Lungenlose Salamander entwickeln trotz Lungenverlust bei Erwachsenen seit Millionen von Jahren Lungen als Embryonen

Lungen sind für viele Wirbeltiere einschließlich des Menschen unerlässlich. Vier lebende Amphibiengruppen haben jedoch unabhängig voneinander die Lungenatmung eliminiert und haben keine Lungen, da sie hauptsächlich durch ihre nasse Haut atmen. Über die Entwicklungsgrundlage des Lungenverlusts in diesen Kladen ist wenig bekannt.

In einer neuen Studie in Wissenschaftliche Fortschritte Forscher am Department of Organismic and Evolutionary Biology und dem Museum of Comparative Zoology der Harvard University untersuchten die Plethodontidae, eine dominante Familie von Salamandern, die alle als Erwachsene lungenlos sind, und stellten fest, dass sie tatsächlich Lungen als Embryonen entwickeln, was Licht auf die Evolution wirft des Lungenverlusts über Millionen von Jahren.

Die Familie der lungenlosen Salamander Plethodontidae ist die artenreichste Salamanderfamilie und macht mehr als zwei Drittel der bestehenden Salamandervielfalt aus. Alle erwachsenen Plethondontiden sind lungenlos und atmen vollständig durch nichtpulmonale Gewebe, hauptsächlich die Haut und die Schleimhäute in Mund und Rachen. Lungenverlust ist bei entfernt verwandten Amphibien mindestens viermal unabhängig voneinander aufgetreten, und es gibt andere Fälle von Lungenreduktion oder -verlust sowohl bei Amphibien als auch bei einigen Wirbeltieren. Der entwicklungsbedingte Grund für diesen Verlust bleibt jedoch ein Rätsel.

„Eindeutig lungenlose Salamander kommen ohne Lunge gut aus, da sie etwa zwei Drittel aller Salamanderarten ausmachen“, sagte der Hauptautor Zachary R. Lewis, ehemaliger Doktorand (Ph.D. ’16), „vielleicht wird der Verlust der Lunge eher ermöglicht als behindert, dieser bemerkenswerte evolutionäre Erfolg.“

Diese Studie baut auf der Doktorarbeit von Lewis im Labor des leitenden Autors Professor James Hanken auf. Lewis, Hanken und Co-Autor Associate Professor Ryan Kerney, Gettysburg College, verwendeten Histologie und Mikro-CT, um die Morphologie der Lungenentwicklung sowohl bei Lungen- als auch bei lungenlosen Salamandern zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass lungenlose Salamander mit der Entwicklung von Lungen als Embryonen beginnen, ähnlich wie Arten mit Lungen sie entwickeln. Die Forscher zeigten dann mithilfe von In-situ-Hybridisierung und RNA-Sequenzierung, dass die Struktur, die sich während der embryonalen Entwicklung des lungenlosen Salamanders bildet, nicht nur morphologisch, sondern auch in Bezug auf die exprimierten Moleküle einer Lunge ähnelt.

Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass die Lungenentwicklung bei diesen Arten aufhört, weil es an Hinweisen fehlt, die die Lungenentwicklung aufrechterhalten, die aus dem Gewebe, dem Mesenchym, entstehen, das die Lunge während ihrer Entwicklung umgibt.

„Wir haben Mesenchym aus einem Salamander mit Lunge in einen lungenlosen Salamanderembryo eingebracht und ihm erlaubt, sich zu entwickeln“, sagte Lewis, „es führte zur Bildung von Strukturen, die Lungen ähneln, was einige Beweise dafür liefert, dass lungenlose Salamander weiterhin in der Lage sind, Lungen zu entwickeln. „

Die Studie bestätigt auch die Doktorarbeit von Amy Grace Mekeel aus dem Jahr 1936, die die führende Theorie der Biologen in Frage stellte, dass die leichte Falte im erwachsenen Pharynx eine verkümmerte Lunge ist, die seit dem anfänglichen Lungenverlust der Plethodontiden bestehen blieb. Mekeel beschrieb ein „Lungenrudiment“, das sich im Embryo bildete, aber zum Zeitpunkt des Schlüpfens verloren ging.

„Der Lungenvorläufer erscheint und verschwindet, bevor die lungenlosen Salamander-Embryonen schlüpfen, genau wie Mekeel es beschrieben hat“, sagte Kerney, „diese Arbeit bestätigt Mekeels frühere These und legt die anfängliche Hypothese der Überreste von Erwachsenen zur Ruhe.“

Die Studie zeigt, dass entwicklungsgenetische Bahnen der Lunge zumindest teilweise konserviert sind, obwohl es seit mindestens 25 und möglicherweise mehr als 60 Millionen Jahren keine funktionsfähigen Lungen von Erwachsenen gibt. Das Verständnis der Entwicklung des Lungenverlusts bei Plethondontidae könnte auch Aufschluss über den Organverlust bei anderen Wirbeltieren geben.

„Wenn diese genetischen Mechanismen in Zukunft aufgedeckt werden, werden wir ein vollständigeres Verständnis dafür haben, wie die Evolution ein Organ wie die Lunge beseitigt, von dem lange angenommen wurde, dass es für das Leben an Land entscheidend ist“, sagte Lewis, der es ist derzeit Wissenschaftler bei NanoString Technologies.