Wandel zum Wirbel: Die Wirbel eines Embryos bestehen zunächst aus Knorpel und verknöchern erst nach und nach. Forschende haben nun rekonstruiert, wie vor 300 Millionen Jahren die Ur-Form dieses Prozesses aussah. Dabei stellten sie außerdem fest, dass drei große Tiergruppen – die Vögel, Säugetiere und Schuppenkriechtiere – basierend auf diesem ursprünglichen Schema der Verknöcherung jeweils eigene Muster entwickelt haben.
Im Mutterleib ist unsere Wirbelsäule zunächst ein knorpeliges Gerüst, das erst Schritt für Schritt verknöchert. „Die Verknöcherungsvorgänge finden nicht überall in der Wirbelsäule gleichzeitig statt. Vielmehr können sie an verschiedenen Stellen entstehen, zu unterschiedlichen Zeiten stattfinden und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und in unterschiedliche Richtungen verlaufen“, erklären Antoine Verrière von der Humboldt-Universität zu Berlin und seine Kollegen.
Wo genau der „Startpunkt“ für die Knochenwerdung der Wirbelsäule liegt und wann in der embryonalen Entwicklung von Wirbeltieren diese Prozesse einsetzen, ist bisher jedoch kaum erforscht.
300 Millionen Jahre Evolution rekonstruiert
Doch jetzt konnten Verrière und sein Team die Muster der Wirbelsäulen-Bildung mithilfe von Daten ausgestorbener sowie lebender Tiere systematisieren. Dafür sammelten sie Hinweise auf den Ablauf der Wirbelverknöcherung bei verschiedenen Tierarten und rekonstruierten, wie sich diese Muster im Laufe der Evolution entwickelt haben. Dadurch gelangten sie schließlich zu einem hypothetischen Ur-Zustand der Wirbelsäulen-Verknöcherung, aus dem alle modernen Muster hervorgegangen sein müssen.
Von besonderer Bedeutung für die Rekonstruktion waren die außergewöhnlich gut erhaltenen Fossilien eines frühen Meeresreptils, des Mesosaurus tenuidens. Mesosaurier gehörten vor 300 Millionen Jahren zu den ersten Reptilien, die sich nach dem Landgang wieder an ein aquatisches Leben angepasst hatten. Ihre Wirbel liefern Einblicke in die Wirbelsäulen-Verknöcherung früher Wirbeltiere und erlauben den Vergleich mit modernen Entwicklungsmustern.
Ur-Verknöcherung kaum verändert
Das Ergebnis der Analysen: In den vergangenen 300 Millionen Jahren, seit der Zeit des Mesosaurus, haben sich die Verknöcherungsmuster der Wirbelsäule nur wenig verändert. Zur Überraschung der Forschenden, denn „lebende und ausgestorbene vierfüßige Wirbeltiere sind enorm vielfältig in Bezug auf ihre Körperformen und Lebensweisen. Die Elemente ihrer Wirbelsäulen sind in komplexen Einheiten organisiert, die sich zwischen den Gruppen innerhalb der vierfüßigen Wirbeltiere stark unterscheiden. Dennoch sind die Verknöcherungsmuster viel einheitlicher, als es die große morphologische Vielfalt erwarten lässt“, erklärt Verrières Kollege Jörg Fröbisch.
Das vom Forschungsteam ermittelte Ur-Verknöcherungsmuster sieht wie folgt aus: Die Wirbelkörper des Embryos verknöchern nach und nach vom Hals aus bis zum Schwanz. Ähnlich verhält es sich mit den paarigen Wirbelbögen, die in derselben Richtung zunächst verknöchern und dann in einem „reißverschlussartigen“ Muster miteinander verschmelzen. Die fertigen Wirbelbögen verschmelzen dann mit den Wirbelkörpern und zwar diesmal vom Schwanz ausgehend hin zum Hals.
Ausnahmen bestätigen die Regel
Obwohl die untersuchten Muster während der Wirbeltier-Evolution relativ stabil geblieben sind, gibt es bei einigen Gruppen dennoch Abweichungen zum Ur-Muster, wie die Wissenschaftler herausgefunden haben. Das betrifft vor allem Vögel, Säugetiere und Schuppenkriechtiere (Echsen und Schlangen). Alle entwickelten jeweils ihr eigenes, spezifisches Muster der Wirbelverknöcherung. Bei Schuppenkriechtieren liegt der größte Unterschied zur Ur-Form darin, dass die Wirbelbögen vom unteren Rücken statt vom Hals aus verknöchern.
Die Anomalie bei Vögeln besteht darin, dass die Fusion von Wirbelbögen mit Wirbelkörpern bei ihnen am Hals statt am Schwanz beginnt. „Die Säugetiere weisen die meisten Abweichungen vom rekonstruierten Urzustand auf“, erklärt Verrières Team. Unter anderem verknöchern ihre Wirbelbögen von der Brust ausgehend und verschmelzen dann vom Hals statt vom Schwanz aus. (Scientific Reports, 2022; doi: 10.1038/s41598-022-24983-z)
Quelle: Museum für Naturkunde, Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung
