handelt sich um eine Verteidigungsstrategie für Tiere mit harten Exoskeletten und weicherem Gewebe an der Unterseite. Wir sehen eine Einschreibung bei modernen Tieren, einschließlich Pillenwanzen (Iseln), Pillentausendfüßlern (Tausendfüßern) und sogar Gürteltieren. Indem sie ihren Körper einordnen, können diese Tiere ihre empfindlichen Weichteile mit ihren harten Exoskeletten vor Raubtieren schützen. Bei modernen Landarthropoden kann es zudem vor Austrocknung und Feuchtigkeitsverlust schützen.

Während die Mechanismen der Registrierung von Trilobiten gut untersucht sind, wurden diese Beobachtungen nur durch die Untersuchung ihrer Exoskelette gemacht, da es an registrierten Fossilien mit Weichgewebekonservierung mangelt. Von den 20.000 Trilobitenarten weisen weniger als 40 Weichteilerhaltung auf. Und von diesen 40 sind bei den meisten nur Teile eines Beines oder einer Antenne erhalten. Nur ein Dutzend Arten kennen vollständige Anhängsel, die meisten davon sind jedoch als stark komprimierte, flache Fossilien erhalten, wie im Burgess-Schiefer aus British Columbia zu sehen ist.

„Diese Fossilien geben uns den ersten klaren Einblick in die dreidimensionale Organisation des Weichgewebes von Trilobiten sowie in die ersten Formen von Trilobiten in verschiedenen Stadien der Einschreibung, die es uns ermöglichten, tatsächlich zu sehen, wie sie ihre Gliedmaßen und andere Strukturen in der richtigen Reihenfolge bewegten.“ sich einzuschreiben“, sagte Losso.

Trilobiten und andere Arthropoden haben Reihen dorsaler Exoskelettplatten auf ihrem Rücken und ihrer Unterseite. Die Platten auf der Rückseite, Tergite genannt, sind verstärkt und viel größer als die Platten auf der Unterseite. Bei den Sterniten handelt es sich um eine Reihe starrer Platten entlang der Unterseite. Sie sind weicher und anfälliger für Zerfall und kommen daher im Fossilienbestand nur selten vor. Die Walcott-Rust-Fossilien hatten jedoch ventrale Strukturen einschließlich der Sternite und Gliedmaßen erhalten.

Obwohl die Sternite etwas weicher sind, sind sie zu lang und zu steif, als dass sich das Tier einschreiben könnte, wenn sie sich nicht beugen oder artikulieren können. Um dies zu umgehen, gleiten die Sternite tatsächlich in einer Tauchbewegung aneinander vorbei, ähnlich wie bei Fensterjalousien, wodurch sich ihr Körper zu einer Kugel zusammenzieht. Auch die Beine des Trilobiten haben sich an diese Bewegung angepasst, indem sie sich zu einer Keilform entwickelt haben, die wie Pizzastücke in der eingerollten Kugel zusammenpassen kann.

„Da der Teil des Beins, der am Körper befestigt ist, selten zu sehen ist, und schon gar nicht in 3D, stellten die Leute ihn häufig als ovalen oder quadratischen Querschnitt dar“, sagte Losso, „aber ovale oder quadratische Beine ließen das nicht zu.“ Flexibilität, die für die vollständige Einschreibung erforderlich ist.

Losso verglich die Walcott-Rust-Fossilien mit CT-Scans moderner Arthropoden von Tausendfüßlern, Asseln und Pfeilschwanzkrebsen, die ebenfalls in den MCZ-Sammlungen untergebracht waren. Losso fand heraus, dass moderne Arthropoden die gleiche Bewegung von Sterniten nutzten, die wir bei Trilobiten sehen, um ihren Körper zu registrieren. Trilobiten wurden im gesamten Paläozoikum gefunden. Die Anpassung an das Einrollen ermöglichte es ihnen, zu gedeihen, und sie entwickelten Strukturen, die das Einrollen unterstützen, wie z. B. die richtigen Proportionen und die richtige Anzahl von Segmenten im Bauchbereich, um den Körper eingerollt zu halten, sowie keilförmige Beine.

„Die Fossilien sind schon seit langem bekannt, aber niemand hatte gedacht, dass wir die ventralen Anpassungen für die Einschreibung anhand dieser wirklich großartigen Fossilien untersuchen könnten“, sagte Losso. „Diese Fossilien ermöglichten es uns, Trilobiten mit modernen Arthropoden zu vergleichen und zu erkennen, dass es angesichts des Arthropoden-Körperbaus eigentlich nur einen Weg gibt, die Registrierung zu erreichen. Es ist ein großartiges Beispiel für die konvergente Evolution zwischen all diesen verschiedenen Abstammungslinien und über einen riesigen Zeitraum hinweg.“ Wir sehen das im Ordovizium und heute. Es ist eine wichtige Überlebensstrategie, die auch heute noch floriert.“

„Sarahs Arbeit hat unser Verständnis einer wichtigen Verhaltensstrategie, die Trilobiten über 200 Millionen Jahre lang unglaublich erfolgreich gemacht hat, erheblich verbessert und außerdem neue Aufmerksamkeit auf die historischen Sammlungen von Walcott-Rust-Fossilien am MCZ gelenkt, die über 100 Jahre lang unerforscht blieben“, sagte leitender Autor Javier Ortega-Hernández, Assistenzprofessor für OEB und Kurator für Paläontologie der Wirbellosen am MCZ. „Die neuen Daten zur dreidimensionalen Morphologie von Trilobiten während der Registrierung werden es uns erstmals ermöglichen, diese komplexe Strategie genau zu modellieren und ein schönes Beispiel für konvergente Evolution in Aktion bei entfernt verwandten Arten darstellen.“