Studie zeigt, dass Sandwich-Stapelsäulen den Brachiopodenschalen ihre Stärke und Flexibilität verleihen

Forscher haben ein neues Licht auf die Entwicklung biomineralisierter Säulensäulen in den Schalen kleiner Meeresschalentiere geworfen, die als phosphathaltige oder linguliforme Brachiopoden bezeichnet werden.

Die heute als veröffentlicht eLife Der überprüfte Vorabdruck wird von den Herausgebern als wichtiger Beitrag zu unserem Verständnis der Rolle und Entwicklung von Säulengehäusen bei Brachiopoden beschrieben, der auf soliden Beweisen basiert.

Das Kambrium, eine geologische Periode vor etwa einer halben Milliarde Jahren, brachte den intensivsten Evolutionsschub des Lebens in der Erdgeschichte hervor. Während dieser Zeit entwickelten einige Meeresarten biomineralisierte Schalenarchitekturen. Bei der Biomineralisierung entstehen durch biologisch kontrollierte Mineralisierung organisch-anorganische Verbundskelette – in diesem Fall Muscheln –, die eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Fitness dieser frühen Arten gespielt hätten.

Eine dieser Arten sind Brachiopoden, die auf ihrer Ober- und Unterseite (Bauch- und Rückenklappen) harte Schalen haben. Dies verleiht ihnen das Aussehen einer Muschel, obwohl sie nicht miteinander verwandt sind. Brachiopoden entstanden und verbreiteten sich rasch im Kambrium. Eine Unterart, die als linguliforme Brachiopoden bekannt ist, ist aufgrund ihres leichten Panzers mit einer einzigartigen Kombination aus Stärke und Zähigkeit von besonderem Interesse.

„Es wird angenommen, dass diese Eigenschaften durch die Anordnung von Calciumphosphat mit einer organischen Matrix in gestapelten Sandwiches aus säulenförmigen Einheiten hervorgerufen werden, was einzigartig für frühe linguliforme Brachiopoden ist“, erklärt Hauptautor Zhiliang Zhang, Professor am State Key Laboratory of Palaeobiology und Stratigraphie, Nanjing Institute of Geology and Paläontology, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Nanjing, China und Macquarie University, Sydney, Australien.

„Obwohl umfangreiche Studien zu lebenden und fossilen Muscheln durchgeführt wurden, konzentrierten sich die meisten von ihnen auf Tiere mit Karbonatschalen. Es ist daher weniger bekannt, wie linguliforme Brachiopoden diese Säulenschalen entwickelt haben.“

Um Einblicke in die Entwicklung und Vielfalt biomineralisierter Säulen zu gewinnen, untersuchten ZL Zhang und Kollegen Fossilien aus einigen der frühesten Familien linguliformer Brachiopoden: Eoobolidae, Lingulellotretidae und Acrotretidae. Die Fossilienproben wurden aus der kambrischen Serie 2 Shuijingtuo-Formation im südlichen Shaanxi und westlichen Hubei in Südchina entnommen – einer Region, die allgemein als eines der Zentren für die Entstehung und frühe Verbreitung linguliformer Brachiopoden gilt.

Eoobolidae gelten allgemein als die ältesten bekannten linguliformen Brachiopoden, daher untersuchte das Team zunächst ihre Schalen im Detail. Sie fanden heraus, dass die mikroskopisch kleinen Säulen übereinander gestapelt waren, um die Sekundärschicht der Hülle zu bilden, in einem „gestapelten Sandwich-Modell“. Diese Sandwich-Architektur erhöht die Robustheit, Flexibilität und Widerstandsfähigkeit der Schale, indem sie den Raum zwischen den Säulen mit organischem Material füllt – ähnlich den Säulen und dem Stahlbeton, die häufig beim Bau von Gebäuden verwendet werden.

Die Autoren sagen, dass diese effiziente und wirtschaftliche Schalenstruktur möglicherweise für die weite Verbreitung linguliformer Brachiopoden während der kambrischen Explosion verantwortlich ist.

Es wurde festgestellt, dass die Säulen der frühen Eoobolidae relativ klein waren und die Sekundärschicht ihrer Schalen schlecht entwickelt war und nur aus zwei bis drei Sandwicheinheiten bestand. Daraus ergibt sich eine Schalendicke von rund 30 Mikrometern. Bei späteren Eoobolidae erhöhte sich die Anzahl der Sandwich-Einheiten auf bis zu 10, was zu einer Schalendicke von rund 50 Mikrometern führte, die Größe der Säulen selbst blieb jedoch gleich.

Im Vergleich zu den Eoobolidae hatten die Lingulellotretidae eine stärker entwickelte Schalenstruktur. Die Säulen waren größer und das Team beobachtete bis zu 20 Sandwich-Einheiten. Dies führte zu einer Schalendicke von etwa 70 Mikrometern. Diese dickere Schale ermöglichte es den Lingulellotretidae, auf die doppelte Körpergröße der Eoobolidae zu wachsen.

Die Acrotretidae schienen die komplexeste Schalenstruktur aller untersuchten kambrischen Linguliformen zu haben. Es zeigte sich, dass die Säulengröße in Bezug auf Höhe und Durchmesser etwa zehnmal größer war als bei Eoobolidae und Lingulellotretidae. Außerdem verfügten sie über rund 30 Sandwich-Einheiten, was zu einer deutlich dickeren Hülle von mehr als 300 Mikrometern führte.

Sowohl bei Eoobolidae als auch bei Lingulellotretidae stellte das Team fest, dass die gestapelten Säulen um ihre untere, ventrale Schale herum stärker entwickelt waren. Diese Entwicklung hebt eine Körperregion, die Pseudointerarea genannt wird, über den Schalenboden an, was mehr Platz für das Verdauungssystem bietet und ihm bei Lingulellotretidae gleichzeitig einen gewissen Schutz bietet.

Bei Acrotretidae war diese Entwicklung noch ausgeprägter, was möglicherweise zu einer Erhöhung der Höhe und Stärke der Bauchschale geführt hat. Der neuartige Körperbauplan – klein und plankonisch – von Acrotretida entstand während des Panzerwachstumsprozesses.

Es gibt einige bemerkenswerte Einschränkungen dieser Ergebnisse. Beispielsweise ist die frühe Aufzeichnung von Schalenstrukturen bei linguliformen Brachiopoden derzeit unvollständig eLife öffentliche Rezension. Darüber hinaus bleibt der Ursprung der Phosphatbiomineralisierung in Brachiopoden ein größeres Rätsel in der Tierentwicklung.

Die Autoren sagen, dass daher mehr Forschung zur Schalenultrastruktur besser erhaltener Brachiopodenfossilien mit Phosphatschale sowie zu Brachiopoden älterer Vorfahren (Stammgruppen) erforderlich ist, um den Ursprung, die Entwicklung und die Funktion der Biomineralisierung bei diesen Tieren besser zu verstehen.

„Die Kontinuität der säulenförmigen Schalenstruktur, die wir gesehen haben, zeichnet ein Bild einer wahrscheinlich kontinuierlichen evolutionären Transformation zwischen Eoobolida, Lingulellotretidae und Acrotretidae“, schließt Co-Autor Zhifei Zhang, Professor an der Northwest University in Xi’an, China.

„Das säulenförmige Gehäuse mit einem gestapelten Sandwich-Modell hat wahrscheinlich eine bedeutende Rolle in der Entwicklung der linguliformen Brachiopoden gespielt. Es könnte für das Aufblühen der Akrotretiden mit Phosphatschalen in der zweiten Hälfte des Kambriums und für die anhaltende Blüte dieser Brachiopodengruppe verantwortlich sein.“ das große Biodiversifizierungsereignis.“